專利名稱：：微型鉆頭表面改性用多元多層硬質(zhì)薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種可沉積于微型鉆頭表面的多元多層硬質(zhì)薄膜材料及其制備方法。技術(shù)背景隨著計(jì)算機(jī)、手機(jī)等微電子行業(yè)向微型化快速發(fā)展，與微型化密切相關(guān)的微電子線路板(PCB:PrintedCircuitBoard)的加工曰趨高速、自動(dòng)化、精密化、小型化，這就要求對(duì)微電子線路板進(jìn)行精細(xì)加工的專用微型鉆頭能在高溫、高速、高磨損、強(qiáng)腐蝕等苛刻條件下進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高速的切削。PCB板的材質(zhì)主要為覆銅的玻璃纖維增強(qiáng)層狀復(fù)合材料，一般為幾層到十幾層。PCB微型鉆頭通用直徑為0.102.0mrn,在進(jìn)行PCB板加工時(shí)，其轉(zhuǎn)速可達(dá)16萬轉(zhuǎn)/分鐘，由于鉆速高，微鉆直徑小，排屑難，整個(gè)鉆孔過程溫度高，且PCB材料對(duì)微型鉆頭基材的腐蝕性極強(qiáng)，使微型鉆頭很容易因擴(kuò)散、粘結(jié)、熱電磨損而失效。一方面微型鉆頭磨損會(huì)降低孔的尺寸精度及其壽命；另一方面，磨損產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致線路板材料中低熔點(diǎn)組元的熔化以及復(fù)合材料層之間的分離，在孔出口處產(chǎn)生拉毛、釘頭等缺陷，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致電路板報(bào)廢。針對(duì)目前PCB加工的苛刻條件，人們采用了兩種解決途徑一種是改進(jìn)硬質(zhì)合金材質(zhì)，但材質(zhì)的改進(jìn)對(duì)微型鉆頭性能和壽命提高有限；另一種是在微型鉆頭表面涂鍍一層或多層約幾個(gè)微米厚的陶瓷薄膜，利用鉆頭表層陶瓷薄膜的耐磨性、抗高溫氧化、低摩擦系數(shù)等性能，不僅可將微型鉆頭的壽命延長(zhǎng)幾倍，還可顯著提高PCB加工的效率和鉆孔質(zhì)量，大大降低PCB的加工成本。中國(guó)專利公開號(hào)CN1786253A和CN1864900A報(bào)道了釆用英國(guó)Teer公司的非平衡磁控濺射技術(shù)在微型鉆頭表面制備的CrTiAlN膜層。該膜層具有良好的硬度和耐磨性，可有效降低微型鉆頭的磨損速率，延長(zhǎng)其使用壽命。但CrTiAlN膜層摩擦系數(shù)較大，約0.4-0.8,在高速切削時(shí)，容易和被加工的PCB材料粘結(jié)，產(chǎn)生高的熱量甚至?xí)斐傻腿埸c(diǎn)材料熔化或半熔化，以致降低了PCB的加工質(zhì)量，如釘頭增大、孔位精確度下降等。為了在延長(zhǎng)微型鉆頭使用壽命的同時(shí)，保證PCB的加工質(zhì)量，這就要求微型鉆頭表面強(qiáng)化膜層不僅具有良好的硬度、膜/基結(jié)合力、韌性、耐高溫等特性，還要具有減摩耐蝕等特性，顯然單一膜層難以達(dá)到這一要求。此外，隨著微型鉆頭的直徑越來越小以及結(jié)構(gòu)逐漸由整體式硬質(zhì)合金轉(zhuǎn)為焊接式(柄為高速鋼，工作部位為硬質(zhì)合金)，由于沉積溫度一般為300~500°C，常規(guī)單一的硬質(zhì)薄膜制備技術(shù)容易造成微型鉆頭變形，進(jìn)而導(dǎo)致PCB板加工孔位精確度低，難以滿足高精密微電子行業(yè)的發(fā)展需求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有薄膜制備技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種多元多層硬質(zhì)薄膜CrTiAlCN+DLC(DLC即類金剛石)材料。該材料顯微硬度高、膜/基結(jié)合力高、摩擦系數(shù)低、良好的耐磨、耐蝕等性能，提高微型鉆頭使用壽命，同時(shí)解決鉆削時(shí)"孔位精確度"、"孔壁粗糙度"、"釘頭"等性能指標(biāo)超標(biāo)的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種多元多層硬質(zhì)薄膜材料CrTiAlCN+DLC的制備方法，該方法沉積溫度為100~200°C,膜層細(xì)膩，適宜于整體式和焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭的表面改性。