專利名稱：微型切削工具之耐磨損鍍膜工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)、離子轟擊清洗與離子輔助鍍膜(ion-assistant coating)之原理，將多元素的超微細(xì)離子顆粒披覆于微型銑刀表面上形成薄膜，尤其是一種將鋯(Zr)、鉿(Hf)、碳(C)、氮(N)多元素膜層披覆于碳化鎢燒結(jié)超硬合金(SinteredTungsten Carbide)或碳化鎢瓷金(Tungsten Carbide Cermet)之微型鉆頭與銑刀上的工藝方法。
背景技術(shù)：
柄部直徑(Shank Diameter)為3.175毫米的微型尺寸鉆頭(Drill)與銑刀(Router)常安裝于鉆床與銑床上，用以在印刷電路板(PrintingCircuit Board，PCB)基板材料上進(jìn)行鉆孔以及切削，這些基板基本上是由玻璃纖維(Glass Fiber)壓制而成的，有些甚至加入多層銅箔或聚四氟乙烯(PTEF)，因此很多樣化，從而增加了加工的困難度；另外隨著電路板尺寸的縮小，因此電路線寬與線距驟縮，使得在加工的尺寸精確性上要求日益嚴(yán)苛。在現(xiàn)代化與自動(dòng)化操作的銑床操作工廠，增加產(chǎn)能為業(yè)者所深切希求，業(yè)者更希望在不增加機(jī)器之條件下而增加總體產(chǎn)能，因?yàn)橘徶脵C(jī)臺(tái)的費(fèi)用通常是成品制造成本比重最高的一環(huán)。因此具有更高的切削性能、硬度更佳，耐磨性更佳，壽命更長的微型鉆頭與銑刀，為電路板業(yè)界所迫切需求，故業(yè)界希望能在微型刀具上鍍上附著力更好的薄膜，以使品質(zhì)更佳之鍍膜微型刀具具有高硬度，并可承受較高的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可增加進(jìn)刀速度而增加切削的產(chǎn)能。本發(fā)明即針對(duì)此問題與需求努力研發(fā)出一個(gè)在微型刀具上披覆一層超微細(xì)離子顆粒多元素薄膜的量產(chǎn)工藝方法。
現(xiàn)有的切削刀具耐磨損鍍膜技術(shù)分成化學(xué)氣相沉積(Chemical VaporDeposition，CVD)法與物理氣相沉積法兩大類，前者多在高溫下進(jìn)行真空鍍膜，其工藝方法溫度普遍在400℃至1200℃左右，以便進(jìn)行過渡金屬氮化物(Nitride)、碳化物(Carbide)或碳氮化物(Carbon-nitride)之膜層沉積反應(yīng)，例如在美國專利US5693408中所公開的以PCVD(Glow-discharge Activated CVD)方法進(jìn)行較低溫工藝方法，其溫度范圍亦高達(dá)400-900℃，雖然可沉積ZrCN耐磨層，但是因?yàn)槠涔に嚪椒囟忍邔⒃斐晌⑿偷毒呷屑馍系膿p傷與軟化，此外所使用的反應(yīng)物含有金屬鹵化物氣體屬于劇毒性，故而有公共安全與環(huán)保管制的疑慮。
而在使用物理氣相沉積法中，最主要者為濺鍍或?yàn)R射(Sputtering)法，其溫度可控制在400℃以下，例如英國專利GB2226334中所公開的一些過渡性金屬之碳化物、氮化物或氧化物之濺鍍工藝方法，這些鍍層僅限應(yīng)用在維克氏硬度(Vickers’Hardness)小于300的金屬基材上，如果基材的維克氏硬度大于300以上時(shí)，將會(huì)造成鍍層與基材之間附著不良，而導(dǎo)致不良的耐磨損與耐腐蝕性質(zhì)。因此，離子能量較小的濺射技術(shù)尚難應(yīng)用于微型刀具的耐磨損鍍膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了利用低溫物理氣相沉積、離子清洗、離子輔助鍍膜之原理在微型鉆頭與銑刀鍍上ZrCN或ZrHfCN多元素超硬薄膜，印刷電路板工業(yè)用的微型鉆頭與銑刀的柄部直徑(Shank Diameter)在4mm以下，其母材為碳化鎢超硬合金或瓷金。根據(jù)本發(fā)明，此ZrCN或ZrHfCN多元素超硬薄膜的厚度為0.5-3微米(μm)，因此不影響刀具本身之刃尖尺寸。
