CN102975418A

CN102975418A - 一种pcb用超硬耐磨铬基复合涂层微钻及其制备方法

Info

Publication number: CN102975418A
Application number: CN2012105576598A
Authority: CN
Inventors: 黄仕江
Original assignee: SHANGHAI CREWELL MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI CREWELL MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-20

Abstract

本发明公开了一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻及其制备方法，采用离子镀技术和改进型磁过滤离子镀在硬质合金基体上分别沉积内层和外层，所述内层为CrN过渡层，其与硬质合金基体结合具有很好的热学、力学和化学匹配性，保证CrN过渡层和基体良好的结合强度；所述外层为AlCrTiN复合层，其具有高硬度、强韧性和低摩擦系数的特点。本发明通过对CrN和AlCrTiN进行复合设计，利用界面强化、固溶强化、双相强化和纳米强化，获得一种具有结合力强、硬度高、韧性好、摩擦系数低的复合涂层的PCB微钻。

Description

一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻及其制备方法

技术领域

本发明涉及印刷线路板（PCB）用微钻纳米复合涂层领域，特别涉及到一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻及其制备方法。

背景技术

随着全球信息技术(IT)硬件制造产业向国内的转移，中国已成为IT硬件核心组件印制电路板(PCB)的全球化制造基地。每年消耗量达数亿支的PCB微钻的品质成为PCB制造技术革新的核心问题。随着PCB产业的发展，微钻转速趋高（6万转/分钟）、线路板层数增多、难加工无卤素PCB板大量采用，使PCB成型加工的条件更加苛刻。

上海壳瑞微材料科技有限公司从2008年11月成立后，通过1年的不断研究和测试于2009年11月至2012年8月，累计向PCB行业提供3000万只镀膜微钻和300万只镀膜铣刀，建立了PCB微钻和铣刀硬质涂层企业标准（清洗、涂层技术标准），突破了多年来将硬质涂层应用于PCB微钻并且量产化的技术难题（微型化、高精度、耐磨性以及硬度方面）。

一般而言，与传统的刀具涂层类似，利用PVD或CVD技术对微钻进行表面涂覆类金刚石（DLC）、过渡金属氮化物、碳化物等硬质涂层可能是提高其使役寿命和加工性能的有效方法。但是，和传统大尺寸钻头或刀具相比，微钻直径小至0.1mm，使用过程中产生的微曲变形和振动使表面的脆性涂层产生微裂纹，尺寸细小的合金微钻对表面裂纹极为敏感，加工过程中容易发生脆断。微钻是否会发生断钻与微钻的排屑能力有非常密切的关系，光洁性高、和被切削材料亲和性低的涂层具有低的摩擦系数，有利于排屑能力的提高。

为了克服微钻在使用过程中产生的上述问题，开发一种复合涂层越来越重要，因为复合涂层是一种高硬度、高塑性、低磨损率、耐高温、抗氧化的复合涂层，微钻的使用寿命可以提高原使用寿命的数倍，可节约成本，而且还可大量节省原材料和人力，具有明显的经济效益，故该镀层工艺在PCB微钻上有较大的推广应用前景。

因此，本发明针对微钻的切削特点，设计了韧性好、硬度高、摩擦系数小的高性能氮化锆CrN/AlCrTiN双相复合涂层。因为CrN的硬度在1600-2000Hv之间，韧性好，热膨胀系数为6.9×10^-6/K，弹性模量为530kN/mm²。热膨胀系数及弹性模量与PCB基体接近，热匹配性、化学匹配性好，良好的热稳定性,但单一的CrN涂层硬度较低。在CrN中加入Al和Ti ,通过固溶强化、纳米强化和复相强化，可以使复合涂层硬度和韧性显著提高，涂层中AlCrTiN相的存在可以大大降低涂层的摩擦系数，提高刀具的排屑性能和抗氧化温度，降低切削力。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的上述缺陷，通过选择合适的涂层材料以及沉积方法来提高微钻的使用寿命以及改善其各个方面的使用性能，从而一方面为印刷电路板的制造节省成本，提高经济效益，另一方面为印制电路板小型化、精细化的发展起到很好的促进作用。

