CN101824618A

CN101824618A - 超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻及其制备方法

Info

Publication number: CN101824618A
Application number: CN 201010174333
Authority: CN
Inventors: 杨兵; 丁辉; 付德君; 田灿鑫
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: CN101824618B

Abstract

本发明公开了一种超硬类金刚石(DLC)基纳米复合涂层印刷电路板(PCB)微钻及其制备方法，在PCB微钻上通过柱形靶电弧放电方法生成有由Ti/TiCN/TiCN-DLC/TiC-DLC依次构成的多层梯度纳米复合涂层。本发明制备的复合涂层与刀具基体具有良好的结合力、很高的硬度(42GPa)和良好的耐磨和润滑性能(摩擦系数小于0.15)。克服了PCB微钻加工过程中由于刀具表面润滑较差而导致排屑不畅的问题，解决了加工过程中刀刃磨损严重而导致的切削力增大引起的微钻断裂问题，可大幅度提高PCB微钻的寿命和PCB的加工效率，具有良好的工业应用前景。

Description

超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻及其制备方法

技术领域

本发明属于微钻技术领域。特别涉及一种印刷电路板微钻及其制备方法。

背景技术

印刷电路板(PCB-Printed Circuit Board)是所有电子信息产品不可缺少的基本构成要件，也是全球电子元件产品中市场份额占有率最高的产品。移动电话、笔记本式电脑等产品的印制电路板(PCB)上安装元件的小型化，不但推动了印制电路板小型化的发展，而且对于印制电路板的电路图形精细也起到了促进作用。日本，中国大陆，美国，台湾为全球前4大PCB生产国。根据市场预测可知，全球PCB每年将保持平均6％以上的增长率，预计2010年全球PCB产值将达537亿美元；中国几乎占据了全球三分二以上的增长份额，预计2010年中国大陆PCB产值将达178亿美元，占全球总产值的33.2％。开拓中国市场已经成为全球知名PCB微钻厂家营销工作的重中之重。

过孔是PCB的重要组成部分之一，其作用是各层间的电气连接通道和器件的固定或定位孔，用PCB微钻进行机械钻孔是最常用的加工方法。PCB的孔径越来越小，布线密度越来越高，加工速度越来越快，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，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。常规的PCB钻头寿命为2000～3000孔，超过此限的钻头刃面钝化，影响钻孔质量，甚至折断而损伤价格昂贵的基板，只能更换钻头。钻孔的费用通常占PCB制板加工费用的30％到40％。

随着2006年7月欧盟的两个指令ROHS和WEEE开始生效，标志着全球的电子行业开始步入无铅时代，同时PCB界的无卤化进程也在快速推进。PCB板材的无卤化以及封装过程的无铅化是电子产品环保的要求，是电子电路行业发展的必然趋势。但是无卤和无铅化也给PCB的生产带来一些挑战，由于无铅焊料的焊接温度较高，印制板的玻璃化硬度普遍提高，为了提高板材的耐热性和尺寸稳定性，除提高树脂固化交联密度外，有些情况下还添加适量的无机填料。无卤、无铅板材虽然满足了环保的要求，但是其孔加工性能往往变差，给作为PCB生产基本工序的机械钻孔带来了挑战，突出表现在钻头磨损加剧，易出现崩口。在同等情况下，微钻的寿命大约降低30％，铣刀的寿命降低则更多更明显。

目前以提高微钻耐磨损能力为重点，提高微钻综合性能的主要措施有：改进微钻材料、钻孔方式、微钻槽形、使用微钻表面强化技术。其中，微钻表面强化技术的研发是一项最有前景的技术。目前，大尺寸刀具的表面强化技术已经相当成熟，可以提高刀具使用寿命4～10倍。大尺寸刀具的表面强化技术成功应用给研究机构带来了启发，激励了众多的研究机构探索微钻的表面强化技术。微钻表面强化的方向主要有三个：(1)提高表面硬度；(2)降低表面摩擦系数；(3)提高表面耐腐蚀能力。围绕这几个强化方向，国内外对微钻表面强化技术的研究主要集中在离子注入、电弧离子镀、磁控溅射和等离子体化学气相沉积等方面。尽管已有某些公司宣称已经找到提高3～10倍微钻寿命的表面强化技术。但截止到目前为止，还没有相关产品大批量生产的报导。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的现状，通过选择合适的表面强化方法和稳定批量的生产工艺而提供一种超硬类金刚石(DLC)基复合涂层PCB微钻及其制备方法。

