專利名稱：一種微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型鉆頭制造及金剛石薄膜涂層技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
印刷電路板(PCB，Printed Circuit Board)是組裝電子元器件之前的基板，目前我國已經(jīng)成為半導(dǎo)體集成電路板生產(chǎn)大國。PCB鉆孔工序通常是PCB行業(yè)的產(chǎn)能瓶頸之一， 現(xiàn)代集成電路板都是用纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制成，并采用了多層銅布線工藝，對(duì)硬質(zhì)合金鉆頭磨損非常厲害，鉆孔的費(fèi)用通常占PCB制板費(fèi)用的30%至40%。伴隨著歐盟的TOEE(電子電氣產(chǎn)品的廢棄指令)和RollS(電氣、電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令)的實(shí)施，全球的PCB行業(yè)進(jìn)入了無鉛兼容和無商的環(huán)保時(shí)代，環(huán)保型PCB材料在RoHS的大旗下發(fā)生了巨大變化。為了保證尺寸的穩(wěn)定性，印刷電路板中經(jīng)常加入鋁、鋇、硅、鎂等氧化物填料，更加大了鉆削印刷電路板的難度，對(duì)精密超微細(xì)鉆的耐磨性和壽命提出了新的更高要求。這對(duì)目前普遍使用的WC-Co硬質(zhì)合金微鉆來說面臨著很大的挑戰(zhàn)。目前通過熱絲化學(xué)氣相CVD (Chemical Vapor D印osition化學(xué)氣相沉淀)法沉積生長(zhǎng)金剛石薄膜，其硬度已基本達(dá)到天然金剛石的硬度，但并沒有解決金剛石涂層薄膜的耐磨性能。一方面，生長(zhǎng)的金剛石涂層薄膜與鉆頭基底的結(jié)合力不夠；另一方面，其生長(zhǎng)的金剛石涂層薄膜或多或少的存在缺陷，并不是連續(xù)的金剛石薄膜；此外，生長(zhǎng)的金剛石薄膜不具備(111)的晶面結(jié)構(gòu)，因而強(qiáng)度耐磨程度不夠；還有跟金剛石薄膜涂層的厚度有關(guān)，膜太厚，則其內(nèi)應(yīng)力增加，不利于鉆頭的連續(xù)使用；而膜太薄，則容易短時(shí)間內(nèi)被磨損掉。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供一種能提高微型鉆頭薄膜涂層附著力、 耐磨性、通過控制適宜的熱絲化學(xué)氣相CVD金剛石薄膜沉積生長(zhǎng)條件達(dá)到薄膜涂層厚度及形態(tài)可控的制造方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，包括如下步驟1、表面處理a、將微型鉆頭進(jìn)行酸蝕，所用酸為無機(jī)酸或有機(jī)酸，酸蝕溫度控制范圍為 10-90°C ；酸蝕時(shí)間為使用無機(jī)酸表面處理時(shí)間為5-80s，使用有機(jī)酸表面處理時(shí)間為 30-500sob、氧化劑腐蝕，在堿性條件下腐蝕，氧化劑為鐵氰化物，使用的堿為無機(jī)堿，鐵氰化物、堿、水位的質(zhì)量比為1 0.2-5 2-30 ；腐蝕溫度為10-90°C ；腐蝕時(shí)間為l-20min。C、酸蝕，方法同步驟a。d、水淋洗干凈。e、干燥備用。
2、用熱絲化學(xué)氣相CVD法沉積生長(zhǎng)金剛石薄膜將經(jīng)過上述表面處理備用的微型鉆頭放置于生長(zhǎng)腔體內(nèi)進(jìn)行微型鉆頭表面金剛石薄膜層的生長(zhǎng)沉積，沉積過程分為形核期、生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)末期三步過程，三步過程采用不同的氣相沉積條件，以達(dá)到不同的金剛石薄膜涂層形態(tài)。熱絲化學(xué)氣相CVD金剛石薄膜沉積生長(zhǎng)的一般條件用電源控制電流將熱絲加熱，加熱熱絲的溫度為2000-2400°C、生長(zhǎng)腔體內(nèi)壓力為1. 5-10KPa ；反應(yīng)源氣體的流量為150-320SCCm(Cm7min)；熱絲的排布采用平行排布，熱絲排布間距為21_33mm ；微型鉆頭項(xiàng)端與熱絲之間的距離為2-8mm ；微型鉆頭頂部表面溫度為600-1000°C ；薄膜沉積生長(zhǎng)時(shí)間為1-5小時(shí)。作為優(yōu)選，所述的微型鉆頭的材料為WC-Co的硬質(zhì)合金，該微型鉆頭直徑范圍為 0.15-10mm。