本发明通过对CrN和AlCrTiN进行复合设计，通过界面强化、固溶强化、纳米强化和复相强化，可以使复合涂层硬度和韧性显著提高，涂层中AlCrTiN相的存在可以大大降低涂层的摩擦系数，提高刀具的排屑性能和抗氧化温度，降低切削力，从而获得一种结合力强、硬度高、韧性好、摩擦系数低以及使用寿命高的PCB微钻用复合涂层。

为实现本发明的以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻，其特征在于：所述微钻的基体为硬质合金，所述基体表面上沉积有作为内层和外层的双层复合结构，所述内层为过渡层，所述过度层的材料为CrN，其厚度为0.2-0.8微米；所述外层为复合层，所述复合层的材料为AlCrTiN，其厚度为1-4微米。

本发明制备方法的技术方案是：一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻的制备方法，具有以下步骤：（1）首先对所述微钻的硬质合金基体表面进行清洗，将其温度设为200-300℃，采用离子镀技术在所述硬质合金基体表面上沉积材料为CrN的过渡层，在采用离子镀沉积CrN过渡层时采用纯Cr靶，电弧电流为60-80A，引入气体为Ar和N₂，Ar流量为20-40ml/min，N₂流量为200-400ml/min，采用脉冲负偏压，偏压占空比为30-50%，偏压峰值为-500V至-700V；（2）在上一步得到的所述过渡层上采用改进型磁过滤离子镀膜机沉积材料为AlCrTiN的复合层，改进型磁过滤离子镀沉积AlCrTiN复合层采用纯Cr靶和钛铝合金靶，保持偏压、Ar流量不变，N₂流量为400-600ml/min电弧电流设为60A，镀AlCrTiN层50-70min，镀膜停止后冷却20分钟，然后取样。

首先通过高脉冲偏压增强的Ar等离子体的轰击作用和金属Cr和等离子的注入作用强化涂层和基体之间的结合强度，然后依次采用离子镀技术沉积CrN过渡层，通过改进型磁过滤离子镀CrN/AlCrTiN复合层。离子镀CrN过渡层厚度约0.2-1微米，和硬质合金基体具有好的热匹配性、力学匹配性和化学匹配性，保证涂层和基体良好的结合强度。改进型磁过滤离子镀CrN/AlCrTiN复合层厚度约1-4微米，硬度高，摩擦系数0.2-0.3，具有良好的耐磨性和排屑性能和热稳定性。涂层厚度、复合层组成AlCrTi年比例可根据使用要求调制。所获得的复合涂层的膜/基结合强度达100-120N，10g载荷下表面复合硬度达30-38GPa，和GCr15配副摩擦系数为0.2-0.3。

本发明的有益效果是：镀有本发明涂层的微钻，在其切削加工PCB的过程中，不但可以大幅降低微钻容易断裂的问题，同时可以大幅提高微钻的工作寿命，进而提高加工效率。同时由于微钻表面的涂层具有良好的韧性和耐磨性能，以及较低的摩擦系数，可以大幅提高产品质量，从而节省成本和提高附加价值。

综上所述，本发明的微钻复合涂层及其制备方法使用于PCB微钻中不仅具有良好的耐磨性和排屑性能，其与基体的结合力强，并且所述复合涂层硬度高、韧性好、摩擦系数低，从而使得微钻的使用寿命延长，降低生产成本，易于实现工业化、批量化生产并且具有非常好的工业应用前景。

附图说明

图1为本发明的PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来对本发明进行详细说明。

图1示出了本发明的PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻的结构，从图1中可以看出，在微钻的硬质合金基体c上依次沉积有两层涂层，内层b为过渡层，该过渡层的材料为CrN，其厚度可以为0.2-0.8微米，外层a为复合层，该复合层的材料为AlCrTiN，其厚度为1-4微米。从下述的几个实施例中可以看出过渡层CrN与硬质合金基体具有良好的热匹配性、力学匹配性和化学匹配性，保证涂层和基体良好的结合强度。采用非对称双极磁控溅射的AlCrTiN复合层厚度也可以约为1-4微米，此厚度的复合层硬度高，摩擦系数较低为0.1-0.2，并且具有良好的耐磨性和排屑性能。涂层厚度、复合层中CrN相和AlCrTiN相的组成比例可根据使用要求调制。依照本发明的下述方法所获得的复合涂层的膜/基结合强度能达80-100N，10g载荷下表面复合硬度达30-40GPa，并且GCr15配副摩擦系数为0.1-0.3。

