CN100402208C

CN100402208C - 印刷电路软板微钻专用硬质膜层

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Publication number: CN100402208C
Application number: CNB2006100520393A
Authority: CN
Inventors: 江河; 周丹华
Original assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHEJIANG HUIJIN TEER COAT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: CN1864900A

Abstract

本发明涉及一种在印刷电路板软板上钻孔使用的微型钻头上的硬质膜层。所要解决的技术问题是提供微钻专用硬质膜层的改进，该膜层应具有更好的抗磨损和抗高温性能、能提高钻孔质量和使用寿命，并能提高印刷电路板加工效率，降低生产成本。技术方案是：印刷电路软板微钻专用硬质膜层，其基体材料为常规钻头，基体材料的表层制有至少三层膜层，这些膜层由内而外依次是：过渡层，包括金属元素铬；氮化物过渡层，包括的金属元素铬和氮化铬；氮化物硬质耐磨层，包括是氮化铬。所述的过渡层、氮化物过渡层和氮化物硬质耐磨层还可加入金属元素钛和铝，氮化物过渡层分为内混合层和外混合层。

Description

印刷电路软板微钻专用硬质膜层

技术领域

本发明涉及一种钻头专用硬质膜层，具体是制造印刷电路时，在印刷电路板软板上钻孔使用的微型钻头上的硬质膜层。

背景技术

由于印刷电路板的电路图形越来越精细，因此印刷电路板上的孔径也越来越小(现已达到φ0.1mm)，布线密度越来越密(L/S≤0.1mm/0.1mm)，加工速度越来越快(150～200孔/min)，这样就对硬质合金微加工工具和加工精度提出了更高的要求，因为在钻削这种微孔时，φ0.1mm～φ0.4mm的微孔钻头磨损、折断对微孔的加工质量、加工效率、废品率、加工成本等都有较大的影响。

研究结果表明，FPCB(印刷电路软板)微钻的磨损主要是磨粒磨损。切削过程中加工材料的硬颗粒对微钻冲蚀，挤压形成微观磨损和剥落。切削刃钝化后，摩擦力增大，温度升高使PCB材料中环氧树脂软化，钻孔质量达不到要求，微钻即失效。

提高硬度可以增加磨损抗力，延长使用寿命。但碳化钨在整体材料中已属于高硬度，欲进一步提高微钻硬度，必须在其表面镀上比碳化钨更硬的镀层，如TiN，CrN等。

镀膜的方式有很多种，适合于微钻镀硬膜方法为物理气相沉积(PVD)。PVD的镀膜方式主要有蒸发和离子镀两种。蒸发沉积速度快，但是相对来说形成的膜层质量比较差。离子镀一般有阴极弧和磁控溅射。阴极弧形成的膜层有明显金属液滴，而微钻直径小，液滴占比例高，即破坏微钻表面状态。

溅射的原理是在充有氩气的真空条件下，采用辉光放电技术使得电子在电场的作用下加速飞向基体(微钻)的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材(铬、钛、铝)，溅射出大量的靶材原子和离子。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高离化率。溅射靶材的离子与通入真空室中的反应气体(氮气)发生反应，生成氮化合物沉积到基体上。

磁控溅射镀膜过程的控制比较容易，膜层表面光滑，但是一般溅射沉积的离化率低，膜的致密度低，膜和基体结合力比较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种印刷电路软板微钻专用硬质膜层的改进，该硬质膜层应具有更好的抗磨损和抗高温性能、能提高钻孔质量和使用寿命，并能提高印刷电路板加工效率，降低生产成本。

本发明采用的技术方案是：印刷电路软板微钻专用硬质膜层，其基体材料为常规钻头，其特征在于所述的基体材料的表层制有至少三层膜层，这些膜层由内而外依次是：过渡层，该层的成分包括金属铬，膜厚为0.05-0.1μm；氮化物过渡层，其中包括的金属铬和氮化铬的原子比为1∶8-10，膜厚是0.1-0.7μm；氮化物硬质耐磨层，其中包括的成分是氮化铬，膜厚为0.6-0.8μm。

所述的过渡层中还可加入金属元素钛和铝，其中铬、钛、铝的比例为60-80∶1∶0-0.6，膜厚是0.05-0.07μm；所述的氮化物过渡层中还可加入金属元素钛和铝，铬、钛、铝的比例为80-3∶1∶0-3，金属和氮化物的比例为6-0.5∶3，膜厚为0.5-0.7μm；所述的氮化物硬质耐磨层中还可加入钛和铝，铬、钛、铝的比例为2-10∶1∶0.5-3，膜厚为0.5-0.7μm。

所述的氮化物过渡层分为内混合层和外混合层，厚度分别为0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，内混合层的金属和金属氮化物的比例控制在4-6∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例是60-80∶1∶0-0.6；外混合层的金属和金属氮化物的比例是0.5-1∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例控制在3-10∶1∶0.5-3。