本发明产品的技术方案是：在基体为硬质合金的PCB微钻表面上有一由结合层、支撑层、耐磨层和润滑层依次构成的DLC基多层梯度纳米复合涂层，其中：结合层的材料为Ti；支撑层的材料为TiCN；耐磨层的材料为TiCN掺杂DLC，即TiCN-DLC；润滑层的材料为TiC掺杂DLC，即TiC-DLC。

为了进一步提高本发明产品的性价比，应控制结合层的厚度在30～50纳米之间、支撑层的厚度在0.5～2.0微米之间、耐磨层的厚度在3.0～4.0微米之间、润滑层的厚度在0.5～3.0微米之间。

为了进一步提高本发明产品的性能和质量，耐磨层进一步选择TiCN掺杂DLC形成的TiCN-DLC纳米晶复合超硬涂层，其TiCN纳米晶粒径为5～10nm，其含量为50-80at.％；润滑层进一步选择TiC掺杂DLC形成的TiC-DLC纳米晶-非晶复合涂层，其TiC纳米晶粒径为5-10nm，其含量为10-30at.％。

本发明制备方法的技术方案是：采用高密度旋转柱状电弧放电方法生成涂层，由下述步骤依次构成：

1、对PCB微钻进行辉光清洗并在其表面生成材料为Ti的结合层；

2、在上步得到的结合层上生成材料为TiCN的支撑层；

3、在上步得到的支撑层上生成材料为TiCN掺杂DLC、即TiCN-DLC的耐磨层；

4、在上步得到的耐磨层上生成材料为TiC掺杂DLC、即TiC-DLC的润滑层。

为了进一步提高本发明方法的工效和质量，可进一步将各步骤的具体条件选择在：

1、辉光清洗和生成结合层的电弧放电条件为：氩气环境下，电压-900～-1000V偏压，温度400～450℃，气压0.005～0.05Pa；

2、生成支撑层的电弧放电条件为：氮气和乙炔气环境下，电压-50～-250v偏压，温度100～350℃，气压0.5～5.0Pa；

3、生成耐磨层的电弧放电条件为：过量乙炔气和氮气环境下，电压-50～-300v偏压，温度100～350℃，气压2.0～5.0Pa；

4、生成润滑层的电弧放电条件为：过量乙炔气环境下，电压-50～-300v偏压，温度100～350℃，气压2.0～5.0Pa；

由上述技术方案可知本发明是利用电弧放电法制备超硬DLC基复合涂层。为了提高涂层和基体之间的结合力，该方法首先利用旋转柱状电弧离子镀技术的高离化率把Ti离子从Ti靶上蒸发出来，在工件上加负高压，Ti离子在偏压轰击下对工件表面进行清洗和在工件上沉积Ti结合层；由于复合涂层硬度较高，为了在基体和复合涂层之间形成硬度梯度，在结合层制备结束后，通入氮气和乙炔反应生成TiCN支撑层，TiCN具有高硬度、高耐磨性等特点，在刀具涂层中已获得了广泛的应用；为了降低DLC涂层的内应力和提高涂层硬度，将TiCN陶瓷掺杂到DLC中。在制备过程中，TiCN相主要通过Ti和乙炔以及Ti和氮气反应生成，而DLC相主要通过通入过量乙炔形成大量的碳形成。通过调整乙炔的量，则可以控制TiCN和DLC的相对含量。TiCN相的晶粒直径控制在5-10nm，含量控制在50-80at.％，形成TiCN掺杂DLC(TiCN-DLC)纳米的耐磨层，由于电弧放电产生高度离化的等离子体，使DLC相中sp3键含量较高，使耐摩层具有较高的硬度；当耐磨层制备结束后，停止通入氮气，通入过量乙炔，使乙炔在等离子体离化作用下分解成碳的活性基团，一部分与Ti反应生成TiC，另一部分形成DLC，通过控制乙炔流量来控制涂层中TiC相的相对含量，TiC相的相对含量控制在10-30at.％，晶粒尺寸在5-10nm。DLC为非晶相，形成TiC纳米晶掺杂DLC(TiC-DLC)的润滑层。由于DLC相含量较高，润滑层摩擦系数较低(小于0.2)。