本發(fā)明的目的，是提供一種在微型鉆頭與銑刀表面鍍上ZrCN或ZrHfCN多元素薄膜之工藝方法，同時(shí)鍍著物質(zhì)的顆粒小，附著力佳，此鍍膜可用至刀具壽命結(jié)束仍未脫落，而且工藝耗費(fèi)時(shí)間短，鍍膜后刀具的表面硬、內(nèi)部韌，耐磨性增加、散熱佳、外觀尺寸不變，并進(jìn)而提升其在印刷電路板基板加工的切削速度，不僅能延長刀具使用壽命并且增進(jìn)切削加工之尺寸精確度。
因此本發(fā)明提供一種低溫物理氣相沉積的程序，被鍍物在真空中以離子束清洗被鍍物表面，然后在低溫進(jìn)行覆膜。過程中利用電弧離子蒸發(fā)(Arc Ion Evaporation)裝置將金屬蒸發(fā)轟擊出并且離子化，并利用過濾網(wǎng)過濾出顆粒小的離子，同時(shí)用離子輔助裝置(Ion Assistant Device)進(jìn)一步將通過濾網(wǎng)之離子進(jìn)一步細(xì)化，所披覆于被鍍物之物質(zhì)的顆粒小，附著力大，因此被鍍膜后的刀具具有表面硬，內(nèi)部韌的優(yōu)點(diǎn)，因此切削速度提高、耐磨性提高、切削尺寸精確、切削抗折率提高，及使用壽命增長，同時(shí)工藝方法時(shí)間縮短，克服現(xiàn)有PVD無法在微型鉆頭與銑刀上鍍層得到良好附著力的問題。
本發(fā)明之其它目的及功能通過配合下列附圖做進(jìn)一步說明。
本發(fā)明進(jìn)行鍍膜工藝方法(如圖1)如下a.裝載被鍍物于夾具，于常態(tài)下進(jìn)行清洗及烘干；b.裝填該夾具于真空爐內(nèi)，進(jìn)行抽真空、加溫至120℃-400℃；c.利用離子裝置(ion device)打出離子以清洗該被鍍物表面；此離子裝置可為離子槍；d.進(jìn)行鍍膜(i)利用電弧槍(ARC source)從靶材(target)打出微型離子，再以離子槍予以輔助，將ARC運(yùn)作后之離子再以離子槍(Ion Source)將其做一次更小的細(xì)化；(ii)在靶材與被鍍物之間，加上一層用金屬濾網(wǎng)來過濾，使小離子通過，而大顆粒被網(wǎng)子濾下。本濾網(wǎng)以絕緣陶瓷隔絕導(dǎo)電，以免形成電極，利于細(xì)小離子通過。上述小離子再經(jīng)過離子槍做一次更小的細(xì)化才披覆于被鍍物；e.通入甲烷(CH4)或乙炔(C2H2)或丙烷(C3H8)與氮?dú)庵旌蠚怏w；f.使用氮?dú)饫鋮s被鍍物。
鍍膜前先將被鍍物(微型鉆頭或銑刀)加載夾具7(參圖1)，在鍍膜之前，先清洗所有刀刃之表面污漬，然后烘干，再將微型刀具連同夾具置于真空爐中。將真空爐內(nèi)抽至10-5torr以下之真空后，開始加溫。加溫至設(shè)定的溫度(120-400℃)后，用離子清洗裝置(Ion cleaning device)打出離子轟擊被鍍物表面，除去被鍍物表面的臟污及氧化物，此氧化物因被鍍物清洗后與空氣接觸所產(chǎn)生。此一過程可確定被鍍物的表面絕對(duì)清潔，無污染物質(zhì)，而可提供良好的附著條件，并增加鍍層附著力。
利用離子清洗后，開始進(jìn)行覆膜作業(yè)，此作業(yè)在真空、低溫狀態(tài)下進(jìn)行。以電弧離子設(shè)備(如圖1)，將金屬離子自靶材打出，由于電弧槍所打出的離子可能存在較大的分子顆粒，故本發(fā)明利用離子輔助裝置(Ionassistant device)細(xì)化金屬離子，使其顆粒更小。電弧槍打出來的微型金屬離子，再以離子槍離子輔助裝置予以輔助，將其電弧槍運(yùn)作后之金屬離子以離子槍將其再做一次更小的離子化。由于離子更小，并在過程中被賦予更大的動(dòng)能，因此更容易附著，同時(shí)更易與其它需要之元素離子兼容而形成牢不可破的多元素金屬化合物薄膜，促使薄膜硬度高，附著好，密度也高。故此離子輔助是非常必要的。
