專利名稱：印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆頭專用硬質膜層，具體是制造印刷電路時，在印刷電路板軟板上鉆孔使用的微型鉆頭上的硬質膜層。
背景技術：
由于印刷電路板的電路圖形越來越精細，因此印刷電路板上的孔徑也越來越小(現已達到φ0.1mm)，布線密度越來越密(L/S≤0.1mm/0.1mm)，加工速度越來越快(150～200孔/min)，這樣就對硬質合金微加工工具和加工精度提出了更高的要求，因為在鉆削這種微孔時，φ0.1mm～φ0.4mm的微孔鉆頭磨損、折斷對微孔的加工質量、加工效率、廢品率、加工成本等都有較大的影響。
研究結果表明，FPCB(印刷電路軟板)微鉆的磨損主要是磨粒磨損。切削過程中加工材料的硬顆粒對微鉆沖蝕，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)氧樹脂軟化，鉆孔質量達不到要求，微鉆即失效。
提高硬度可以增加磨損抗力，延長使用壽命。但碳化鎢在整體材料中已屬于高硬度，欲進一步提高微鉆硬度，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，但是相對來說形成的膜層質量比較差。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，采用輝光放電技術使得電子在電場的作用下加速飛向基體(微鉆)的過程中與氬原子發(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束縛和延長電子的運動路徑，改變電子的運動方向，提高離化率。濺射靶材的離子與通入真空室中的反應氣體(氮氣)發(fā)生反應，生成氮化合物沉積到基體上。
磁控濺射鍍膜過程的控制比較容易，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，膜和基體結合力比較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層的改進，該硬質膜層應具有更好的抗磨損和抗高溫性能、能提高鉆孔質量和使用壽命，并能提高印刷電路板加工效率，降低生產成本。
本發(fā)明采用的技術方案是印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，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，這些膜層由內而外依次是過渡層，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。
所述的氮化物過渡層分為內混合層和外混合層，厚度分別為0.1-0.2μm以及0.4-0.5μm，內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，延長了使用壽命；微鉆的硬度從原來的1200-1500HV，提高到2500-3200HV；使用壽命延長了3-4倍；同時膜層結構的設計有效地增加了膜層的結合力，解決了強度和硬度的矛盾，并且同時滿足了PCB硬質合金微鉆的“三高”特性，即高耐磨性、高韌性、高熱導率。另外，微鉆質量的提高也相應提高了印刷電路板軟板的加工精度和加工效率，降低了生產成本。


圖1是本發(fā)明的放大結構示意圖。
圖2是圖1中A-A截面的放大結構示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所作的改進是在所述微鉆的表面加上多層具有硬質耐磨作用的復合膜層，藉其硬度和耐磨作用來改善鉆頭在使用過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Teer公司的非平衡磁控濺射設備。該設備較傳統的磁控濺射相比，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。而且由于離子空間區(qū)域的增加使工件時刻受到離子的轟擊，膜層和基體的結合力也有很大的改進?？臻g離子濃度的增加有利于化合反應的順利進行，從而形成品質更佳的膜層。經測試的膜層與基體的結合力超過60N，已經達到并超過一般工業(yè)使用中60N結合力的要求。
所謂非平衡磁控濺射是將某一磁極的磁場對于另一極性相反磁極的磁場增強或減弱，這就導致了磁場分布的“非平衡”。在保證靶面水平磁場分量有效地約束二次電子運動，可以維持穩(wěn)定的磁控濺射放電的同時，另一部分電子沿著強磁極產生的垂直靶面的縱向磁場，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與中性粒子產生碰幢電離，進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的鍍層。
非平衡磁控濺射設備中設有若干個不同金屬材料的濺射靶，具體膜層中的元素含量，是在鍍膜時調控濺射電流的大小來進行控制的。如果某種金屬(如鉻)的濺射電流調大，那么相應的膜層里這種金屬元素要增加；如果不濺射某種金屬(如鋁)，那么相應的膜層里就沒有這種金屬元素。
印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，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硬質合金；基體材料的表層還制有至少三層膜層，這些膜層由內而外依次是過渡層1、氮化物過渡層、硬質耐磨層4。其中過渡層基本上全是金屬元素，主要是增加基體和硬質膜層之間的結合力；氮化物過渡層是金屬元素與金屬氮化物(由金屬和氮氣化合生成)的混合層；硬質耐磨層是金屬氮化物。
