CN101210310B - 微型钻头表面改性用多元多层硬质薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微型钻头表面改性用多元多层硬质薄膜材料及其制备方法。该多元多层硬质薄膜材料依次由基材、金属过渡层Cr、金属氮化物过渡层CrN、硬质耐磨层CrTiAlCN、自润滑层类金刚石组成。其制备方法采用Cr、Ti、Al金属靶材和Ar、N2、C2H2或CH4气体，依次轰击清洗微型钻头，沉积Cr层、CrN层、CrTiAlCN层、类金刚石层。本发明提供的多元多层硬质薄膜材料显微硬度较高，达到HV2500～3500，膜/基结合力≥70N，且易于在100～200℃下制备，可在Φ0.1～2.0mm的整体式或焊接式硬质合金微型钻头表面均匀沉积，能显著提高微型钻头的使用寿命及加工印刷线路板的质量和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种可沉积于微型钻头表面的多元多层硬质薄膜材料及其制备方法。
背景技术
随着计算机、手机等微电子行业向微型化快速发展，与微型化密切相关的微电子线路板(PCB：Printed Circuit Board)的加工日趋高速、自动化、精密化、小型化，这就要求对微电子线路板进行精细加工的专用微型钻头能在高温、高速、高磨损、强腐蚀等苛刻条件下进行长期、稳定、高速的切削。PCB板的材质主要为覆铜的玻璃纤维增强层状复合材料，一般为几层到十几层。PCB微型钻头通用直径为0.10～2.0mm，在进行PCB板加工时，其转速可达16万转/分钟，由于钻速高，微钻直径小，排屑难，整个钻孔过程温度高，且PCB材料对微型钻头基材的腐蚀性极强，使微型钻头很容易因扩散、粘结、热电磨损而失效。一方面微型钻头磨损会降低孔的尺寸精度及其寿命；另一方面，磨损产生的热量会导致线路板材料中低熔点组元的熔化以及复合材料层之间的分离，在孔出口处产生拉毛、钉头等缺陷，严重时则会导致电路板报废。
针对目前PCB加工的苛刻条件，人们采用了两种解决途径：一种是改进硬质合金材质，但材质的改进对微型钻头性能和寿命提高有限；另一种是在微型钻头表面涂镀一层或多层约几个微米厚的陶瓷薄膜，利用钻头表层陶瓷薄膜的耐磨性、抗高温氧化、低摩擦系数等性 能，不仅可将微型钻头的寿命延长几倍，还可显著提高PCB加工的效率和钻孔质量，大大降低PCB的加工成本。
中国专利公开号CN 1786253A和CN 1864900A报道了采用英国Teer公司的非平衡磁控溅射技术在微型钻头表面制备的CrTiAlN膜层。该膜层具有良好的硬度和耐磨性，可有效降低微型钻头的磨损速率，延长其使用寿命。但CrTiAlN膜层摩擦系数较大，约0.4～0.8，在高速切削时，容易和被加工的PCB材料粘结，产生高的热量甚至会造成低熔点材料熔化或半熔化，以致降低了PCB的加工质量，如钉头增大、孔位精确度下降等。为了在延长微型钻头使用寿命的同时，保证PCB的加工质量，这就要求微型钻头表面强化膜层不仅具有良好的硬度、膜/基结合力、韧性、耐高温等特性，还要具有减摩耐蚀等特性，显然单一膜层难以达到这一要求。此外，随着微型钻头的直径越来越小以及结构逐渐由整体式硬质合金转为焊接式(柄为高速钢，工作部位为硬质合金)，由于沉积温度一般为300～500℃，常规单一的硬质薄膜制备技术容易造成微型钻头变形，进而导致PCB板加工孔位精确度低，难以满足高精密微电子行业的发展需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有薄膜制备技术存在的缺点和不足，提供一种多元多层硬质薄膜CrTiAlCN+DLC(DLC即类金刚石)材料。该材料显微硬度高、膜/基结合力高、摩擦系数低、良好的耐磨、耐蚀等性能，提高微型钻头使用寿命，同时解决钻削时“孔位精确度”、“孔壁粗糙度”、“钉头”等性能指标超标的问题。
本发明的另一个目的是提供一种多元多层硬质薄膜材料CrTiAlCN+DLC的制备方法，该方法沉积温度为100～200℃，膜层细腻，适宜于整体式和焊接式硬质合金微型钻头的表面改性。
本发明是通过以下技术方案实现的：多元多层硬质薄膜材料依次由基材1、金属过渡层Cr 2、金属氮化物过渡层CrN 3、硬质耐磨层CrTiAlCN 4、自润滑层类金刚石5构成。
所述的基体材料1为Φ0.1～2.0mm的整体式或焊接式硬质合金微型钻头。
