專利名稱：表面涂覆加工刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及表面涂覆加工刀具，更確切地說，涉及在裝有集成電路和各種電子元件的印刷電路板上銑削、剪切、鉆孔等加工過程中使用的表面涂覆加工刀具。
背景技術(shù)：
到目前為止，在處理電路板邊緣時廣泛采用沖壓法。由于印刷電路板是由將銅箔嵌入結(jié)合有環(huán)氧樹脂的玻璃纖維構(gòu)成的，但是，當沖壓時產(chǎn)生的微粒物質(zhì)成為工作環(huán)境中的一個問題。其中的加工刀具稱為銑刀，它用于在印刷電路板上剪切和銑削。銑削機采用銑刀的優(yōu)點在于由于工作時刀頭在負壓條件下進行，所以切屑沒有分散到外部的危險。
同時，電子設(shè)備的小型化和輕型化任務(wù)已成為近年來的必然趨勢，而且，由于對印刷電路板上提高布置元件密度和精度的需求，這對實際操作非常重要，通過銑削得到的裂縫尺寸也越來越小，相應(yīng)地，銑刀的半徑已為3.175mm或更小。
同樣地，為了改善生產(chǎn)操作和減少生產(chǎn)成本，立即處理的印刷電路板層疊配件中的板數(shù)和處理速度也增加了，隨之帶來的問題是銑刀的強度不夠合適，工作中易斷裂且會在印刷電路板上產(chǎn)生毛邊導(dǎo)致不能使用例如，日本專利號3065547中公開的銑刀通過在銑刀頭的鑿面配備加強肋，加強了刀頭的剛性和銑刀的強度，從而解決了傳統(tǒng)問題并為加工作業(yè)中的斷裂事故提供了補救措施。
同時，在印刷電路板上尤其是在增大密度和層壓的印刷電路板上鉆小直徑孔時，作為小型鉆子的加工刀具廣泛應(yīng)用于PCB(印刷電路板)處理中。同樣地，由于對印刷電路板上高密度、高精度布置元件需求的增加，PCB-處理用小型鉆子在電路板上的鉆孔也越來越小，相應(yīng)地，PCB-處理用小型鉆子的直徑已為0.3mm和更小。在現(xiàn)有條件下，為了提高工作效率和減少生產(chǎn)成本并進一步提高處理速度，采用PCB-處理用小型鉆子帶來的問題是強度不合適，工作期間易斷裂并且會在印刷電路板上產(chǎn)生毛邊(這是產(chǎn)生缺陷產(chǎn)品的原因之一)。
例如，中請?zhí)枮?0-138027的日本公開專利中PCB-處理用小型鉆子采用硬質(zhì)合金作為材料，并用烴氣(甲烷)將硬質(zhì)碳薄膜涂覆在其表面以增加其抗斷裂的能力并作為斷裂的補救措施。
然而，隨著用戶對提高元件表面裝配密度和精度的需求越來越迫切，用來銑削和剪切的銑刀半徑已為1.6mm或更小，為常規(guī)的一半，在處理過程中僅僅通過上述改善工具的外形來阻止斷裂缺陷已經(jīng)很困難。
出于同樣的原因，隨著用戶對提高元件表面裝配密度和精度的需求越來越迫切，用于鉆孔處理的PCB-處理用小型鉆子的直徑已為0.2mm或更小，但是，含有用烴氣沉積的上述硬碳膜并且運行適宜的鉆子還不能得到，因為有氫混入了膜中，降低了膜的硬度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種加工刀具，特別是用于在裝有集成電路和各種電子元件的印刷電路板上銑削、剪切和鉆孔的加工刀具。它通過在刀具表面涂覆薄膜來增加刀刃的剛性和改善切屑的放電性能，從而加強其抗破裂性和耐久性。
根據(jù)本發(fā)明的某一方面，提供一種表面涂覆加工刀具，其裝有一個含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)合金基材料，其中鈷含量為4重量％或更多和12重量％或更少。在硬質(zhì)材料的基礎(chǔ)上，涂覆有一種由選自鈦、鉻、釩、硅和鋁中的一種或多種元素和選自碳和氫一種或多種元素結(jié)合而形成的化合物薄膜?；衔锉∧ぶ辽偻扛惨粚印?br> 根據(jù)本發(fā)明的某些其它方面，提供一種表面涂覆加工刀具，其裝有一個含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)合金基料，其中鈷含量為4重量％或更多和12重量％或更少。在硬質(zhì)合金基料上，有一層以石墨為原料通過物理蒸汽沉積法涂覆的僅由碳原子組成的硬碳薄膜。硬質(zhì)碳薄膜至少被涂覆一層如本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例所述，上述化合物薄膜和硬碳薄膜厚度分別為0.05μm或更多，3μm或更少。
如其中一個優(yōu)選實施例所述，本發(fā)明的特點在于上述化合物薄膜和硬碳薄膜所受的壓縮殘余應(yīng)力為0.1GPa或更多，8GPa或更少。