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的多元多層硬質(zhì)薄膜材料依次由基材l、金屬過渡層2、金屬氮化物過渡層3、硬質(zhì)耐磨層4、自潤(rùn)滑層5構(gòu)成。所述的基體材料1為<D0.l~2.0mm的整體式或焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭。所述的金屬過渡層2為Cr,金屬氮化物過渡層3為CrN，硬質(zhì)耐磨層4為CrTiAiCN,自潤(rùn)滑層5為DLC。多元多層硬質(zhì)薄膜材料的制備方法是釆用Cr、Ti、Al靶在達(dá)到本底真空5.0xl0-3pa，溫度100~200°C，工件架轉(zhuǎn)速2-lOrpm條件下，依次包括以下步驟①爐內(nèi)壓強(qiáng)0.2-1.0Pa，Ar氣流量150sccm,離子源2Kw,偏壓800V,轟擊清洗基材30min;②爐內(nèi)壓強(qiáng)0.2-0.4Pa,Ar氣流量100150sccm，磁控Cr乾功率2.0~10Kw，離子源0.5Kw,偏壓50~150V,沉積金屬過渡層Cr:5~15min;③爐內(nèi)壓強(qiáng)0.3~0.6Pa，Ar氣流量:100150sccm,N2:10-50sccm,磁控Cr乾功率5.0~10Kw,離子源0.5Kw,偏壓50~150V，沉積金屬氮化物過渡層CrN:15~30min;④爐內(nèi)壓強(qiáng)0.4~0.8Pa,Ar氣流量100—150sccm，N2:50-200sccm，CH4或C2H2氣流量20150sccm,磁控靶功率Cr耙2.0—6.0Kw,Ti耙2.0~6.0Kw，Al耙2.0~8,0Kw,離子源1.0-2.0Kw,偏壓50-150V,沉積硬質(zhì)耐磨層CrTiAlCN:30-150min;⑤爐內(nèi)壓強(qiáng)0.6~1.0Pa,Ar氣流量:100150sccm，CH4或C必2氣流量:50-150sccm,磁控Ti靶功率1.0~3.0Kw,離子源1.0~2.0Kw，偏壓30—100V,沉積自潤(rùn)滑層DLC:30~120min。本發(fā)明首先采用氣體離子源離化氬氣在高偏壓下對(duì)微型鉆頭表面進(jìn)行離子轟擊清洗。離子束濺射清洗的優(yōu)點(diǎn)是能量可控范圍廣，克服了常規(guī)輝光放電偏壓清洗能量弱，以及電弧離子清洗能量過高易導(dǎo)致材料表面"打弧"和"發(fā)蒙"等缺點(diǎn)，能夠在維持微型鉆頭溫度足夠低的情況下，徹底清除其表面雜質(zhì)異物層，同時(shí)拋光表面，改善微型鉆頭表面微粗糙度，顯著提高后續(xù)膜層與微型鉆頭的界面結(jié)合力。本發(fā)明所述的金屬過渡層為金屬Cr,沉積金屬層Cr是因?yàn)榻饘貱r和微型鉆頭的硬質(zhì)合金基材的結(jié)合力好，該層的膜厚為0.1-0.2fjrn。本發(fā)明所述的金屬氮化物過渡層為CrN,沉積CrN是為了在基體和硬質(zhì)耐磨層之間實(shí)現(xiàn)硬度的梯度過渡，降低膜層內(nèi)應(yīng)力，提高膜/基結(jié)合力及膜層的韌性，該層膜厚為0.1~0.5pm。本發(fā)明所述的硬質(zhì)耐磨層為CrTiAlCN,通過逐漸改變靶功率和氣體流量，制備的CrTiAlCN層具有成分梯度過渡的組織結(jié)構(gòu)，使膜層具有良好的硬度、韌性、高溫耐磨減摩特性，該層膜厚為0.5~2.0jim。本發(fā)明所述的自潤(rùn)滑層為DLC(類金剛石)膜，是利用離子束技術(shù)，通過陽(yáng)極層流型矩形氣體離子源離化碳?xì)浠衔?甲烷、乙炔等)，同時(shí)開啟磁控濺射金屬靶制備的含微量金屬和金屬碳化物的DLC薄膜，該層膜厚為0.3~l.(Him。圖1為本發(fā)明多元多層硬質(zhì)薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中基材1為O0.1~2.0mm的整體式或焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭，金屬過渡層2為Cr，金屬氮化物過渡層3為CrN，硬質(zhì)耐磨層4為CrTiAlCN,自潤(rùn)滑層5為DLC。具體實(shí)施方式實(shí)施例1、2、3分別按表1、2、3所列工藝流程和參數(shù)操作。