作為優(yōu)選，所述酸蝕中無機(jī)酸為硝酸、硫酸、磷酸、鹽酸、氫氟酸，有機(jī)酸為三氟乙酸、氯乙酸、乙酸；所述表面處理中酸蝕溫度范圍為30-60°C;所述的無機(jī)酸表面處理時(shí)間為 10-50s，所述的有機(jī)酸表面處理時(shí)間為180-300s。作為優(yōu)選，所述的氧化劑腐蝕步驟中，所用鐵氰化物為鐵氰化鉀、鐵氰化鈉，所用無機(jī)堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀；所述的鐵氰化物、堿、水的質(zhì)量比為1 0.5-2 8-15;所述的腐蝕溫度為25-50°C ；所述的腐蝕時(shí)間為5-lOmin。作為優(yōu)選，所述的熱絲為鉭絲或鎢絲。作為優(yōu)選，所述的加熱熱絲的溫度為2000-2200°C。作為優(yōu)選，所述的反應(yīng)源氣體選擇氫氣、碳源氣體以及輔助氣體，輔助氣體為氧氣、氬氣、氮?dú)?，所述的碳源氣體為C1-C8的有機(jī)化合物，該類化合物為C1-C8的烴類、鹵代烴類、醇類、醛類、酮類、醚類、胺類化合物；所述碳源氣體的體積含量一般為0. 5-5%，該反應(yīng)氣體流量為 180-260sccm(cm7min)。作為優(yōu)選，所述的熱絲呈平行等距排布，熱絲排列的間距為M_26mm。作為優(yōu)選，所述生長(zhǎng)腔體內(nèi)壓力控制為2-5. 5KPa ；所述微型鉆頭頂部表面溫度控制為 700-900"C。作為優(yōu)選，所述薄膜沉積生長(zhǎng)時(shí)間為1. 2-3小時(shí)。有益的效果本發(fā)明對(duì)微型鉆頭基體表面溫度、碳源氣體濃度與生長(zhǎng)腔體內(nèi)壓力等綜合工藝參數(shù)控制在一定的范圍，消除合金基體中表層黏結(jié)相Co (鈷)催石墨化的作用，減少石墨化趨勢(shì)；同時(shí)有效提高硬質(zhì)基體表面粗燥度，最大限度地在沉積生長(zhǎng)初期提高金剛石在基體表面的密度，并且金剛石薄膜沉積時(shí)晶?？蛇M(jìn)入孔隙中，基體表面突出的 WC(鎢碳)顆粒也將鑲嵌于薄膜內(nèi)，進(jìn)而膜與基體之間產(chǎn)生釘扎鎖合效應(yīng)，增大金剛石膜與硬質(zhì)基體間的接觸面積，進(jìn)而強(qiáng)有力地提高金剛石薄膜涂層與硬質(zhì)基體間的附著力，以保證金剛石薄膜涂層在微鉆高速鉆孔過程中不脫落。采用多步沉積法使得在金剛石薄膜涂層主要以結(jié)晶良好的三角形(111)晶面結(jié)構(gòu)為主，涂層薄膜最表層以結(jié)晶度稍差的四方形 (100)晶面結(jié)構(gòu)，形成均勻致密的金剛石薄膜，以此既保證金剛石薄膜涂層強(qiáng)勁的耐磨切削性能，又可降低薄膜涂層的表面粗糙度，減少金剛石薄膜涂層的摩擦系數(shù)。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1對(duì)直徑為0. 15mm的PCB用微型鉆頭進(jìn)行表面處理，酸蝕中采用無機(jī)酸&S04，加入一定比例雙氧水H2A ；氧化劑采用K3 (Fe (CN)6,堿采用Κ0Η。將微型鉆頭頂部約0. 5厘米長(zhǎng)浸泡在H2SO1 H2O2 = 1 12(質(zhì)量比)的混合酸液中5秒鐘；然后置于K3 (Fe (CN)6 KOH H2O = 1 0. 2 2的混合溶液中，腐蝕溫度為 10°C，超聲清洗1分鐘后；最后再放入 H2O2 = 1 15 (質(zhì)量比)的混合酸液中酸洗 5秒鐘，酸蝕溫度為10°C，隨后用水清洗干燥。然后采用熱絲化學(xué)氣相CVD化學(xué)氣相沉積法，將表面處理好的微型鉆頭放入生長(zhǎng)腔體內(nèi)進(jìn)行微型鉆頭表面金剛石薄膜層的生長(zhǎng)沉積。本實(shí)施例中采用H2與丙酮為反應(yīng)源氣體，其中丙酮為碳源氣體，熱絲采用鉭絲，鉭絲排布間距為21mm。用電源控制電流將鉭絲加熱。具體工藝條件如下表
權(quán)利要求
1.一種微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于包括如下步驟(1)表面處理a、將微型鉆頭進(jìn)行酸蝕，所用的酸為無機(jī)酸或有機(jī)酸，酸蝕溫度控制范圍為10-90°C； 酸蝕時(shí)間為使用無機(jī)酸表面處理時(shí)間為5-80s，使用有機(jī)酸表面處理時(shí)間為30-500S ；b、氧化劑腐蝕，在堿性條件下腐蝕，氧化劑為鐵氰化物，所用的堿為無機(jī)堿，鐵氰化物、 堿、水的質(zhì)量比為1 0. 