如其中一個優(yōu)選實施例所述，本發(fā)明的特點在于將上述化合物薄膜和硬碳薄膜的表面粗糙度調(diào)整到用Ra(表面粗糙度)表示為0.01μm或更多，0.5μm或更少。
如其中一個優(yōu)選實施例所述，本發(fā)明的特點在于上述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多，1.5μm或更少。


下面結(jié)合附圖詳細說明，本發(fā)明上述和其它目的、特點、方面和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很明顯的。
圖1(a)為本發(fā)明實施例中表面涂覆加工刀具(銑刀)的俯視圖。
圖1(b)為其前視圖。
具體實施例方式
下面將對本發(fā)明實施例中的表面涂覆加工刀具進行說明。
本發(fā)明實施例中的涂覆加工刀具以WC-基硬質(zhì)合金為基料，其含有4重量％或更多12重量％的鈷，碳化鎢的顆粒直徑在0.1至1.5μm的范圍內(nèi)加入的鈷專用于結(jié)合層的形成。由于刀刃上粗糙度惡化和斷口的增加，因此不希望鈷量小于4重量％。相反地，如果加入的鈷量超過了12重量％，就會惡化基料的硬度和降低高速切割時的耐磨性；同時，由于鈷與化合物薄膜以及硬質(zhì)合金薄膜的親和力低，其粘性就會大大惡化，因為當外部給刀刃施加較強的壓力時，高硬質(zhì)薄膜不能隨基料變形，最終只得從與其接觸的碳化鎢基料上剝落。
可有效阻止WC晶粒成長并能增加刀刃強度的TaC、VaC等也可加入碳化物基料中。
而且，如果WC的平均晶粒尺寸為0.1μm或更小，則用目前的評價方法是很難區(qū)分其粒徑的；但又不希望平均晶粒尺寸為1.5μm或更大，因為如果薄膜磨損后，在基料內(nèi)的WC大顆粒就會脫落，引起嚴重破裂。WC的粒徑對基料的粗糙度有很大的影響，考慮到化合物薄膜和硬碳薄膜的粘度評價結(jié)果，優(yōu)選WC顆粒的平均尺寸為0.1至1.5μm。
在此，將化合物薄膜或硬碳薄膜涂覆于上述的基料上，化合物薄膜由選自鈦、鉻、釩、硅和鋁中的一種或多種元素和選自碳和氫一種或多種元素結(jié)合而成。由于這種化合物薄膜有非常高的強度和抗氧化性能，所以它能夠改善抗斷裂性能并延長加工刀具壽命，同時與WC表面相比，它與工件的熱反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)受到限制，切屑的放電缺陷也有所改善。另外，由于控制了工件的焊接粘合，加工阻力減小了，也抑制了刀刃的斷裂。
而且，雖然許多如“無定形C薄膜”、“無定形碳薄膜”、“金剛石類碳薄膜”、“DLC薄膜”和“a-CH，i-碳薄膜”都被稱為硬碳薄膜，在本發(fā)明的實施例中，為了使其具有良好的抗斷裂性能和類似金剛石的硬度，除在涂覆薄膜時帶的不可避免的雜質(zhì)外，加工刀具上的硬碳薄膜僅由碳原子組成。在利用物理蒸汽沉積法將石墨作為始料的情況下，反應(yīng)氣體就不會介入。這時類似于金剛石結(jié)構(gòu)的組織而不是所謂的含氫硬碳薄膜就形成了，同時硬度也增強了，在大約600℃時，其抗氧化性能可提高到接近金剛石的水平。
雖然已有許多公知技術(shù)可用來涂覆硬碳薄膜，尤其是物理蒸汽沉積法，它以石墨作為始料，沉積速度較快，優(yōu)選例如廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的陰極電弧沉積、激光沖蝕和噴涂法。
就涂層膜的粘著力和膜硬度來說，優(yōu)選用陰極電弧沉積法沉積薄膜。因為原料中離子化比例較高，采用陰極電弧沉積法會大大增加刀具的使用壽命；由于硬碳薄膜主要是將碳離子輻射到基料上，而且，sp3-結(jié)晶系數(shù)較高，因而得到致密薄膜和提高的硬度。
同樣地，由于硬碳薄膜具有較低的摩擦系數(shù)，所以它們的切屑放電缺陷比WC表面好。另外，工件焊接粘附的遏制降低了加工阻力同時也抑制了刀刃的斷裂。
按照本發(fā)明實施例沉積的化合物薄膜和硬碳薄膜的表面粗糙度，通過JIS-代碼指示Ra為0.01μm或更多，0.5μm或更少。在這方面，對于加工刀具，即使從切屑放電缺陷和加工阻力的觀點看，也希望薄膜表面的粗糙度Ra盡可能小，實際中為零是不可能的。因此通過不同的加工試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)當Ra為0.5μm和更小時，將會改善切屑的放電缺陷和切削性能。