測(cè)試方法如下①膜層厚度釆用橫截面金相法測(cè)量；②膜層硬度采用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量載荷10g,加載時(shí)間15秒，測(cè)三點(diǎn)硬度取平均值；③膜/基結(jié)合力釆用薄膜結(jié)合強(qiáng)度劃痕試驗(yàn)儀測(cè)量加載速度為100N/min,劃行速度為4mm/min，劃行時(shí)間為1分鐘；膜層摩擦系數(shù)采用球-盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，對(duì)磨件材質(zhì)為GCrl5，線速度為0.5m/s，載荷為0.98N;④微型鉆頭使用制程新針初次使用后可研磨重用，研磨次數(shù)為4次，總鉆孔數(shù)表示為總數(shù)(新針/磨一/磨二/磨三/磨四)；PCB板鉆削加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)孔位精確度CPK值不小于1.33,孔壁粗糙度不大于25.4nm,釘頭值不大于200%。實(shí)施例1表1工藝流程表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>釆用Cr、Ti、Al三種靶材，氣體為高純Ar、^和(:2&，基材為(D0.4mm微型鉆頭。依次沉積多元多層硬質(zhì)膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC的厚度分別為O.l、0.25、0.85、0.6pm;膜層總厚度為1.8pm，硬度值為HV2700,膜/基結(jié)合力為85N，膜層的摩擦系數(shù)為0.2。使用該鍍膜微型鉆頭鉆削厚度為2.0mm的6層PCB板，轉(zhuǎn)速為12萬轉(zhuǎn)/min，按照微型鉆頭的使用制程，在滿足PCB板的加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下，鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)達(dá)到25500個(gè)(7000/6000/5000/4000/3500),而未鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)為10000個(gè)(3000/2000/2000/1500/1500)。實(shí)施例2表2工藝流程表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>釆用Cr、Ti、Al三種靶材，氣體為高純Ar、^和(:2112,基材為(D0.25mm微型鉆頭。依次沉積多元多層硬質(zhì)膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC的厚度分別為O.l、0.2、0.6、0.4nm;膜層總厚度為1.3pm，硬度值為HV2500，膜/基結(jié)合力為85N,膜層的摩擦系數(shù)為0.25。使用該鍍膜微型鉆頭鉆削厚度為1.6mm的8層PCB板，轉(zhuǎn)速為14萬轉(zhuǎn)/min，按照微型鉆頭的使用制程，在滿足PCB板的加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下，每支鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)達(dá)到14500個(gè)(5000/4000/3000/2500/0),而未鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)為6000(2000/1500/1500/1000/0)。實(shí)施例3表3工藝流程表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>采用Cr、Ti、Al三種靶材，氣體為高純Ar、N2和CH4，基材為(D0.3mm的焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭。依次沉積多元多層硬質(zhì)膜Cr/CrN/CrTiAlCN/DLC的厚度分別為0.1、0.2、1.0、0.5萍;膜層總厚度為1.8pm，硬度值為HV2900,膜/基結(jié)合力為75N,膜層的摩擦系數(shù)為0.15。使用該鍍膜微型鉆頭鉆削厚度為0.7mm的4層PCB板疊板2層，轉(zhuǎn)速為13.5萬轉(zhuǎn)/min,按照微型鉆頭的使用制程，在滿足PCB板的加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下，每支鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)達(dá)到23500個(gè)(6000/5000/5000/4000/3500),而未鍍膜微型鉆頭鉆孔平均數(shù)為9000個(gè)(2500/2000/2000/1500/1000)。