一种氮氧化铬和类金刚石膜复合涂层pcb微细刀具的制作工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种采用CrO2N+DLC即：氮氧化铬+类金刚石膜复合涂层的PCB微细刀具的工艺，利用高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备，通过清洗干燥、拋研、预处理、沉积氮氧化铬和类金刚石膜双层涂层等步骤完成。使用CrO2N+DLC复合涂层的PCB微细刀具，既保持了硬质合金基体的韧性又具有高硬度、低摩擦系数和良好的润滑性能和散热性能，解决了PCB微钻或铣刀经常出现的断刀、粘刀、夹板、撕裂、拉毛等问题。
【专利说明】—种氮氧化铬和类金刚石膜复合涂层PCB微细刀具的制作工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及PCB加工切削刀具领域，具体的是一种能够提高PCB刀具使用寿命和工作效率的Cr02N+DLC即:氮氧化铬+类金刚石膜复合涂层的PCB铣刀和微钻(钻针)。
【背景技术】
[0002]我国的PCB研制工作始于1956年，1963-1978年逐步扩大形成PCB产业。改革开放后20多年，由于引进国外先进技术和设备，单面板、双面板和多层板均获得快速发展，国内PCB产业由小到大逐步发展起来。中国由于下游产业的集中及劳动力土地成本相对较低，成为发展势头最为强劲的区域。2002年，成为第三大PCB产出国。2003年，PCB产值和进出口额均超过60亿美元，首度超越美国，成为世界第二大PCB产出国。2006年中国已经取代日本，成为全球产值最大的PCB生产基地和技术发展最活跃的国家。 PCB产业的主要产品已由单面板、双面板转向多层板，而且正在从4~6层向6~8层以上提升。随着多层板、HDI板、柔性板的快速增长，我国的PCB产业结构正在逐步得到优化和改善。
产量的提高和产品结构及质量和材料的优化就更迫切期待使用寿命长，切削性能好的PCB刀具。
[0003]目前大部分的PCB生产厂家使用数控钻床，数控钻床使用的是高工钢的定柄钻头。印制板钻孔用钻头一般都采用硬质合金，因为环氧玻璃布复铜箔板对刀具的磨损特别快。而硬质合金较高工钢钻头耐磨，有一定强度，适于高速切削。但对于PCB板材而言耐磨仍然差，磨损快，寿命短，为了改善硬质合金钻、铣刀具的性能，有的采用在碳化基体上沉积碳化钛(TIC)或氮化钛(TIN)，这些单层涂层虽然比较硬质合金光刀使用效果有所提高，但是仍然不能解决粘刀、夹板、撕裂、进出口(进刀口和出孔口)拉毛等问题。
[0004]采用CVD金刚石膜涂层，具有更高的硬度，也能够克服上述弊端，但是由于金刚石膜涂层必须经过酸、碱脱钴处理，而且金刚石膜涂层腔室温度700-900°，由于PCB铣刀和微钻直径只有0.1-3.3mm，致使涂层后的微细刀具虽然提高了钻头的硬度与耐磨性，但是韧性差，非常脆，特别容易断刀。
【发明内容】
[0005]为了解决以上技术问题，本发明的目的是提供一种Cr02N+DLC复合涂层PCB微钻或铣刀的制作工艺。因为DLC涂层工艺工作温度只有80-200°，而且涂层Cr02N+DLC工艺中不需要进行酸、碱脱钴处理，不会损伤基体的Co和W，能够保持硬质合金原有的性能。使用即:氮化铬加类金刚石膜复合涂层的PCB铣刀和微钻(钻针)既保持了硬质合金基体的韧性又发挥了氮化 铬加类金刚石膜复合涂层的高硬度、低摩擦系数和良好的润滑性能和散热性能，本发明的复合涂层PCB刀具圆满的解决了断刀、粘刀、夹板、撕裂、进出口拉毛等问题。显著的提高了使用寿命和加工质量，降低生产成本，提高生产效率。
[0006]上述目的通过以下技术方案实现:基于本发明的目的，本发明使用一种名称为“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”的涂层设备并发明新的工艺方法。