同樣地，涂覆形成的鍍層厚度為0.05μm至3μm，原因是當厚度小于0.05μm時，抗斷裂性能就會有問題，當超過3μm時，鍍層內(nèi)的內(nèi)部聚集壓力就會增大，使得其易于剝落從而在鍍層上產(chǎn)生碎屑。更優(yōu)選的鍍層厚度是0.05μm至1.5μm。同樣的原因，膜的厚度為3μm或以下可有效減少產(chǎn)生于鍍層上大型顆粒的尺寸和密度，同時通過上述的指示Ra控制表面的粗糙度為0.05μm或以下。
在本發(fā)明的實施例中，引進殘余應(yīng)力以使在化合物薄膜和硬碳薄膜上的壓縮壓力為0.1GPa或更多，8GPa或更少。在硬質(zhì)合金基料上施加殘余應(yīng)力可以顯著減緩銑刀和鉆子的斷裂趨勢。在這里，當壓縮的殘余應(yīng)力為0.1GPa或更小時，抗斷裂性能幾乎沒有改善，當大于8GPa或更多時，由于壓力很大，薄膜變得易于剝落。
就化合物薄膜的殘余應(yīng)力的測定方法而言，可通過X-射線法測量，具體方法見“Foundations of and Applications for PVCD·CVD Coatings”(Hyoumen Gijustu Kyokai，1994)的第156頁。
同樣地，雖然硬碳薄膜由于它們的非定形碳結(jié)構(gòu)而不能用上述“Foundations of and Applications for PVCD·CVD Coatings”(HyoumenGijustu Kyokai，1994)第162頁中的X-射線法來評價，但可從已經(jīng)同時涂覆在一個側(cè)面上的平板試驗樣品的彎曲數(shù)量來推測殘余應(yīng)力。
接下來，對通過該方法實現(xiàn)本發(fā)明的涂覆后的加工刀具具體實施例進行詳細說明。但是，如何對表面涂覆加工刀具進行涂覆并不限于在此采用的方法，其它方法也可采用。
具體實施例1至13在這些具體實施例中的表面涂覆加工刀具由一個用于PCB處理的銑刀組成，如圖1(a)和圖1(b)所示。圖1(a)為俯視圖，圖1(b)為前視圖。
如圖1所示的銑刀1，其含有一個夾在銑床夾盤內(nèi)的刀柄11，和一個刀刃頭12。
作為基料，銑刀的刀刃頭12的直徑為0.8mm，刀刃的長度為6mm，它由含有碳化鎢和鈷的WC-基硬質(zhì)合金制成，其中鈷量為4重量％或更多和12重量％或更少。采用公知的電弧沉積法，使用金屬蒸汽沉積原料和氫氣和/或甲烷在基料表面形成化合物薄膜13，具體實施例1至12的表面涂覆銑刀1就制成了，如表I所示。
表I

同樣地，通過電弧沉積形成法在上述WC-基硬質(zhì)合金銑刀1的表面形成一硬碳薄膜13，具體實施例13的表面涂覆銑刀1就制成了。另外，為作對比，制備了沒有涂覆的銑刀樣品(對比實施例1)，如表I所示。
接下來，采用上述的銑刀1，將三個1.6mm厚的環(huán)氧樹脂板FR-4(兩面都鍍有銅)疊在一起作為工件進行銑削。此時的銑削條件轉(zhuǎn)動次數(shù)，50,000rpm；進料速度，1.5m/min；加工試驗結(jié)果示于表I。
從表I得到的結(jié)果沒有涂覆的對比例1中的銑刀在2m處斷裂，而用本發(fā)明具體實施例1至13中的銑刀則可銑削30m或更多。具體實施例14至26這些具體實施例中表面涂覆的加工刀具由用于PCB處理的小型鉆子組成。
作為基料小型鉆子的刀刃頭直徑為0.2mm，刀刃長度為6mm，由WC-基硬質(zhì)合金組成，通過公知的電弧沉積法用金屬蒸汽-沉積原料并用氮氣和/或甲烷氣在表面形成化合物薄膜。具體實施例14至25的表面涂覆PCB處理過程用的小型鉆子就制成了，如上述表I所示。此時的薄膜沉積條件用于蒸汽-沉積原料的電弧電流為100A；基料偏壓為50V；反應(yīng)氣體壓力為2.7Pa；沉積前用氬氣等離子清理基料表面。
表II

同樣地，為了準備具體實施例26，將石墨用電弧沉積法在PCB-處理用小型鉆子表面涂覆硬碳薄膜。另外，為作對比，制備了未涂覆的PCB-處理用小型鉆子(對比例1)，如表II所示。
接下來，使用這些PCB-處理用小型鉆子作為工件，在三個1.6mm厚的環(huán)氧樹脂板FR-4(兩面都鍍有銅)的疊層上進行鉆孔，在其上面0.15mm厚的鋁片層疊作為支撐板。此時的處理條件轉(zhuǎn)動次數(shù),60,000rpm；進料速度，3m/min。加工試驗結(jié)果示于表II。
從表II的結(jié)果對比例2中無涂覆的PCB-處理用小型鉆子在第50，000孔處由于斷裂而中止，但采用本發(fā)明具體實施例14至26的PCB處理用小型鉆子則可處理300,000或更多的孔。
除了用于PCB處理的加工刀具，包括上述的PCB處理銑刀和鉆子之外，本發(fā)明的加工刀具還可是其它常規(guī)采用的銑刀、鉆子、立銑刀、用于銑削和車削的可更換刀頭的刮刀、金屬鋸、齒輪刀、鉸刀和絲錐。
