專利名稱：印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆頭專用硬質(zhì)膜層，具體是制造印刷電路時(shí)，在印刷電路板軟板上鉆孔使用的微型鉆頭上的硬質(zhì)膜層。
背景技術(shù)：
由于印刷電路板的電路圖形越來(lái)越精細(xì)，因此印刷電路板上的孔徑也越來(lái)越小(現(xiàn)已達(dá)到φ0.1mm)，布線密度越來(lái)越密(L/S≤0.1mm/0.1mm)，加工速度越來(lái)越快(150～200孔/min)，這樣就對(duì)硬質(zhì)合金微加工工具和加工精度提出了更高的要求，因?yàn)樵阢@削這種微孔時(shí)，φ0.1mm～φ0.4mm的微孔鉆頭磨損、折斷對(duì)微孔的加工質(zhì)量、加工效率、廢品率、加工成本等都有較大的影響。
研究結(jié)果表明，F(xiàn)PCB(印刷電路軟板)微鉆的磨損主要是磨粒磨損。切削過(guò)程中加工材料的硬顆粒對(duì)微鉆沖蝕，擠壓形成微觀磨損和剝落。切削刃鈍化后，摩擦力增大，溫度升高使PCB材料中環(huán)氧樹(shù)脂軟化，鉆孔質(zhì)量達(dá)不到要求，微鉆即失效。
提高硬度可以增加磨損抗力，延長(zhǎng)使用壽命。但碳化鎢在整體材料中已屬于高硬度，欲進(jìn)一步提高微鉆硬度，必須在其表面鍍上比碳化鎢更硬的鍍層，如TiN，CrN等。
鍍膜的方式有很多種，適合于微鉆鍍硬膜方法為物理氣相沉積(PVD)。PVD的鍍膜方式主要有蒸發(fā)和離子鍍兩種。蒸發(fā)沉積速度快，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)形成的膜層質(zhì)量比較差。離子鍍一般有陰極弧和磁控濺射。陰極弧形成的膜層有明顯金屬液滴，而微鉆直徑小，液滴占比例高，即破壞微鉆表面狀態(tài)。
濺射的原理是在充有氬氣的真空條件下，采用輝光放電技術(shù)使得電子在電場(chǎng)的作用下加速飛向基體(微鉆)的過(guò)程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子。氬離子在電場(chǎng)的作用下加速轟擊靶材(路、鈦、鋁)，濺射出大量的靶材原子和離子。磁控濺射就是以磁場(chǎng)束縛和延長(zhǎng)電子的運(yùn)動(dòng)路徑，改變電子的運(yùn)動(dòng)方向，提高離化率。濺射靶材的離子與通入真空室中的反應(yīng)氣體(氮?dú)?發(fā)生反應(yīng)，生成氮化合物沉積到基體上。
磁控濺射鍍膜過(guò)程的控制比較容易，膜層表面光滑，但是一般濺射沉積的離化率低，膜的致密度低，膜和基體結(jié)合力比較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層的改進(jìn)，該硬質(zhì)膜層應(yīng)具有更好的抗磨損和抗高溫性能、能提高鉆孔質(zhì)量和使用壽命，并能提高印刷電路板加工效率，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，其基體材料為常規(guī)鉆頭，其特征在于所述的基體材料的表層制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過(guò)渡層，該層的成分包括金屬元素鉻，膜厚為0.05-0.1μm；氮化物過(guò)渡層，其中包括的金屬元素鉻和氮化鉻的比例為1∶8-10，膜厚是0.1-0.7μm；氮化物硬質(zhì)耐磨層，其中包括的成分是氮化鉻，膜厚為0.6-0.8μm。
所述的過(guò)渡層中還可加入金屬元素鈦和鋁，其中鉻、鈦、鋁的比例為60-80∶1∶0-0.6，膜厚是0.05-0.07μm；所述的氮化物過(guò)渡層中還可加入金屬元素鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為80-3∶1∶0-3，金屬和氮化物的比例為6-0.5∶3，膜厚為0.5-0.7μm；所述的氮化物硬質(zhì)耐磨層中還可加入鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為2-10∶1∶0.5-3，膜厚為0.5-0.7μm。
所述的氮化物過(guò)渡層分為內(nèi)混合層和外混合層，厚度分別為0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，內(nèi)混合層的金屬和金屬氮化物的比例控制在4-6∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例是60-80∶1∶0-0.6；外混合層的金屬和金屬氮化物的比例是0.5-1∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在3-10∶1∶0.5-3。