以下为制备涂层的具体实施例。

实施例一

首先取硬质合金标准测试样为0.4-0.6mm的PCB微钻，将该PCB微钻经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后进行沉积涂层。先将硬质合金基体（即待沉积涂层的微钻）设定温度在200^oC，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率为80KHz、偏压峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打开离子镀Cr靶，电弧电流设为70A，Cr离子从Cr靶上蒸发出来，对硬质合金基体进行轰击清洗1min；然后将脉冲偏压调至峰值-500V、占空比40%，Ar流量20ml/min，N₂流量200ml/min，并且维持离子镀Cr靶电流60A，此阶段Cr离子与氮气反应生成CrN，从而在硬质合金基体上沉积CrN的过渡层，镀CrN 10min；然后关闭离子镀Cr靶，保持脉冲偏压、Ar流量不变，N₂流量500ml/min不变，开启改进型磁过滤离子镀膜机电源，电弧电流60A，镀AlCrTiN 50min。镀膜机停止后冷却20分钟后取样。对制备的试样进行测试，得到的测试结果为：CrN的过渡层的厚度为0.2μm，AlCrTiN复合层的厚度为3μm，划痕结合力120N，10g载荷下表面复合硬度35GPa，摩擦系数0.28。和未涂覆本发明的涂层的微钻相比，切削质量不降低，并且制得的微钻寿命提高3.2倍。

实施例二

取硬质合金标准测试样直径为0.8-1.2mmPCB微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后进行沉积涂层。硬质合金基体温度设为250^oC，沉积工艺设定后由工控机控制。硬质合金基体脉冲偏压频率为80KHz、偏压峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打开离子镀Cr靶，电弧电流70A，Cr离子从Cr靶上蒸发出来，对硬质合金基体进行轰击清洗1min；然后脉冲偏压调至峰值-600V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N₂流量300ml/min，维持离子镀Cr靶电流70A，此阶段Cr离子与氮气反应生成CrN，从而在硬质合金基体上沉积CrN的过渡层，镀CrN 10min；之后关闭离子镀Cr靶，保持偏压、Ar流量不变，N₂的流量为600ml/min，开启改进型磁过滤离子镀膜机，电弧电流60A，镀AlCrTiN 60min。镀膜停止后冷却20分钟后取样。得到的测试结果为：CrN的过渡层的厚度为0.6μm，AlCrTiN复合层的厚度为3.5μm，划痕结合力120N，10g载荷下表面复合硬度37GPa，摩擦系数0.26。微钻寿命提高3.4倍，和未涂覆复合涂层的微钻相比，切削质量不降低。

实施例三

取硬质合金标准测试样直径为1.3-2mm的PCB微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后沉积涂层。硬质合金基体温度设300^oC，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、偏压峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打开离子镀Cr靶，电弧电流70A，Cr离子从Cr靶上蒸发出来，对硬质合金基体进行轰击清洗1min；脉冲偏压调至峰值-700V、占空比40%，Ar流量40ml/min，N₂流量400ml/min，维持离子镀Cr靶电流80A，此阶段Cr离子与氮气反应生成CrN，从而在硬质合金基体上沉积CrN的过渡层，镀CrN 15min；关闭离子镀Cr靶，保持脉冲偏压、Ar流量不变，N₂流量700ml/min，开启改进型磁过滤离子镀膜机，电弧电流60A，镀AlCrTiN 70min。镀膜停止后冷却20分钟后取样。得到的测试结果为：CrN的过渡层的厚度为0.8μm，AlCrTiN复合层的厚度为3.4μm，划痕结合力102N，10g载荷下表面复合硬度38GPa，摩擦系数0.28。微钻寿命提2.9倍，和未涂覆复合涂层的微钻相比，切削质量不降低。