多元多层硬质薄膜材料的制备方法是采用Cr、Ti、Al靶在达到本底真空：5.0×10-3Pa，温度：100～200℃，工件架转速：2～10rpm条件下，依次包括以下步骤：
①炉内压强：0.2～1.0Pa，Ar气流量：150sccm，离子源：2Kw，偏压：800V，轰击清洗基材30min；
②炉内压强：0.2～0.4Pa，Ar气流量：100～150sccm，磁控Cr靶功率：2.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属过渡层Cr：5～15min；
③炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～150sccm，N2：10～50sccm，磁控Cr靶功率：5.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属氮化物过渡层CrN：15～30min；
④炉内压强：0.4～0.8Pa，Ar气流量：100～150sccm，N2：50～200sccm，CH4或C2H2气流量：20～150sccm，磁控靶功率：Cr靶：2.0～6.0Kw，Ti靶：2.0～6.0Kw，Al靶：2.0～8.0Kw，离子源：1.0～2.0Kw，偏压：50～150V，沉积硬质耐磨层CrTiAlCN：30～150min；
⑤炉内压强：0.6～1.0Pa，Ar气流量：100～150sccm，CH4或C2H2气流量：50～150sccm，磁控Ti靶功率：1.0～3.0Kw，离子源： 1.0～2.0Kw，偏压：30～100V，沉积自润滑层类金刚石：30～120min。
本发明首先采用气体离子源离化氩气在高偏压下对微型钻头表面进行离子轰击清洗。离子束溅射清洗的优点是能量可控范围广，克服了常规辉光放电偏压清洗能量弱，以及电弧离子清洗能量过高易导致材料表面“打弧”和“发蒙”等缺点，能够在维持微型钻头温度足够低的情况下，彻底清除其表面杂质异物层，同时抛光表面，改善微型钻头表面微粗糙度，显著提高后续膜层与微型钻头的界面结合力。
本发明所述的金属过渡层为金属Cr，沉积金属层Cr是因为金属Cr和微型钻头的硬质合金基材的结合力好，该层的膜厚为0.1～0.2μm。
本发明所述的金属氮化物过渡层为CrN，沉积CrN是为了在基体和硬质耐磨层之间实现硬度的梯度过渡，降低膜层内应力，提高膜/基结合力及膜层的韧性，该层膜厚为0.1～0.5μm。
本发明所述的硬质耐磨层为CrTiAlCN，通过逐渐改变靶功率和气体流量，制备的CrTiAlCN层具有成分梯度过渡的组织结构，使膜层具有良好的硬度、韧性、高温耐磨减摩特性，该层膜厚为0.5～2.0μm。
本发明所述的自润滑层为DLC(类金刚石)膜，是利用离子束技术，通过阳极层流型矩形气体离子源离化碳氢化合物(甲烷、乙炔等)，同时开启磁控溅射金属靶制备的含微量金属和金属碳化物的DLC薄膜，该层膜厚为0.3～1.0μm。
图1为本发明多元多层硬质薄膜材料的结构示意图。图中基材1为Φ0.1～2.0mm的整体式或焊接式硬质合金微型钻头，金属过渡层2为Cr，金属氮化物过渡层3为CrN，硬质耐磨层4为CrTiAlCN，自润滑层5为DLC。
具体实施方式
实施例1、2、3分别按表1、2、3所列工艺流程和参数操作。测试方法如下：
①膜层厚度采用横截面金相法测量；
②膜层硬度采用维氏显微硬度计测量：载荷10g，加载时间15秒，测三点硬度取平均值；
③膜/基结合力采用薄膜结合强度划痕试验仪测量：加载速度为100N/min，划行速度为4mm/min，划行时间为1分钟；膜层摩擦系数采用球-盘式摩擦磨损试验机测量，对磨件材质为GCr15，线速度为0.5m/s，载荷为0.98N；
④微型钻头使用制程：新针初次使用后可研磨重用，研磨次数为4次，总钻孔数表示为总数(新针/磨一/磨二/磨三/磨四)；
⑤PCB板钻削加工质量标准：孔位精确度CPK值不小于1.33，孔壁粗糙度不大于25.4μm，钉头值不大于200％。
实施例1
表1工艺流程表
采用Cr、Ti、Al三种靶材，气体为高纯Ar、N2和C2H2，基材为Φ0.4mm微型钻头。依次沉积多元多层硬质膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC 的厚度分别为0.1、0.25、0.85、0.6μm；膜层总厚度为1.8μm，硬度值为HV2700，膜/基结合力为85N，膜层的摩擦系数为0.2。使用该镀膜微型钻头钻削厚度为2.0mm的6层PCB板，转速为12万转/min，按照微型钻头的使用制程，在满足PCB板的加工质量标准条件下，镀膜微型钻头钻孔平均数达到25500个(7000/6000/5000/4000/3500)，而未镀膜微型钻头钻孔平均数为10000个(3000/2000/2000/1500/1500)。