本發(fā)明列舉的實施例都是例證性而不是限制性的，本發(fā)明范圍不限于上述的解釋，而決定于權(quán)利要求限定的范圍，與權(quán)利要求范圍等同的推斷以及范圍內(nèi)的變換都屬于本發(fā)明的范圍。
正如上述的解釋，對于涉及本發(fā)明的表面涂覆加工刀具，由于刀刃剛性的增加和切屑的放電缺陷的改善，使得抗斷裂性能和耐久性都得到了提高。而且，也顯著延長了加工/抗磨損壽命，使得提高加工精度成為可能。
權(quán)利要求
1.一種表面涂覆加工刀具，包括一個含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)基料，其中的鈷量為4重量％或更多和12重量％或更少；和在上述硬質(zhì)合金的基料上進行涂覆，化合物薄膜由選自鈦、鉻、釩、硅和鋁的一種或多種元素和選自碳和氮的一種或多種元素結(jié)合而成；其中所述的化合物薄膜至少被涂覆一層。
2.如上述權(quán)利要求1的表面涂覆加工刀具，其中所述化合物薄膜厚度為0.05μm或更多和3μm或更少。
3.如上述權(quán)利要求1的表面涂覆加工刀具，其中施加在所述化合物薄膜上的壓縮殘余應(yīng)力為0.1GPa或更多和8GPa或更少。
4.如上述權(quán)利要求1的表面涂覆加工刀具，其中所述化合物薄膜的表面粗糙度，以指示Ra表示，調(diào)整為0.01μm或更多和0.5μm或更少。
5.一種表面涂覆加工工具，包括一個含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)合金基料，其含有鈷量為4重量％或更多和12重量％或更少；和一個僅由碳原子組成的硬碳薄膜，用石墨作為原料通過物理蒸汽沉積方法在所述硬質(zhì)基料上涂覆；其中所述的硬碳薄膜至少被涂覆一層。
6.如上述權(quán)利要求5的表面涂覆加工刀具，其中所述硬碳薄膜厚度為0.05μm或更多和3μm或更少。
7.如上述權(quán)利要求5的表面涂覆加工刀具，其中施加在所述硬碳薄膜上的壓縮殘余應(yīng)力為0.1GPa或更多和8GPa或更少。
8.如上述權(quán)利要求8的表面涂覆加工刀具，其中所述硬碳薄膜的表面粗糙度，以指示Ra表示，調(diào)整為0.01μm或更多和0.5μm或更少。
9.如上述權(quán)利要求1的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
10.如上述權(quán)利要求2的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
11.如上述權(quán)利要求3的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
12.如上述權(quán)利要求4的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
13.如上述權(quán)利要求5的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
14.如上述權(quán)利要求6的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
15.如上述權(quán)利要求7的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
16.如上述權(quán)利要求8的表面涂覆加工刀具，其中所述硬質(zhì)合金基料中的碳化鎢的預(yù)燒結(jié)結(jié)晶顆粒尺寸為0.1μm或更多和1.5μm或更少。
全文摘要
表面涂覆的加工刀具特別是用于在布置有集成電路和各種電子元件印刷電路板上進行銑削、剪切、鉆孔處理的刀具。提供一種含有碳化鎢和鈷的硬質(zhì)合金基料，其中鈷量為4重量％或更多和12重量％或更少。涂覆在硬質(zhì)合金基料上的化合物薄膜由選自鈦、鉻、釩、硅和鋁的一種或多種元素和選自碳和氮的一種或多種元素結(jié)合而成?；衔锉∧け煌扛仓辽僖粚?。
文檔編號B23C5/10GK1432444SQ0215181
公開日2003年7月30日 申請日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月26日
發(fā)明者福井治世, 福田辰郎 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社