本发明由于在印刷电路软板微钻上加制了若干铬钛铝氮镀层，有效地增加了表面硬度，减小了磨损率，延长了使用寿命；微钻的硬度从原来的1200-1500HV，提高到2500-3200HV；使用寿命延长了3-4倍；同时膜层结构的设计有效地增加了膜层的结合力，解决了强度和硬度的矛盾，并且同时满足了PCB硬质合金微钻的“三高”特性，即高耐磨性、高韧性、高热导率。另外，微钻质量的提高也相应提高了印刷电路板软板的加工精度和加工效率，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明的放大结构示意图。

图2是图1中A-A截面的放大结构示意图。

具体实施方式

本发明所作的改进是在所述微钻的表面加上多层具有硬质耐磨作用的复合膜层，藉其硬度和耐磨作用来改善钻头在使用过程中的抗磨损和抗高温氧化性能。

具体制备膜层的方法是使用英国Teer公司的非平衡磁控溅射设备。该设备较传统的磁控溅射相比，能够有效的拓宽空间等离子区域和增加等离子区域的等离子密度。由于空间离子区域的拓宽，可以有效增加镀膜区域，提高膜层品质。而且由于离子空间区域的增加使工件时刻受到离子的轰击，膜层和基体的结合力也有很大的改进。空间离子浓度的增加有利于化合反应的顺利进行，从而形成品质更佳的膜层。经测试的膜层与基体的结合力超过60N，已经达到并超过一般工业使用中60N结合力的要求。

所谓非平衡磁控溅射是将某一磁极的磁场对于另一极性相反磁极的磁场增强或减弱，这就导致了磁场分布的“非平衡”。在保证靶面水平磁场分量有效地约束二次电子运动，可以维持稳定的磁控溅射放电的同时，另一部分电子沿着强磁极产生的垂直靶面的纵向磁场，可以使逃逸出靶面的电子飞向镀膜区域。这些飞离靶面的电子还会与中性粒子产生碰幢电离，进一步提高镀膜空间的等离子体密度，有利于提高沉积速率，更有利于沉积高品质的镀层。

非平衡磁控溅射设备中设有若干个不同金属材料的溅射靶，具体膜层中的元素含量，是在镀膜时调控溅射电流的大小来进行控制的。如果某种金属(如铬)的溅射电流调大，那么相应的膜层里这种金属元素要增加；如果不溅射某种金属(如铝)，那么相应的膜层里就没有这种金属元素。

印刷电路软板微钻专用硬质膜层，具有常规钻头的形状和基体材料5；基体材料仍然采用WC-Co硬质合金；基体材料的表层还制有至少三层膜层，这些膜层由内而外依次是：过渡层1、氮化物过渡层、硬质耐磨层4。其中过渡层基本上全是金属元素，主要是增加基体和硬质膜层之间的结合力；氮化物过渡层是金属元素与金属氮化物(由金属和氮气化合生成)的混合层；硬质耐磨层是金属氮化物。

所述的过渡层的成分包括金属铬，膜厚为0.05-0.1μm；氮化物过渡层，其中包括的金属铬和氮化物氮化铬的比例为1∶8-10，膜厚为0.1-0.7μm；氮化物硬质耐磨层，其中成分是氮化铬，膜厚为0.6-0.8μm。

膜层中还可加入钛和铝构成铬钛铝氮(CrTiAlN)膜层。具体是在所述的过渡层中加入金属元素钛和铝，其中铬、铝、氮的比例为60-80∶1∶0-0.6，膜厚是0.05-0.07μm；所述的氮化物过渡层中加入金属元素钛和铝，铬、钛、铝的比例为80-3∶1∶0-3，金属和氮化物的比例为6-0.5∶3；所述的氮化物硬质耐磨层中加入钛和铝，铬、钛、铝的比例为2-10∶1∶0.5-3，膜厚约为0.5-0.7μm。

铬钛铝氮的氮化物过渡层还可分为内混合层2和外混合层3，厚度分别为0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，内混合层2的金属和金属氮化物的比例为4-6∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例是60-80∶1∶0-0.6；外混合层3的金属和金属氮化物的比例为0.5-1∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例为3-10∶1∶0.5-3。

本专利申请中涉及的所有元素比例均为原子比。

本发明制备膜层的流程一般为[以铬钛铝氮(CrTiAlN)为例]：

1、微钻在金属清洗溶液(外购)中进行超声波清洗3～10分钟。

2、清洗后的微钻装入真空室，基体加脉冲偏压200～400V，二个铬靶电流均为0.3～4A，钛靶和铝靶电流0.1～0.3A，进行辉光和等离子轰击清洗40min。

3、清洗结束后，进行O E M(光谱监控仪，通过检测反应室内气体发出的光谱来测定和控制气体的成分)的调整，同时也是过渡层的制备。脉冲偏压降回150～60V，二个铬靶的溅射电流控制在3.9～4.1A，同时钛靶电流控制在0.2～0.4A之间以及铝靶电流控制在0～0.1A。这样子在基体和膜层直接形成一个过渡层，增加膜层和基体的结合力。在此期间调整OEM的读数，将此时的读数记作100％。时间7-9min。