因此本发明具有如下优点：第一，与磁控溅射方法相比，本发明所采用电弧放电法离化率高，克服了磁控溅射法离化率低导致硬度较低的问题；第二，本发明由于采用高密度电弧放电方法制备Ti过渡层，涂层和基体为冶金结合，具有良好的附着力；第三，与常规电弧放电法制备类金刚石相比，本发明不是采用石墨作为阴极，而是采用Ti靶在乙炔氛围中制备，克服了过滤石墨靶产生的大颗粒采用的复杂的过滤系统，大幅度简化了设备；第四，由于本发明涂层结构合理，顶部为减磨层，使摩擦系数降低到0.2以下，可以大幅度降低PCB加工中粘刀导致微钻断裂问题，大幅度提高加工效率；第五，本发明采用高密度电弧放电技术与现行涂层设备相近，同时涂层设备结构简单，易于控制，工业应用前景良好。

采用本发明微钻后，在PCB加工过程中，不但可以大幅度降低微钻断裂问题，同时可以大幅度提高微钻的工作寿命，进而提高加工效率。同时由于微钻表面具有超高硬度和良好的润滑性能，可以大幅度提高加工出连通孔的表面光洁度，提高产品质量。不但克服了现有常规电弧放电法制备DLC硬度较低缺点，同时克服了颗粒污染的问题。

总之，本发明所制备类金刚石涂层PCB微钻具有硬度高、摩擦系数低，可以大幅度延长微钻使用寿命，降低生产成本，易于实现工业生产，具有良好的应用前景。

附图说明

图1.为本发明采用的高密度旋转柱状电弧放电装置结构示意图；

图2.为本发明微钻表面涂层的原子力显微图；.

图3.为本发明微钻的截面高分辨透射电子显微图片；.

图4.为本发明微钻的截面扫描电镜图片。

上述附图中：1-抽真空孔，2-工件架，3-加热器，4-炉门，5-大功力旋转电弧靶，6-炉壁。

具体实施方式

用本发明的方法制备本发明的产品时采用高密度旋转柱状电弧放电装置。附图1为该装置的结构示意图，装置的真空室由炉壁围成，真空室高度为0.5-1.5米，直径为700-900mm。真空室侧面设有炉门4，以方便工件的装卸。真空室设有抽真空口1，抽真空机组通过抽真空口1对真空室进行抽真空，抽真空机组可由扩散泵和机械泵组成，也可以采用分子泵，极限真空可以达到5×10^-4Pa。真空室的中心部位为大功率旋转电弧靶5，大功率旋转电弧靶5呈柱形，由大功率逆变电源供电，其电流范围为150～400A，通过靶中高速旋转的磁铁来控制电弧运动。圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶靶材均为Ti。炉壁6上安装有多个加热器3，可以方便的调节真空室中的温度。大功率旋转电弧靶5和炉壁6之间的空间为离子镀沉积区。样品装在工件架2上，在中心柱弧靶4和炉壁6之间进行公转和自转。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加，工件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。由于对靶结构进行了优化，磁场分布更均匀，使电弧在靶面上均匀燃烧，提高了涂层的均匀性。

以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1：在气压0.005Pa、温度400℃、电压-900V偏压、氩气环境的条件下利用磁场控制的旋转金属靶电弧放电制备30nm厚的金属Ti结合层；然后通入乙炔和氮气，气压控制在0.5Pa，偏压控制在-50V。Ti离子从Ti靶上蒸发出来，与氮气和乙炔反应生成0.5微米厚TiCN支撑层。然后在100℃、-50V偏压、2.0Pa气压条件下生成3微米TiCN-DLC耐磨层，TiCN相的晶粒粒径控制在5nm，含量控制在50at.％；当主耐磨层沉积结束后，在100℃、-50V偏压、2.0Pa气压条件下沉积0.5微米TiC-DLC润滑层，TiC相的晶粒粒径控制在5nm，相对含量控制在10at.％；涂层总厚度约为4微米。硬度为42GPa，摩擦系数小于0.15.制备结束后自然冷却，得到DLC基纳米复合涂层PCB微钻。