本發(fā)明由于在印刷電路軟板微鉆上加制了若干鉻鈦鋁氮鍍層，有效地增加了表面硬度，減小了磨損率，延長(zhǎng)了使用壽命；微鉆的硬度從原來(lái)的1200-1500HV，提高到2500-3200HV；使用壽命延長(zhǎng)了3-4倍；同時(shí)膜層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效地增加了膜層的結(jié)合力，解決了強(qiáng)度和硬度的矛盾，并且同時(shí)滿足了PCB硬質(zhì)合金微鉆的“三高”特性，即高耐磨性、高韌性、高熱導(dǎo)率。另外，微鉆質(zhì)量的提高也相應(yīng)提高了印刷電路板軟板的加工精度和加工效率，降低了生產(chǎn)成本。


圖1是本發(fā)明的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中A-A截面的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所作的改進(jìn)是在所述微鉆的表面加上多層具有硬質(zhì)耐磨作用的復(fù)合膜層，藉其硬度和耐磨作用來(lái)改善鉆頭在使用過(guò)程中的抗磨損和抗高溫氧化性能。
具體制備膜層的方法是使用英國(guó)Teer公司的非平衡磁控濺射設(shè)備。該設(shè)備較傳統(tǒng)的磁控濺射相比，能夠有效的拓寬空間等離子區(qū)域和增加等離子區(qū)域的等離子密度。由于空間離子區(qū)域的拓寬，可以有效增加鍍膜區(qū)域，提高膜層品質(zhì)。而且由于離子空間區(qū)域的增加使工件時(shí)刻受到離子的轟擊，膜層和基體的結(jié)合力也有很大的改進(jìn)?？臻g離子濃度的增加有利于化合反應(yīng)的順利進(jìn)行，從而形成品質(zhì)更佳的膜層。經(jīng)測(cè)試的膜層與基體的結(jié)合力超過(guò)60N，已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)一般工業(yè)使用中60N結(jié)合力的要求。
所謂非平衡磁控濺射是將某一磁極的磁場(chǎng)對(duì)于另一極性相反磁極的磁場(chǎng)增強(qiáng)或減弱，這就導(dǎo)致了磁場(chǎng)分布的“非平衡”。在保證靶面水平磁場(chǎng)分量有效地約束二次電子運(yùn)動(dòng)，可以維持穩(wěn)定的磁控濺射放電的同時(shí)，另一部分電子沿著強(qiáng)磁極產(chǎn)生的垂直靶面的縱向磁場(chǎng)，可以使逃逸出靶面的電子飛向鍍膜區(qū)域。這些飛離靶面的電子還會(huì)與中性粒子產(chǎn)生碰幢電離，進(jìn)一步提高鍍膜空間的等離子體密度，有利于提高沉積速率，更有利于沉積高品質(zhì)的鍍層。
非平衡磁控濺射設(shè)備中設(shè)有若干個(gè)不同金屬材料的濺射靶，具體膜層中的元素含量，是在鍍膜時(shí)調(diào)控濺射電流的大小來(lái)進(jìn)行控制的。如果某種金屬(如鉻)的濺射電流調(diào)大，那么相應(yīng)的膜層里這種金屬元素要增加；如果不濺射某種金屬(如鋁)，那么相應(yīng)的膜層里就沒(méi)有這種金屬元素。
印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，具有常規(guī)鉆頭的形狀和基體材料5；基體材料仍然采用WC-Co硬質(zhì)合金；基體材料的表層還制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過(guò)渡層1、氮化物過(guò)渡層、硬質(zhì)耐磨層4。其中過(guò)渡層基本上全是金屬元素，主要是增加基體和硬質(zhì)膜層之間的結(jié)合力；氮化物過(guò)渡層是金屬元素與金屬氮化物(由金屬和氮?dú)饣仙?的混合層；硬質(zhì)耐磨層是金屬氮化物。
所述的過(guò)渡層的成分包括金屬鉻，膜厚為0.05-0.1μm；氮化物過(guò)渡層，其中包括的金屬鉻和氮化物氮化鉻的比例為1∶8-10，膜厚為0.1-0.7μm；氮化物硬質(zhì)耐磨層，其中成分是氮化鉻，膜厚為0.6-0.8μm。
膜層中還可加入鈦和鋁構(gòu)成鉻鈦鋁氮(CrTiAlN)膜層。具體是在所述的過(guò)渡層中加入金屬元素鈦和鋁，其中鉻、鋁、氮的比例為60-80∶1∶0-0.6，膜厚是0.05-0.07μm；所述的氮化物過(guò)渡層中加入金屬元素鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為80-3∶1∶0-3，金屬和氮化物的比例為6-0.5∶3；所述的氮化物硬質(zhì)耐磨層中加入鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為2-10∶1∶0.5-3，膜厚約為0.5-0.7μm。