实施例2
表2工艺流程表
采用Cr、Ti、Al三种靶材，气体为高纯Ar、N2和C2H2，基材为φ0.25mm微型钻头。依次沉积多元多层硬质膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC的厚度分别为0.1、0.2、0.6、0.4μm；膜层总厚度为1.3μm，硬度值为HV2500，膜/基结合力为85N，膜层的摩擦系数为0.25。使用该镀膜微型钻头钻削厚度为1.6mm的8层PCB板，转速为14万转/min，按照微型钻头的使用制程，在满足PCB板的加工质量标准条件下，每支镀膜微型钻头钻孔平均数达到14500个(5000/4000/3000/2500/0)，而未镀膜微型钻头钻孔平均数为6000(2000/1500/1500/1000/0)。
实施例3
表3工艺流程表
采用Cr、Ti、Al三种靶材，气体为高纯Ar、N2和CH4，基材为Φ0.3mm的焊接式硬质合金微型钻头。依次沉积多元多层硬质膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC的厚度分别为0.1、0.2、1.0、0.5μm；膜层总厚度为1.8μm，硬度值为HV2900，膜/基结合力为75N，膜层的摩擦系数为0.15。使用该镀膜微型钻头钻削厚度为0.7mm的4层PCB板叠板2层，转速为13.5万转/min，按照微型钻头的使用制程，在满足PCB板的加工质量标准条件下，每支镀膜微型钻头钻孔平均数达到23500个(6000/5000/5000/4000/3500)，而未镀膜微型钻头钻孔平均数为9000个(2500/2000/2000/1500/1000)。
按照本发明提供的微型钻头表面改性用多元多层硬质薄膜材料及其制备方法制备的多元多层硬质薄膜材料显微硬度达到HV2500～3500、膜/基结合力≥70N、摩擦系数0.1～0.3，具有良好的耐磨、耐蚀等性能，可提高微型钻头使用寿命2～4倍，同时解决了钻削时“孔位精确度”、“孔壁粗糙度”、“钉头”等性能指标超标的问题。该方法沉积温度低，膜层细腻，适宜于整体式和焊接式硬质合金微型钻头的表面均匀沉积，能显著提高微型钻头的使用寿命及加工印刷线路板的质量和生产效率。
Claims (3)
1.一种微型钻头表面改性用多元多层硬质薄膜材料，其特征是依次由基材(1)、金属过渡层Cr(2)、金属氮化物过渡层CrN(3)、硬质耐磨层CrTiAlCN(4)、自润滑层类金刚石(5)构成，
2.根据权利要求1所述的多元多层硬质薄膜材料，其特征是所述的基材为Φ0.1～2.0mm的整体式或焊接式硬质合金微型钻头。
3.一种权利要求1所述的多元多层硬质薄膜材料的制备方法，其特征是采用Cr、Ti、Al三种靶材，在达到本底真空：5.0×10-3Pa，温度：100～200℃，工件架转速：2～10rpm条件下，依次包括以下步骤：
①炉内压强：0.2～1.0Pa，Ar气流量：150sccm，离子源：2Kw，偏压：800V，轰击清洗基材30min；
②炉内压强：0.2～0.4Pa，Ar气流量：100～150sccm，磁控Cr靶功率：2.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属过渡层Cr：5～15min；
③炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～150sccm，N2：10～50sccm，磁控Cr靶功率：5.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属氮化物过渡层CrN：15～30min；
④炉内压强：0.4～0.8Pa，Ar气流量：100～150sccm，N2：50～200sccm，CH4或C2H2气流量：20～150sccm，磁控靶功率：Cr靶：2.0～6.0Kw，Ti靶：2.0～6.0Kw，Al靶：2.0～8.0Kw，离子源：1.0～2.0Kw，偏压：50～150V，沉积硬质耐磨层CrTiAlCN：30～150min；
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