此外，在靶材與被鍍物之間(如圖2)，加上一層根據(jù)不同尺寸被鍍物所設(shè)計(jì)的、用于不同空隙尺寸的過濾網(wǎng)13來過濾離子，降低金屬離子11之速度，以便離子輔助裝置有較充裕的時(shí)間分離金屬離子11，并使小離子通過，而大顆粒被過濾網(wǎng)13濾下，微型鉆頭或銑刀所附著的全是相同的超小離子顆粒，故能緊密地附著于被鍍物上。如此一來，可確保被鍍物表面平滑度，更可確保其優(yōu)良的切削品質(zhì)。過濾網(wǎng)13通常為金屬材料，金屬之過濾網(wǎng)四周用的是陶瓷等絕緣材料絕緣，濾網(wǎng)不形成電極，令細(xì)小離子易于通過濾網(wǎng)披覆于被鍍物上。鍍膜時(shí)運(yùn)作溫度為120℃-400℃，屬相對(duì)低溫處理，因?yàn)楸景l(fā)明有離子清洗(Ion cleaning)及離子輔助(Ion assistant)的處理程序，故能在低溫運(yùn)作。所以被鍍刀具韌性不會(huì)降低，而覆膜后有二倍以上的硬度，披覆膜之附著性(adhesion)好，耐磨損也佳。
夾具7必須能令被鍍物朝公轉(zhuǎn)方向9做公轉(zhuǎn)之外，也需要令其能朝自轉(zhuǎn)方向8做自轉(zhuǎn)，更重要的是，所有公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)方向在設(shè)計(jì)時(shí)都必須能順時(shí)針方向轉(zhuǎn)，也能逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)。如此一來，刀刃及刀背的膜厚即可控制自如。
鍍膜的后段程序，運(yùn)用氮?dú)饧彼倮鋮s，但不影響被鍍物質(zhì)的附著，達(dá)到表面硬，內(nèi)部韌的目的，并縮短工藝方法時(shí)間。此外刀具表面鍍上物質(zhì)的顆粒小，表面平滑，附著力佳，為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。通常被鍍物質(zhì)形成的薄膜厚度在0.5-3μm，不會(huì)影響刀具外觀尺寸。
目前一般最常使用的的微型電子刀具材料為具有WC(碳化鎢)、Co(鈷)、TaC(碳化鉭)及TiC(碳化鈦)之超硬燒結(jié)合金。以WC(碳化鎢)為主要成份，再添加TiC(碳化鈦)、TiN(氮化鈦)、TaC(碳化鉭)及Co(鈷)等所組成之瓷金，其耐溫性、耐缺損性都比超硬合金更佳。本發(fā)明所利用之微型鉆頭與銑刀即是利用碳化鎢超硬合金及瓷金兩種材料作為底材，由于披覆層為僅具有0.5μm-3μm之薄膜，從而所有切削特性不能只依靠披覆層來維持，所以母材特性對(duì)刀具之性能也有一定的影響。
本發(fā)明所提供之低溫物理濺射鍍膜的工藝方法具有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.低溫下進(jìn)行披覆本發(fā)明之低溫物理鍍膜的程序，屬相對(duì)低溫處理(120℃-400℃)，能避免因高溫而導(dǎo)致鍍著物韌性降低，加上鍍膜后刀具擁有兩倍以上之硬度，附著性和耐磨損性均會(huì)增加。在此情況下，再披覆上其它各種元素時(shí)，其附著力更佳，在常態(tài)下，亦不會(huì)受大氣中之影響而產(chǎn)生脫落之現(xiàn)象。
2.使用離子輔助電弧槍打出來的微型離子，再配合離子槍之輔助，將其再做一次更細(xì)小的離子化處理并賦予更大的動(dòng)能，由于離子更加細(xì)小，更容易附著，同時(shí)更易與其它需要披覆之元素離子兼容而形成牢不可破的多元素薄膜，表面平滑度高，硬度高，附著好，密度也高。