鉻鈦鋁氮的氮化物過(guò)渡層還可分為內(nèi)混合層2和外混合層3，厚度分別為0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，內(nèi)混合層2的金屬和金屬氮化物的比例為4-6∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例是60-80∶1∶0-0.6；外混合層3的金屬和金屬氮化物的比例為0.5-1∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例為3-10∶1∶0.5-3。
本專利申請(qǐng)中涉及的所有元素比例均為原子比。
本發(fā)明制備膜層的流程一般為[以鉻鈦鋁氮(CrTiAlN)為例]1、微鉆在金屬清洗溶液(外購(gòu))中進(jìn)行超聲波清洗3～10分鐘。
2、清洗后的微鉆裝入真空室，基體加脈沖偏壓200～400V，二個(gè)鉻靶電流均為0.3～4A，鈦靶和鋁靶電流0.1～0.3A，進(jìn)行輝光和等離子轟擊清洗40min。
3、清洗結(jié)束后，進(jìn)行OEM(光譜監(jiān)控儀，通過(guò)檢測(cè)反應(yīng)室內(nèi)氣體發(fā)出的光譜來(lái)測(cè)定和控制氣體的成分)的調(diào)整，同時(shí)也是過(guò)渡層的制備。脈沖偏壓降回150～60V，二個(gè)鉻靶的濺射電流控制在3.9～4.1A，同時(shí)鈦靶電流控制在0.2～0.4A之間以及鋁靶電流控制在0～0.1A。這樣子在基體和膜層直接形成一個(gè)過(guò)渡層，增加膜層和基體的結(jié)合力。在此期間調(diào)整OEM的讀數(shù)，將此時(shí)的讀數(shù)記作100％。時(shí)間7-9min。
4、鍍膜。其中脈沖偏壓維持在50～70V。二個(gè)鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內(nèi)，同時(shí)鈦靶電流仍然維持0.1～0.5A，鋁靶電流0.1～0.5A。同時(shí)通入氮?dú)猓筄EM的讀數(shù)在92％～80％。時(shí)間為12～18min。
5、鍍膜。其中脈沖偏壓降至50～90V。二個(gè)鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內(nèi)，同時(shí)鈦靶電流由0.4提高到8A，鋁靶電流由0.3提高到8A。同時(shí)通入氮?dú)?，使OEM的讀數(shù)在80％～60％。時(shí)間為60～65min。
6、鍍膜。其中脈沖偏壓維持在60～90V。二個(gè)鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內(nèi)，同時(shí)鈦靶電流仍然維持在6～10A，鋁靶電流維持在6～10A。同時(shí)通入氮?dú)?，使OEM的讀數(shù)在60％～40％。時(shí)間為65～75min。
7、檢驗(yàn)。
制備氮化鉻(CrN)膜層的流程基本與制備鉻鈦鋁氮膜層的流程相同，只是鈦靶電流和鋁靶電流全都關(guān)閉；鉻靶電流以及所通入的氮?dú)饬恳部筛鶕?jù)需要另行確定。
尚需說(shuō)明的是，本發(fā)明所述的各膜層的厚度及元素測(cè)量均采用現(xiàn)有的測(cè)量辦法；其中膜層的厚度測(cè)量，常用的有臺(tái)階儀球坑儀和無(wú)損檢測(cè)儀器，這些儀器可外購(gòu)獲得。當(dāng)然也可用工具截?cái)辔@，然后在電子顯微鏡下掃描膜層的結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)的比例尺來(lái)確定每層膜的厚度。另外，各膜層中的元素含量，一般通過(guò)成分分析譜儀的商品譜儀(也可外購(gòu))來(lái)測(cè)量。硬度檢測(cè)也采用顯微硬度計(jì)來(lái)測(cè)量膜層的復(fù)合硬度。
實(shí)施例1膜層為CrN(氮化鉻)。膜的層數(shù)為三層。
a、過(guò)渡層Cr(鉻)該層的成分為全部的金屬鉻，膜厚0.05μm；b、氮化物過(guò)渡層其中Cr(鉻)金屬和CrN(氮化鉻)的比例約為1∶8，膜厚約為0.1μm；c、氮化物硬質(zhì)耐磨層成分就是CrN(氮化鉻)，膜厚約為0.6μm。
實(shí)施例2膜層為CrN(氮化鉻)。膜的層數(shù)為三層。
a、過(guò)渡層Cr(鉻)該層的成分為全部的金屬鉻，膜厚0.1μm；b、氮化物過(guò)渡層其中Cr(鉻)金屬和CrN(氮化鉻)的比例約為1∶10，膜厚約為0.3μm；c、氮化物硬質(zhì)耐磨層成分就是CrN(氮化鉻)，膜厚約為0.8μm。
實(shí)施例3膜層為CrTiAlN(鉻鈦鋁氮)。膜的層數(shù)為四層。
過(guò)渡層中含有路、鈦和鋁，其中鉻、鈦、鋁的比例為60∶1∶0.6，膜厚是0.05μm；氮化物過(guò)渡層包括內(nèi)混合層2和外混合層3，厚度分別為0.1μm以及0.4μm，內(nèi)混合層2的金屬和金屬氮化物的比例控制在4∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例是60∶1∶0.6；外混合層3的金屬和金屬氮化物的比例是0.5∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在3∶1∶0.5。
