專利名稱：具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微型鉆頭，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。
背景技術(shù)：
由于印刷電路板的電路圖形越來越精細(xì)，因此印刷電路板上的孔徑也越來越小(現(xiàn)已達(dá)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(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(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，但是相對來說形成的膜層質(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(鉻、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(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。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種印刷電路軟板微鉆的改進(jìn)，該微鉆應(yīng)具有更好的磨損和抗高溫氧化性能、能提高鉆孔質(zhì)量和使用壽命，并且加工精度和加工效率也高，生產(chǎn)成本得以降低。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，具有常規(guī)鉆頭的形狀和基體材料，所述的鉆頭的基體材料的表層還制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過渡層、混合層、硬質(zhì)耐磨層。
所述的過渡層、混合層、硬質(zhì)耐磨層的厚度分別是0.05～0.07μm、0.5～0.7μm、0.5～0.7μm。
所述的混合層由內(nèi)混合層和外混合層組成，厚度分別為0.1～0.2μm以及0.4～0.5μm。
本實(shí)用新型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，改善了高溫氧化性能，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(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，生產(chǎn)成本也得以降低。


圖1是本實(shí)用新型的放大結(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)施方式
本實(shí)用新型所作的改進(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改善鉆頭在使用過程中的磨損和抗高溫氧化。
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(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)更加的膜層。經(jīng)測試的膜層與基體的結(jié)合力超過60N，已經(jīng)達(dá)到并超過一般工業(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對于另一極性相反磁極的磁場增強(qiáng)或減弱，這就導(dǎo)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(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，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)的膜層里就沒有這種金屬元素。
具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，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)而外依次是過渡層1、混合層、硬質(zhì)耐磨層4。(注本專利中所有元素的比例均為原子比)其中A、過渡層主要是增加基體和硬質(zhì)膜層之間的結(jié)合力；主要成分是鉻、鋁、氮，它們的比例大致控制在60～80∶1∶0～0.6；膜厚可根據(jù)需要確定，推薦膜厚膜厚為0.05～0.07μm。
B、硬質(zhì)耐磨層為金屬氮化物(基本由金屬和氮?dú)饣仙?。其中含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在2～10∶1∶0.5～3。膜厚可根據(jù)需要確定，推薦膜厚為0.5～0.7μm。
C、混合層是金屬與金屬氮化物的混合層；其中金屬和金屬氮化物的比例控制在6～0.5∶3，其中含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在80～3∶1∶0～3；膜厚可根據(jù)需要確定，推薦膜厚為0.5～0.7μm。
為取得更好的膜層結(jié)合效果，本實(shí)用新型的混合層由內(nèi)混合層2的和外混合層3的組成，厚度分別為0.1～0.2μm以及0.4～0.5μm。其中內(nèi)混合層2的金屬和金屬氮化物的比例控制在4∶3，其中含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在60～80∶1∶0～0.6；外混合層3的金屬和金屬氮化物的比例控制在1∶3，其中含有的金屬元素鉻、鈦、鋁的比例控制在3～10∶1∶0.5～3。
本實(shí)用新型制備的流程為1、微鉆在金屬清洗溶液(外購)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，通過檢測反應(yīng)室內(nèi)氣體發(fā)出的光譜來測定和控制氣體的成分)的調(diào)整，同時(shí)也是過渡層的制備。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)猓筄EM的讀數(shù)在60％～40％。時(shí)間為65～75min。
7、檢驗(yàn)。
尚需說明的是，本實(shí)用新型所述的各膜層的厚度及元素測量均采用現(xiàn)有的測量辦法；其中膜層的厚度測量，常用的有臺(tái)階儀球坑儀和無損檢測儀器，這些儀器可外購獲得。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來測量。硬度檢測采用顯微硬度計(jì)來測量膜層的復(fù)合硬度。
權(quán)利要求1.具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，具有常規(guī)鉆頭的形狀和基體材料(5)，其特征在于所述的鉆頭的基體材料的表層還制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過渡層(1)、混合層、硬質(zhì)耐磨層(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，其特征在于所述的過渡層(1)、混合層、硬質(zhì)耐磨層(4)的厚度分別是0.05～0.07μm、0.5～0.7μm、0.5～0.7μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有路鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，其特征在于所述的混合層由內(nèi)混合層(2)和外混合層(3)組成，厚度分別為0.1～0.2μm以及0.4～0.5μm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種在印刷電路板軟板上鉆孔使用的微型鉆頭。所要解決的技術(shù)問題是提供的微鉆應(yīng)具有更好的磨損和抗高溫氧化性能、能提高鉆孔質(zhì)量和使用壽命，并且加工精度和加工效率也高，生產(chǎn)成本得以降低。技術(shù)方案是具有鉻鈦鋁氮膜層的印刷電路軟板微鉆，具有常規(guī)鉆頭的形狀和基體材料，所述的鉆頭的基體材料的表層還制有至少三層膜層，這些膜層由內(nèi)而外依次是過渡層、混合層、硬質(zhì)耐磨層。所述的過渡層、混合層、硬質(zhì)耐磨層的厚度分別是0.05～0.07μm、0.5～0.7μm、0.5～0.7μm。所述的混合層由內(nèi)混合層和外混合層組成，厚度分別為0.1～0.2μm以及0.4～0.5μm。
文檔編號(hào)B32B33/00GK2900053SQ20062010486
公開日2007年5月16日 申請日期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 申請人:浙江匯錦梯爾鍍層科技有限公司