3.引導(dǎo)散熱本發(fā)明將熱引導(dǎo)至被鍍物之下端散熱，也就是在刀具沒有切削功能之處散熱，可避免刀具之尖端變成熱能的發(fā)散點(diǎn)，使得被鍍物母材產(chǎn)生“熱應(yīng)力”集中現(xiàn)象，而造成該被鍍物刀具尖端處之鍍著物產(chǎn)生附著不良而有脫膜之現(xiàn)象。
4.適用范圍廣在刀具的鍍膜中，因鍍著物的材料不同，且刀具之形狀有不同之特殊要求，因此在鍍膜時(shí)必須因各種材料變化不同，于不同溫度下稍做調(diào)整，加上被切削物亦不相同，因而造成許多變量；本發(fā)明針對(duì)不同的材質(zhì)特性均已做數(shù)據(jù)庫的收集和實(shí)驗(yàn)，確實(shí)可以適用于各種不同刀具及不同鍍著金屬，具有極高之適用性。
本發(fā)明提供的鍍膜工藝方法，可以多種材料進(jìn)行涂布。本發(fā)明另外以下列之實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明的精神和權(quán)利范圍。


圖1是本發(fā)明之PVD低溫濺射系統(tǒng)簡圖；圖2是本發(fā)明之工作原理圖(靶材運(yùn)作示意圖)。
圖中1電弧電源2偏壓電源3觸發(fā)器4靶5反應(yīng)氣體6泵(擴(kuò)散泵和機(jī)械泵)7夾具8夾具自轉(zhuǎn)方向9工作掛架公轉(zhuǎn)方向10陽極11金屬離子12蒸發(fā)金屬原子13過濾網(wǎng)14電漿區(qū)15離子槍16微液滴具體實(shí)施方式
實(shí)施例一被鍍物為微型銑刀，微型銑刀之母材為碳化鎢瓷金，柄部直徑3.175mm，刀刃直徑1.0mm，有效刃長5mm，工藝方法選用的靶材為Zr、Hf合金，進(jìn)行覆膜的操作溫度為250℃-400℃。
鍍膜完成后經(jīng)元素分析，含有71wt％鋯，9wt％鉿，8wt％碳，及12wt％氮，鍍膜薄膜的厚度為2μm與3μm。未鍍膜的銑刀基材維克氏硬度為2100(Hv10g)，鍍膜后的銑刀維克氏硬度為4500(Hv10g)，其外觀尺寸不變，實(shí)際測試以電路板業(yè)界普遍使用之厚度為1.6mm FR(glass fiber rubber)-4為基板實(shí)施切削，所得到之刀具壽命(單位公尺)測試數(shù)據(jù)如表一所示，可得知ZrHfCN鍍膜可將銑刀壽命提高至原來的3倍以上

表一銑刀壽命測試表實(shí)施例二被鍍物為微型銑刀，微型銑刀之母材為碳化鎢燒結(jié)超硬合金，柄部直徑3.175mm，刀刃直徑1.5mm，有效刃長8mm，工藝方法選用的靶材為Zr、Hf合金，進(jìn)行覆膜的操作溫度為210℃-390℃。
鍍膜完成后經(jīng)元素分析，含有76wt％鋯，4wt％鉿，9wt％碳，及11wt％氮，鍍膜薄膜的厚度為1.2μm-2.8μm。未鍍膜的銑刀基材維克氏硬度為1970(Hv10g)，鍍膜后的銑刀維克氏硬度為4250(Hv10g)，其外觀尺寸不變，實(shí)際測試以厚度為1.6mm FR-4為基板實(shí)施切削，并與市面上取得之U牌未鍍膜銑刀做一比較，所得到之刀具壽命(單位公尺)測試數(shù)據(jù)如表二所示，可得知ZrHfCN鍍膜可將銑刀壽命提高至原來的1.5-3倍

表二銑刀壽命測試表實(shí)施例三被鍍物為微型鉆頭，微型銑刀之母材為碳化鎢瓷金，柄部直徑3.175mm，鉆尾直徑0.3mm，有效長度5.5mm，鍍膜層為ZrCN薄膜，進(jìn)行覆膜的操作溫度為120℃-280℃。