[0007]所述的高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备，是本发明人研制的新原理涂层设备。它包括涂层室、行星旋转工件架、磁过滤弧源、分子泵、真空系统，所述涂层室为立式圆柱形，整体双层水冷式结构，所述涂层室前部设有进料门，所述涂层室的顶部设有管状加热器、热电偶接口，所述涂层室的底部设有进气口和行星旋转工件架，所述行星旋转工件架底部连接有驱动系统，所述涂层室的侧壁安装有磁过滤弧源，所述涂层室的后部安装有分子泵和真空系统。
[0008]所述磁过滤弧源由引弧电极、阴极支架、靶材、推弧电磁线圈、聚焦电磁线圈、弯头组成，所述靶材安装在阴极支架上，所述引弧电极和所述阴极支架外接引弧电源，所述推弧电磁线圈和所述聚焦电磁线圈安装在所述引弧电极和阴极支架产生电弧处的外围。
[0009]进一步的，所述弯头为锥度2°弯曲弧度为100°的锥度弯头，所述锥度弯头的外表面安装有多个弯曲弧电磁线圈，在锥度弯头内形成强度为O~20 mT的弯曲磁场。
[0010]该设备充分利用弧源中的触发电极和石墨阴极之间产生真空电弧放电，激发高离化率的碳等离子体，采用磁过滤线圈过滤掉弧源产生的大颗粒和中性原子，可使到达衬底的几乎全部是碳离子，可以用较高的沉积速率制备出无氢膜，采用此技术可以获得Sp3键含量高达70%、硬度高达~4500HV0.025的无氢碳膜，其性质与多晶金刚石膜(CVD)相近。
[0011]本发明利用自制的高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备，采取如下工艺方法:
第一步:微细铣刀(微钻)防折断:将铣刀插入高密度海绵插板中，防止细微的切削刃在操作中折断；
第二步:脱脂清洗:将插满铣刀的海绵插板置于超声波清洗机中使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗；` 第三步:物理方式预处理:将铣刀置于喷沙设备，用W5金刚石微粉喷射铣刀切削刃部，刻蚀工件表面；
第四步:使用超声波清洗机，加入丙酮和无水乙醇按照3:7的重量比配制而成的清洗液再次清洗干燥；
第五步:工件装入“DLC沉积设备”腔室铣刀专用夹具；
所述专用夹具:系固定于星形旋转挂架上的内孔等于刀柄直径的插管；
第六步:通入Ar至约IPa，对工件加负偏压-150V~-600V，温度控制在85~200°C，电弧电流为50A~70A，将Ar电离并对工件产生离子轰击作用，去除工件表面微观杂质及刻蚀活化表面的作用，提高沉积结合力，时间60min ；
第七步:按体积比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，对工件涂层面形核，为涂层所需致密的打底层和工作层编织构架，形核时间为60min ；
第八步:按体积比2:2:3的比例通入N和O2，开启2个弧靶，阴极采用99.9%金属Cr靶材，沉积氮化铬过渡层NO2Cr,弧源电流35A，时间:4h，涂层NO2Cr厚度15~20 μ m ;
第九步:按体积比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、开启8个磁过滤弧源阴极采用99.9%石墨靶材，沉积DLC涂层，弧源电流30A，时间:4h，涂层DLC厚度10~15μπι。
[0012]本发明的积极效果在于:本发明Cr02N+DLC复合涂层PCB钻、铣刀具主要性能指标:DLC膜层硬度值约为HV4500 ;涂层为致密的DLC薄膜，其结构为典型的非晶结构；薄膜表面平整，无缺陷；DLC涂层摩擦系数约为0.13 ;涂层附着力达到37N;涂层厚度均达到10微米。使用Cr02N+DLC复合涂层，既保持了硬质合金基体的韧性又发挥了复合涂层的高硬度、低摩擦系数和良好的润滑性能、耐腐蚀性能和散热性能，解决了断刀、粘刀、夹板、撕裂、进出口拉毛等问题，显著的提高了使用寿命和加工质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备的俯视图。
[0014]图2为高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备的左视图。