按照本發(fā)明提供的微型鉆頭表面改性用多元多層硬質(zhì)薄膜材料及其制備方法制備的多元多層硬質(zhì)薄膜材料顯微硬度達(dá)到HV25003500、膜/基結(jié)合力》70N、摩擦系數(shù)0.1~0.3,具有良好的耐磨、耐蝕等性能，可提高微型鉆頭使用壽命24倍，同時(shí)解決了鉆削時(shí)"孔位精確度"、"孔壁粗糙度"、"釘頭"等性能指標(biāo)超標(biāo)的問題。該方法沉積溫度低，膜層細(xì)膩，適宜于整體式和焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭的表面均句沉積，能顯著提高微型鉆頭的使用壽命及加工印刷線路板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。權(quán)利要求1.一種微型鉆頭表面改性用多元多層硬質(zhì)薄膜材料，其特征是依次由基材(1)、金屬過渡層(2)、金屬氮化物過渡層(3)、硬質(zhì)耐磨層(4)、自潤(rùn)滑層(5)構(gòu)成，2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元多層硬質(zhì)薄膜材料，其特征是所述的基材為00.12.0mm的整體式或焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元多層硬質(zhì)薄膜材料，其特征是金屬過渡層為Cr，金屬氮化物過渡層為CrN，硬質(zhì)耐磨層為CrTiAlCN,自潤(rùn)滑層為DLC。4.一種權(quán)利要求1所述的多元多層硬質(zhì)薄膜材料的制備方法，其特征是釆用Cr、Ti、Al三種靶材，在達(dá)到本底真空5.0xl(T3Pa，溫度100~200°C,工件架轉(zhuǎn)速2-10rpm條件下，依次包括以下步驟①爐內(nèi)壓強(qiáng)0.2-1.0Pa,Ar氣流量150sccm,離子源2Kw,偏壓800V，轟擊清洗基材30min;②爐內(nèi)壓強(qiáng)0.2~0.4Pa，Ar氣流量100150sccm，磁控Cr乾功率2.0~10Kw，離子源0.5Kw，偏壓50-150V,沉積金屬過渡層Cr:5~15min;③爐內(nèi)壓強(qiáng)0.3~0.6Pa，Ar氣流量100-150sccm，N2:10~50sccm，磁控Cr耙功率5.0-10Kw,離子源0.5Kw,偏壓50~150V，沉積金屬氮化物過渡層CrN:1530min;④爐內(nèi)壓強(qiáng)0.4~0.8Pa，Ar氣流量100-150sccm，N2:50-200sccm，CH4或(22112氣流量20~150sccm，磁控靶功率Cr乾2.0—6.0Kw,Ti乾2.0—6.0Kw，Al靶2.0—8.0Kw,離子源1.0-2.0Kw,偏壓50~150V，沉積硬質(zhì)耐磨層CrTiAlCN:30~150min;⑤爐內(nèi)壓強(qiáng)0.6—1.0Pa，Ar氣流量100-150sccm,CH4或(:2112氣流量:50-150sccm,磁控Ti靶功率1.0-3.0Kw，離子源1.0~2.0Kw，偏壓30-100V,沉積自潤(rùn)滑層DLC:30~120min。全文摘要一種微型鉆頭表面改性用多元多層硬質(zhì)薄膜材料及其制備方法。該多元多層硬質(zhì)薄膜材料依次由基材、金屬過渡層Cr、金屬氮化物過渡層CrN、硬質(zhì)耐磨層CrTiAlCN、自潤(rùn)滑層DLC組成。其制備方法采用Cr、Ti、Al金屬靶材和Ar、N₂、C₂H₂或CH₄氣體，依次轟擊清洗微型鉆頭，沉積Cr層、CrN層、CrTiAlCN層、DLC層。本發(fā)明提供的多元多層硬質(zhì)薄膜材料顯微硬度較高，達(dá)到HV2500～3500，膜/基結(jié)合力≥70N，且易于在100～200℃下制備，可在Φ0.1～2.0mm的整體式或焊接式硬質(zhì)合金微型鉆頭表面均勻沉積，能顯著提高微型鉆頭的使用壽命及加工印刷線路板的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。文檔編號(hào)C23C14/14GK101210310SQ200710032728公開日2008年7月2日申請(qǐng)日期2007年12月21日優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日發(fā)明者代明江,侯惠君,敏況,敏劉,張忠誠(chéng),朱霞高,李洪武,林凱生,林松盛申請(qǐng)人:廣州有色金屬研究院