实施例2：在气压0.05Pa、温度450℃、电压-1000V偏压、氩气环境的条件下利用磁场控制的旋转金属靶电弧放电制备50nm厚的金属Ti结合层；然后通入乙炔和氮气，气压控制在5.0Pa，偏压控制在-250V，Ti离子从Ti靶上蒸发出来，与氮气和乙炔反应生成2微米厚TiCN支撑层。然后在350℃、-300V偏压、5.0Pa气压条件下沉积4微米TiCN-DLC的耐磨层，TiCN相的晶粒控制在10nm，含量控制在80at.％；当主耐磨层沉积结束后，在350℃、-300V、5.0Pa气压条件下沉积3微米TiC-DLC润滑层，TiC相的晶粒粒径控制在10nm，相对含量控制在30at.％；；涂层总厚度约为9微米。硬度为40GPa，摩擦系数小于0.15.制备结束后自然冷却，得到DLC基纳米复合涂层PCB微钻。

从上述实施例制得的DLC纳米复合涂层的表面原子力显微形貌图(附图2)中可以看出，涂层表面粗糙度较低，表面质量较好。

从上述实施例制得的DLC涂层微钻截面高分辨透射电子显微形貌图(附图3)中可以看出黑色颗粒为TiC纳米晶，颗粒直径在5-10纳米之间。

从上述实施例制得的DLC涂层微钻截面扫描电镜形貌图(附图4)中可以看出涂层和基体结合良好，厚度均匀。

Claims

1.一种超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻，其特征在于：

所述印刷电路板(PCB)微钻的基体为硬质合金，其表面上有一由结合层、支撑层、耐磨层和润滑层依次构成的超硬金刚石(DLC)基多层梯度纳米复合涂层，并且：

1)结合层的材料为Ti；

2)支撑层的材料为TiCN；

3)耐磨层的材料为TiCN掺杂DLC，即TiCN-DLC；

4)润滑层的材料为TiC掺杂DLC，即TiC-DLC。

2.根据权利要求1所述的一种超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻，其特征在于：

1)所述结合层的厚度为30～50纳米；

2)所述支撑层的厚度为0.5～2.0微米；

3)所述耐磨层的厚度为3.0～4.0微米；

4)所述润滑层的厚度为0.5～3.0微米。

3.根据权利要求1或2所述的一种超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻，其特征在于：

1)所述的耐磨层为TiCN掺杂DLC形成的TiCN-DLC纳米晶复合超硬涂层；其TiCN相纳米晶粒径为5～10nm、含量为50-80at.％；

2)所述的润滑层为TiC掺杂DLC形成的TiC-DLC纳米晶-非晶复合涂层，其TiC相纳米晶粒径为5-10nm、相对含量为10-30at.％。

4.一种权利要求1所述的超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻的制备方法，采用高密度柱状电弧放电方法生成涂层，其特征在于由下述步骤依次构成：

1)对PCB微钻进行辉光清洗后在其表面生成材料为Ti的结合层；

2)在上步得到的结合层上生成材料为TiCN的支撑层；

3)在上步得到的支撑层上生成材料为TiCN掺杂DLC、即TiCN-DLC的耐磨层；

4)在上步得到的耐磨层上生成材料为TiC掺杂DLC、即TiC-DLC的润滑层。

5.根据权利要求3所述的一种超硬类金刚石基纳米复合涂层印刷电路板微钻的制备方法，其特征在于：

1)所述的辉光清洗和生成结合层的电弧放电条件为：氩气环境下，电压-900～-1000v偏压，温度400～450℃，气压0.005～0.05Pa；

2)所述的生成支撑层的电弧放电条件为：氮气和乙炔气环境下，电压-50～-250v偏压，温度100～350℃，气压0.5～5.0Pa；

3)所述的生成耐磨层的电弧放电条件为：过量乙炔气和氮气环境下，电压-50～-300v偏压，温度100～350℃，气压2.0～5.0Pa；

4)所述的生成润滑层的电弧放电条件为：过量乙炔气环境下，电压-50～-300v偏压，温度100～350℃，气压2.0～5.0Pa。