所述的過渡層的成分包括金屬鉻，膜厚為0.05-0.1μm；氮化物過渡層，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成鉻鈦鋁氮(CrTiAlN)膜層。具體是在所述的過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渡層還可分為內混合層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)中進行超聲波清洗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，二個鉻靶電流均為0.3～4A，鈦靶和鋁靶電流0.1～0.3A，進行輝光和等離子轟擊清洗40min。
3、清洗結束后，進行OEM(光譜監(jiān)控儀，通過檢測反應室內氣體發(fā)出的光譜來測定和控制氣體的成分)的調整，同時也是過渡層的制備。脈沖偏壓降回150～60V，二個鉻靶的濺射電流控制在3.9～4.1A，同時鈦靶電流控制在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過渡層，增加膜層和基體的結合力。在此期間調整OEM的讀數，將此時的讀數記作100％。時間7-9min。
4、鍍膜。其中脈沖偏壓維持在50～70V。二個鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內，同時鈦靶電流仍然維持0.1～0.5A，鋁靶電流0.1～0.5A。同時通入氮氣，使OEM的讀數在92％～80％。時間為12～18min。
5、鍍膜。其中脈沖偏壓降至50～90V。二個鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內，同時鈦靶電流由0.4提高到8A，鋁靶電流由0.3提高到8A。同時通入氮氣，使OEM的讀數在80％～60％。時間為60～65min。
6、鍍膜。其中脈沖偏壓維持在60～90V。二個鉻靶的濺射電流保持在3～5A以內，同時鈦靶電流仍然維持在6～10A，鋁靶電流維持在6～10A。同時通入氮氣，使OEM的讀數在60％～40％。時間為65～75min。
7、檢驗。
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閉；鉻靶電流以及所通入的氮氣量也可根據需要另行確定。
尚需說明的是，本發(fā)明所述的各膜層的厚度及元素測量均采用現有的測量辦法；其中膜層的厚度測量，常用的有臺階儀球坑儀和無損檢測儀器，這些儀器可外購獲得。當然也可用工具截斷微鉆，然后在電子顯微鏡下掃描膜層的結構，根據相關的比例尺來確定每層膜的厚度。另外，各膜層中的元素含量，一般通過成分分析譜儀的商品譜儀(也可外購)來測量。硬度檢測也采用顯微硬度計來測量膜層的復合硬度。
實施例1膜層為CrN(氮化鉻)。膜的層數為三層。
a、過渡層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、氮化物硬質耐磨層成分就是CrN(氮化鉻)，膜厚約為0.6μm。
實施例2膜層為CrN(氮化鉻)。膜的層數為三層。
a、過渡層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、氮化物硬質耐磨層成分就是CrN(氮化鉻)，膜厚約為0.8μm。
實施例3膜層為CrTiAlN(鉻鈦鋁氮)。膜的層數為四層。
過渡層中含有路、鈦和鋁，其中鉻、鈦、鋁的比例為60∶1∶0.6，膜厚是0.05μm；氮化物過渡層包括內混合層2和外混合層3，厚度分別為0.1μm以及0.4μm，內混合層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。
實施例4膜層為CrTiAlN(鉻鈦鋁氮)。膜的層數為四層。
過渡層中含有鉻、鈦和鋁，其中路、鈦、鋁的比例為80∶1∶0，膜厚是0.07μm；氮化物過渡層包括內混合層2和外混合層3，厚度分別為0.2μm以及0.5μm，內混合層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。
權利要求
1.印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，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，這些膜層由內而外依次是過渡層(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.根據權利要求1所述的印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，其特征在于所述的過渡層(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.根據權利要求2所述的印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，其特征在于所述的氮化物過渡層分為內混合層(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膜層。所要解決的技術問題是提供微鉆專用硬質膜層的改進，該膜層應具有更好的抗磨損和抗高溫性能，能提高鉆孔質量和使用壽命，并能提高印刷電路板加工效率，降低生產成本。技術方案是印刷電路軟板微鉆專用硬質膜層，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，這些膜層由內而外依次是過渡層，包括金屬元素鉻；氮化物過渡層，包括的金屬元素鉻和氮化鉻；氮化物硬質耐磨層，包括是氮化鉻。所述的過渡層、氮化物過渡層和氮化物硬質耐磨層還可加入金屬元素鈦和鋁，氮化物過渡層分為內混合層和外混合層。
文檔編號B32B33/00GK1864900SQ200610052039
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2006年6月16日
發(fā)明者江河, 周丹華 申請人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司