4、镀膜。其中脉冲偏压维持在50～70V。二个铬靶的溅射电流保持在3～5A以内，同时钛靶电流仍然维持0.1～0.5A，铝靶电流0.1～0.5A。同时通入氮气，使OEM的读数在92％～80％。时间为12～18min。

5、镀膜。其中脉冲偏压降至50～90V。二个铬靶的溅射电流保持在3～5A以内，同时钛靶电流由0.4提高到8A，铝靶电流由0.3提高到8A。同时通入氮气，使OEM的读数在80％～60％。时间为60～65min。

6、镀膜。其中脉冲偏压维持在60～90V。二个铬靶的溅射电流保持在3～5A以内，同时钛靶电流仍然维持在6～10A，铝靶电流维持在6～10A。同时通入氮气，使OEM的读数在60％～40％。时间为65～75min。

7、检验。

制备氮化铬(CrN)膜层的流程基本与制备铬钛铝氮膜层的流程相同，只是钛靶电流和铝靶电流全都关闭；铬靶电流以及所通入的氮气量也可根据需要另行确定。

尚需说明的是，本发明所述的各膜层的厚度及元素测量均采用现有的测量办法；其中膜层的厚度测量，常用的有台阶仪球坑仪和无损检测仪器，这些仪器可外购获得。当然也可用工具截断微钻，然后在电子显微镜下扫描膜层的结构，根据相关的比例尺来确定每层膜的厚度。另外，各膜层中的元素含量，一般通过成分分析谱仪的商品谱仪(也可外购)来测量。硬度检测也采用显微硬度计来测量膜层的复合硬度。

实施例1：

膜层为CrN(氮化铬)。膜的层数为三层。

a、过渡层Cr(铬)：该层的成分为全部的金属铬，膜厚0.05μm；b、氮化物过渡层：其中Cr(铬)金属和CrN(氮化铬)的比例约为1∶8，膜厚约为0.1μm；c、氮化物硬质耐磨层：成分就是CrN(氮化铬)，膜厚约为0.6μm。

实施例2：

膜层为CrN(氮化铬)。膜的层数为三层。

a、过渡层Cr(铬)：该层的成分为全部的金属铬，膜厚0.1μm；b、氮化物过渡层：其中Cr(铬)金属和CrN(氮化铬)的比例约为1∶10，膜厚约为0.3μm；c、氮化物硬质耐磨层：成分就是CrN(氮化铬)，膜厚约为0.8μm。

实施例3：

膜层为CrTiAlN(铬钛铝氮)。膜的层数为四层。

过渡层中含有铬、钛和铝，其中铬、钛、铝的比例为60∶1∶0.6，膜厚是0.05μm；

氮化物过渡层包括内混合层2和外混合层3，厚度分别为0.1μm以及0.4μm，内混合层2的金属和金属氮化物的比例控制在4∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例是60∶1∶0.6；外混合层3的金属和金属氮化物的比例是0.5∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例控制在3∶1∶0.5。

氮化物硬质耐磨层，其中成分是铬钛铝氮，膜厚为0.5μm。所述的氮化物硬质耐磨层中还含有金属元素钛和铝，铬、钛、铝的比例为2∶1∶0.5。

实施例4：

膜层为CrTiAlN(铬钛铝氮)。膜的层数为四层。

过渡层中含有铬、钛和铝，其中铬、钛、铝的比例为80∶1∶0，膜厚是0.07μm；

氮化物过渡层包括内混合层2和外混合层3，厚度分别为0.2μm以及0.5μm，内混合层2的金属和金属氮化物的比例控制在6∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例是80∶1∶0；外混合层3的金属和金属氮化物的比例是1∶3，含有的金属元素铬、钛、铝的比例控制在10∶1∶3。

氮化物硬质耐磨层，其中成分为铬钛铝氮，膜厚为0.7μm。所述的氮化物硬质耐磨层中还含有金属元素钛和铝，铬、钛、铝的比例为10∶1∶3。

Claims

1.印刷电路软板微钻专用硬质膜层，其基体材料(5)为常规钻头，其特征在于所述的基体材料的表层制有至少三层膜层，这些膜层由内而外依次是：过渡层(1)，该层的成分包括金属铬，膜厚为0.05-0.1μm；氮化物过渡层，其中包括的金属铬和氮化铬的原子比为1∶8-10，膜厚是0.1-0.7μm；氮化物硬质耐磨层(4)，其中包括的成分是氮化铬，膜厚为0.6-0.8μm。