[0015]图3为磁过滤弧源的结构示意图。
[0016]图4为本发明的工艺流程图。
[0017]附图中:1一磁过滤弧源，2—涂层室，3—真空系统，4一机架，5—分子泵，6—行星旋转工件架，7—进料门，8—热电偶接口，9一管状加热器，10—驱动系统，11一进气口，12—阴极支架，13—引弧电极，14 一推弧电磁线圈，15—靶材，16—弯头，17—弯曲弧电磁线圈，18—聚焦电磁线圈。
【具体实施方式】
[0018]如图1、图2所示，一种高附着力高硬度低摩擦系数类金刚石膜的涂层设备，包括涂层室2、行星旋转工件架6、磁过滤弧源1、分子泵5、机架4。
[0019]涂层室2固定安装在机架4上，涂层室2采用立式圆柱形结构Φ900 X 900mm,不锈钢材质，整体双层水冷式结构，前开门结构，便于更换样品、靶材15及日常维护。真空室整体焊接后进行热处理消除焊接应力防止焊后变形。涂层室2前部开有进料门7和观察窗，涂层室2的顶部设有管状加热器9、热电偶接口 8、充气阀及预留CF35法兰接口。所述涂层室2的后部安装有分子泵5和真空系统3。
[0020]涂层室2的底部设有进气口 11和行星旋转工件架6，所述行星旋转工件架6底部连接有驱动系统10，所述行星旋转工件架6是由直流电机将旋转动力传递给行星齿轮机构(行星齿轮机构由太阳齿轮、行星齿轮和内齿轮组成)，驱动与行星齿轮连接的工件挂架作自转，同时又驱动与内齿轮连接的大圆盘作公转，从而实现工件在沉积过程中“自转”和“公转”保证工件全方位，均匀的沉积DLC膜层。行星旋转工件架6是专为大批量、产业化生产设计的，工位多，基片装载范围大，旋转速度为O~20RPM可调，装载量:以Φ 130件计算，可装2000件/炉。
[0021]涂层室2的侧壁安装有多个磁过滤弧源1，如图3所示，所述磁过滤弧源I由引弧电极13、阴极支架12、靶材15、推弧电磁线圈14、聚焦电磁线圈18、弯头16组成。所述靶材15安装在阴极支架12上，所述引弧电极13和所述阴极支架12外接引弧电源，该引弧电源具有能够识别电弧的燃烧或熄灭状态环节，根据需要而发出引弧脉冲，进行启动时的自动引弧和熄弧后自动再引弧。所述推弧电磁线圈14和所述聚焦电磁线圈18安装在所述引弧电极13和阴极支架12产生电弧处的外围。推弧电磁线圈14可以使电弧引燃后迅速过渡到阴极的表面，也可以防止电弧引燃后向水冷阴极支架12根部燃烧。聚焦电磁线圈18产生的推动力将电弧推向前方，适当调节推弧电磁线圈14和聚焦电磁线圈18的线圈电流，还可以控制阴极斑点在阴极表面运动的范围，使阴极进行均匀刻蚀，得到一个稳定燃烧的冷等离子体电弧。两线圈均可产生O~40 mT的电磁场。
[0022]如图3所示，所述弯头16为锥度2°弯曲弧度为100°的锥度弯头16，所述锥度弯头16，所述锥度弯头16的外表面安装有多个弯曲弧电磁线圈17，在锥度弯头16内形成强度为O~20 mT的弯曲磁场，起到弯曲电弧过滤中性粒子等宏观粒子团的作用。
[0023]采用自制的“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”，以台湾某公司委托加工的PCBO0.55mm铣刀(以下简称“铣刀”)为例，规格:钻石槽型(Diamond cut)
0.55 ~2.70 ;刃部直径 Φ0.55mm ;槽长(L) (Flute length) 2.7mm ;总长38.1mm。Cr02N+DLC复合涂层的制备工艺如下:
1、微细铣刀防断裂:为防止Φ0.55mm细微的切削刃在操作中断裂，必须将铣刀插入厚度为20-25mm高密度海绵插板中。
[0024]2、脱脂清洗:将插满铣刀的海绵插板置于超声波清洗机中使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗；
3、物理方式预处理:将铣刀置于喷沙设备，用W5金刚石微粉喷射铣刀切削刃部，刻蚀工件表面；
4、使用超声波清洗机再次清洗干燥，清洗液为:丙酮+无水乙醇(3:7配比)； 5、工件装入“DLC沉积设备”腔室铣刀专用夹具；专用夹具系固定于星型旋转挂架上的内孔等于刀柄直径的插管中；