氮化物硬質(zhì)耐磨層，其中成分是鉻鈦鋁氮，膜厚為0.5μm。所述的氮化物硬質(zhì)耐磨層中還含有金屬元素鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為2∶1∶0.5。
實(shí)施例4膜層為CrTiAlN(鉻鈦鋁氮)。膜的層數(shù)為四層。
過(guò)渡層中含有鉻、鈦和鋁，其中路、鈦、鋁的比例為80∶1∶0，膜厚是0.07μm；氮化物過(guò)渡層包括內(nèi)混合層2和外混合層3，厚度分別為0.2μm以及0.5μm，內(nèi)混合層2的金屬和金屬氮化物的比例控制在6∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例是80∶1∶0；外混合層3的金屬和金屬氮化物的比例是1∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在10∶1∶3。
氮化物硬質(zhì)耐磨層，其中成分為鉻鈦鋁氮，膜厚為0.7μm。所述的氮化物硬質(zhì)耐磨層中還含有金屬元素鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為10∶1∶3。
權(quán)利要求
1.印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，其基體材料(5)為常規(guī)鉆頭，其特征在于所述的基體材料的表層制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過(guò)渡層(1)，該層的成分包括金屬元素鉻，膜厚為0.05-0.1μm；氮化物過(guò)渡層，其中包括的金屬元素鉻和氮化鉻的比例為1∶8-10，膜厚是0.1-0.7μm；氮化物硬質(zhì)耐磨層(4)，其中包括的成分是氮化鉻，膜厚為0.6-0.8μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，其特征在于所述的過(guò)渡層(1)中還可加入金屬元素鈦和鋁，其中鉻、鈦、鋁的比例為60-80∶1∶0-0.6，膜厚是0.05-0.07μm；所述的氮化物過(guò)渡層中還可加入金屬元素鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為80-3∶1∶0-3，金屬和氮化物的比例為6-0.5∶3，膜厚為0.5-0.7μm；所述的氮化物硬質(zhì)耐磨層(4)中還可加入鈦和鋁，鉻、鈦、鋁的比例為2-10∶1∶0.5-3，膜厚為0.5-0.7μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，其特征在于所述的氮化物過(guò)渡層分為內(nèi)混合層(2)和外混合層(3)，厚度分別為0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，內(nèi)混合層(2)的金屬和金屬氮化物的比例控制在4-6∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例是60-80∶1∶0-0.6；外混合層(3)的金屬和金屬氮化物的比例是0.5-1∶3，含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在3-10∶1∶0.5-3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在印刷電路板軟板上鉆孔使用的微型鉆頭上的硬質(zhì)膜層。所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供微鉆專用硬質(zhì)膜層的改進(jìn)，該膜層應(yīng)具有更好的抗磨損和抗高溫性能，能提高鉆孔質(zhì)量和使用壽命，并能提高印刷電路板加工效率，降低生產(chǎn)成本。技術(shù)方案是印刷電路軟板微鉆專用硬質(zhì)膜層，其基體材料為常規(guī)鉆頭，基體材料的表層制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過(guò)渡層，包括金屬元素鉻；氮化物過(guò)渡層，包括的金屬元素鉻和氮化鉻；氮化物硬質(zhì)耐磨層，包括是氮化鉻。所述的過(guò)渡層、氮化物過(guò)渡層和氮化物硬質(zhì)耐磨層還可加入金屬元素鈦和鋁，氮化物過(guò)渡層分為內(nèi)混合層和外混合層。
文檔編號(hào)B32B33/00GK1864900SQ200610052039
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月16日
發(fā)明者江河, 周丹華 申請(qǐng)人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司