2-5 2-30 ；腐蝕溫度為10-90°C ；腐蝕時(shí)間為l_20min ；c、酸蝕，方法同步驟a;d、水淋洗干凈；e、干燥備用；(2)用熱絲化學(xué)氣相CVD法沉積生長(zhǎng)金剛石薄膜將經(jīng)過上述表面處理備用的微型鉆頭放置于生長(zhǎng)腔體內(nèi)進(jìn)行微型鉆頭表面金剛石薄膜層的生長(zhǎng)沉積，沉積過程分為形核期、 生長(zhǎng)期和生長(zhǎng)術(shù)期三步過程，三步過程采用不同的氣相沉積條件，以達(dá)到不同的金剛石薄膜涂層形態(tài)。熱絲化學(xué)氣相CVD金剛石薄膜沉積生長(zhǎng)的一般條件用電源控制電流將熱絲加熱，加熱熱絲的溫度為2000-2400°C、生長(zhǎng)腔體內(nèi)壓力為1. 5-10KPa ；反應(yīng)源氣體的流量為150-320SCCm(Cm7min)；熱絲的排布采用平行排布，熱絲排布間距為21_33mm ；微型鉆頭項(xiàng)端與熱絲之間的距離為2-8mm ；微型鉆頭頂部表面溫度為600-1000°C ；薄膜沉積生長(zhǎng)時(shí)間為1-5小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的微型鉆頭的材料為WC-Co的硬質(zhì)合金，該微型鉆頭直徑范圍為0. 15-10mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的無機(jī)酸為硝酸、硫酸、磷酸、鹽酸、氫氟酸，所述的有機(jī)酸為三氟乙酸、氯乙酸、乙酸；所述酸蝕溫度為30-60°C ；所述的無機(jī)酸表面處理時(shí)間為10-50s ；所述的有機(jī)酸表面處理時(shí)間為 180-300s。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的氧化劑腐蝕步驟中，所用鐵氰化物為鐵氰化鉀、鐵氰化鈉，所用的無機(jī)堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀；所述的鐵氰化物、堿、水的質(zhì)量比為1 0.5-2 8-15 ；所述的腐蝕溫度為25-50°C ； 所述的腐蝕時(shí)間為5-lOmin。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的熱絲為鉭絲或鎢絲。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述加熱熱絲的溫度為2000-2200°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的反應(yīng)源氣體為氫氣、碳源氣體及輔助氣體，所述輔助氣體為氧氣、氬氣、氮?dú)?，所述的碳源氣體為C1-C8的有機(jī)化合物，該類化合物為C1-C8的烴類、鹵代烴類、醇類、醛類、 酮類、醚類、胺類等化合物；所述碳源氣體的體積含量為0. 5-5%，該反應(yīng)源氣體流量為 180-260sccm(cm3/min)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述的熱絲呈平行等距排布，熱絲排列的間距為M_26mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于所述生長(zhǎng)腔體內(nèi)壓力控制為2-5. 5KPa ；所述微型鉆頭頂部表面溫度控制為700-900°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，其特征在于··所述薄膜沉積生長(zhǎng)時(shí)間為1. 2-3小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型鉆頭金剛石薄膜涂層的制造方法，對(duì)微鉆的基底材料進(jìn)行表面處理，采用多步沉積法，控制熱絲化學(xué)氣相CVD(Chemical Vapor Deposition化學(xué)氣相沉淀)金剛石薄膜沉積生長(zhǎng)條件加熱熱絲的溫度、腔體內(nèi)的壓力、反應(yīng)源氣體的選擇與流量、熱絲的排布、微型鉆頭頂端與熱絲之間的距離、熱絲排布間距、薄膜沉積生長(zhǎng)時(shí)間、微型鉆頭頂部表面溫度等。該微型鉆頭經(jīng)金剛石薄膜涂層加強(qiáng)了微鉆的耐磨與切削性能，使微型鉆頭的使用壽命可提高5-10倍以上，且并未改變微鉆的精度，減少了鉆機(jī)換鉆的頻率，提高了生產(chǎn)效率，大幅降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C23C16/44GK102312215SQ20111029057
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者孫愛武, 陳華, 馬科鋒 申請(qǐng)人:南通晶科超膜材料有限公司