通过上述具体实施例可知，

为了突出本发明的上述具有纳米复合涂层的微钻的技术效果，还提供了比较例进行对比，通过对比可以看出本发明能够很好地提供微钻的使用寿命，具有很好的技术效果。

比较例一

取硬质合金标准测试样直径为0.8-1.2mm的PCB微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后沉积涂层。硬质合金基体温度设为250^oC，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、偏压峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打开离子镀Cr靶，电弧电流70A，轰击清洗1min；脉冲偏压调至峰值-500V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N₂流量300ml/min，维持离子镀Cr靶电流70A，此阶段Cr离子与氮气反应生成CrN，从而在硬质合金基体上沉积CrN的过渡层，镀CrN 15min；关闭离子镀Cr靶，保持偏压、Ar流量不变，N₂流量600ml/min，开启改进型磁过滤离子镀膜机，电弧电流60A，镀CrN 60min。镀膜停止后冷却20分钟后取样。标准试样涂层厚度2.5μm，划痕结合力125N，10g载荷下表面复合硬度27Gpa，摩擦系数0.3，微钻寿命无提高。

比较例二

取硬质合金标准测试样直径为为0.8-1.2mm的PCB微钻，经除油、除锈、有机清洗和漂洗及等离子清洗后沉积涂层。基体温度250^oC，沉积工艺设定后由工控机控制。基体脉冲偏压频率80KHz、峰值-800V、占空比40%，Ar流量40ml/min，打开离子镀Cr靶，电弧电流70A，轰击清洗1min；脉冲偏压调至峰值-500V、占空比40%，Ar流量30ml/min，N₂流量300ml/min，维持离子镀Cr靶电流70A，此阶段Cr离子与氮气反应生成CrN，从而在硬质合金基体上沉积CrN的过渡层，镀CrN 15min；关闭离子镀Cr靶，保持偏压、Ar流量不变，N₂流量600ml/min，开启改进型磁过滤离子镀膜机，电弧电流60A，镀AlTiN 60min。镀膜停止后冷却20分钟后取样。标准试样涂层厚度2.7μm，划痕结合力45N，10g载荷下表面复合硬度35Gpa，摩擦系数0.3，微钻寿命提高30%。

从上述两个比较例中可以看出，在与本发明实施例相同的条件下，如果内层和外层都是沉积CrN，此种情况下得到的微钻，使用寿命没有任何提高；如果内层沉积CrN，而外层仅仅沉积AlTiN层，微钻的寿命有所提高，也即提高了1.3倍，但是与本发明的上述实施例一至相比，寿命提高也是不明显的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内的任何修改。等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护之内本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围。

Claims

1.一种PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻，其特征在于：所述微钻的基体为硬质合金，所述基体表面上沉积有作为内层和外层的双层复合结构，所述内层为过渡层，所述过度层的材料为CrN，其厚度为0.2-0.8微米；所述外层为复合层，所述复合层的材料为AlCrTiN，其厚度为1-4微米。

2.一种如权利要求1所述的PCB用超硬耐磨铬基复合涂层微钻的制备方法，其特征在于具有以下步骤：（1）首先对所述微钻的硬质合金基体表面进行清洗，将其温度设为200-300℃，采用离子镀技术在所述硬质合金基体表面上沉积材料为CrN的过渡层，在采用离子镀沉积CrN过渡层时采用纯Cr靶，电弧电流为60-80A，引入气体为Ar和N₂，Ar流量为20-40ml/min，N₂流量为200-400ml/min，采用脉冲负偏压，偏压占空比为30-50%，偏压峰值为-500V至-700V；（2）在上一步得到的所述过渡层上采用改进型磁过滤离子镀膜机沉积材料为AlCrTiN的复合层，改进型磁过滤离子镀沉积AlCrTiN复合层采用纯Cr靶和钛铝合金靶，保持偏压、Ar流量不变，N₂流量为400-600ml/min电弧电流设为60A，镀AlCrTiN层50-70min，镀膜停止后冷却20分钟，然后取样。