6、通入Ar至约IPa，对工件加负偏压-150V~-600V，温度控制在85~200°C，电弧电流为50A~70A，将Ar电离并对工件产生离子轰击作用，去除工件表面微观杂质及刻蚀活化表面的作用，提高沉积结合力，时间60min ；
7、按体积比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，对工件涂层面形核，为涂层所需致密的打底层和工作层编织构架，形核时间为60min ；
8、按体积比2:2:3的比例通入N和O2，开启2个弧靶，阴极采用99.9%金属Cr靶，沉积氮氧化铬过渡层N02Cr，弧源电流30A，时间:4h，涂层NCr厚度15~20 μ m ;
9、按体积比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、开启8个磁过滤弧源，阴极采用99.9%石墨靶材，沉积DLC涂层，弧源电流25A，时间:4h，涂层DLC厚度10~15 μ m ;
10、清洗、检测、打标、包装。
[0025]经检测，本发明Cr02N+DLC复合涂层PCB钻、铣刀具主要性能指标如下:DLC膜层硬度值约为HV4500 ;涂层为致密的DLC薄膜，其结构为典型的非晶结构；薄膜表面平整，无缺陷；DLC涂层摩擦系数约为0.13 ;涂层附着力达到37N ;涂层厚度均达到10微米。使用Cr02N+DLC即:氮化铬加类金刚石膜复合涂层的PCB铣刀和微钻，既保持了硬质合金基体的韧性又发挥了氮化铬加类金刚石膜复合涂层的高硬度、低摩擦系数和良好的润滑性能和散热性能，本发明的复合涂层PCB刀具圆满的解决了断刀、粘刀、夹板、撕裂、进出口拉毛等问题。显著的提高了使用寿命和加工质量，降低生产成本，提高生产效率。
【权利要求】
1.一种氮氧化铬和类金刚石膜复合涂层PCB微细刀具的制作工艺，其特征在于其工艺步骤为: 第一步:防折断:将微钻或铣刀插入高密度海绵插板中，防止细微的切削刃在操作中折断； 第二步:脱脂清洗:将插满微钻或铣刀的海绵插板置于超声波清洗机中使用帕卡濑津脱脂剂FC-4360进行脱脂清洗； 第三步:物理方式预处理:将微钻或铣刀置于喷沙设备，用W5金刚石微粉喷射铣刀切削刃部，刻蚀工件表面； 第四步:使用超声波清洗机，加入丙酮和无水乙醇按照3:7的的重量比配制而成的清洗液，再次将微钻或铣刀清洗干燥； 第五步:将微钻或铣刀装入“高真空多弧靶高离化磁过滤等离子体DLC沉积设备”腔室内的专用夹具； 所述专用夹具:系固定于星形旋转挂架上的内孔等于刀柄直径的插管； 第六步:通入Ar至约IPa，加负偏压-150V~-600V，温度控制在85~200°C，电弧电流为50A~70A，将Ar电离并对工件产生离子轰击作用，去除微钻或铣刀表面微观杂质及刻蚀活化表面的作用，提高沉积结合力，时间60min ； 第七步:按体积比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，对微钻或铣刀涂层面形核，为涂层所需致密的打底层和工作层编织构架，形核时间为60min ； 第八步:按体积比2:2的比例通入N和O2，开启2个弧靶，阴极采用纯度为99.9%金属Cr靶材，沉积氮氧化铬过渡层NO2Cr,弧源电流35A，时间:4h，涂层厚度15~20 μ m ; 第九步:按体积比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、开启8个磁过滤弧源，阴极采用纯度为99.9%石墨靶材，沉积DLC涂层，弧源电流30A，时间:4h，涂层DLC厚度10~15 μ m。
【文档编号】C23C14/06GK103741099SQ201310736145
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月29日 优先权日:2013年12月29日
【发明者】陈远达, 王胜云, 何静 申请人:湖南中航超强金刚石膜高科技有限公司