鍍膜薄膜的厚度為0.5μm-2.2μm。未鍍膜的鉆頭基材維克氏硬度為2050(Hv10g)，鍍膜后的鉆頭維克氏硬度為4170(Hv10g)，其外觀尺寸不變，實(shí)際鉆孔測試以含銅箔8層1/2盎司總厚度為1.6mm之FR-4為基板實(shí)施鉆孔，鉆孔轉(zhuǎn)速120krpm，進(jìn)刀速6m/min，進(jìn)行比較鍍膜鉆頭與未鍍膜鉆頭兩者之間的鉆孔精確度與重復(fù)性，其代表數(shù)值為統(tǒng)計(jì)一定數(shù)量數(shù)據(jù)之Cpk值(Capable Process capability indices，工藝方法能力指數(shù)數(shù)值越高者越佳)，測試數(shù)據(jù)分為連續(xù)鉆6000孔與9000孔之Cpk計(jì)算值，測試結(jié)果如表三所示?？傻弥兡ず蟮你@頭比未鍍膜者Cpk值高，即表示以鍍膜鉆頭鉆孔所得到的孔分布較靠近中心點(diǎn)且較為集中，因此其加工品質(zhì)與精度壽命亦大為提高。

表三微型鉆頭鉆孔測試之Cpk值雖然本發(fā)明已以三較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許之更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明之保護(hù)范圍當(dāng)視后附之權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于微型切削工具上披覆ZrHfCN超硬耐磨損薄膜的工藝方法，其特征在于a.裝載被鍍物于夾具，進(jìn)行清洗及烘干；b.裝載該夾具于真空爐內(nèi)，進(jìn)行抽真空、加溫至120℃-400℃；c.利用離子清洗該被鍍物表面；d.進(jìn)行鍍膜以低溫物理氣相沉積法進(jìn)行表面披覆，并利用離子輔助裝置及過濾網(wǎng)細(xì)化自靶材打出的離子；e.通入反應(yīng)氣體；f.使用氮?dú)饫鋮s被鍍物。
2.如權(quán)利要求1所述的在微型切削工具上披覆ZrHfCN薄膜的工藝方法，其特征在于該被鍍物為微型切削工具為柄部直徑小于4mm之微型鉆頭與銑刀，此微型切削工具之母材為碳化鎢燒結(jié)合金或碳化鎢瓷金。
3.如權(quán)利要求1所述的在微型切削工具上披覆超硬耐磨損薄膜的工藝方法，其特征在于該薄膜的組成為ZrCN或ZrHfCN，其中Hf重量百分比為0-10％。
4.如權(quán)利要求3所述的在微型切削工具上披覆ZrHfCN超硬耐磨損薄膜的工藝方法，其特征在于該薄膜的厚度為0.5-3μm。
5.如權(quán)利要求1所述的在微型切削工具上披覆ZrHfCN薄膜的工藝方法，其特征在于該反應(yīng)氣體為甲烷(CH4)或乙炔(C2H2)或丙烷(C3H8)與氮?dú)庵旌蠚怏w。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在柄部直徑(Shank diameter)為4毫米以下，材料為碳化鎢燒結(jié)超硬合金(Sintered Tungsten Carbide)或碳化鎢瓷金(Tungsten Carbide Cermet)之微型鉆頭與銑刀上披覆硬質(zhì)耐磨損薄膜的工藝方法。此耐磨損薄膜之厚度為0.5微米(μm)至3微米，化學(xué)組成為ZrHfCN，Hf之重量百分比為0－10％，其特點(diǎn)為鍍膜層硬度高且附著力佳，因此能增進(jìn)刀具之耐磨性，并進(jìn)而提升其切削速度與延長刀具使用壽命以及切削加工之尺寸精確度，而實(shí)際測試在印刷電路板基板的加工用途上，可提高原工具母材加工壽命達(dá)1.5至3倍。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1552941SQ0313630
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者賴泰锽, 賴泰 申請(qǐng)人:環(huán)宇真空科技股份有限公司