一种微型钻头和微型钻头的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种微型钻头，所述微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括：打底层，过渡层和核心层，其中，打底层的材料为Me,过渡层的材料为MeN,核心层的材料为MeAlN,所述Me为Ti、Cr、Zr、Hf或V中的一种或几种。经过发明人研究发现，通过在硬质合金微型钻头的钻身表面沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的打底层，过渡层和核心层，可以保证微钻在高速加工普通FR-4、无卤素、HTG、柔性板以及封装基板等PCB材料时，既能大大减少断针率，钻头的耐磨性能更好，使用寿命更长，同时可保证钻孔质量，大幅度提升PCB的加工效率，降低生产成本。
【专利说明】一种微型钻头和微型钻头的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钻头领域，更具体的说，涉及一种微型钻头和微型钻头的制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对电子产品向轻薄化的需求，以及IC功能集成化要求的提高，对印制电 路板（PCB)的要求也同时提高。对PCB机械钻孔而言，需要更加细小的孔，孔的密度也会大 幅度增加，这样对微型钻头的要求也会更高，要求微型钻头在小直径的情况下，也拥有较好 的机械强度和耐磨性等性能。
[0003] 而通常使用的PCB微型钻头中，微型钻头的磨损较大，寿命较短，所以需要一种微 型钻头，具有更好的耐磨性能，较长的使用寿命。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种耐磨性能更好、使用寿命更长的微型钻头 和微型钻头的制造方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] -种微型钻头，所述微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括：
[0007] 打底层，过渡层和核心层，其中，
[0008] 打底层的材料为Me,
[0009] 过渡层的材料为MeN,
[0010] 核心层的材料为MeAlN,
[0011] 所述Me为Ti、Cr、Zr、Hf或V中的一种或几种。
[0012] 进一步的，所述涂层包括覆盖在核心层上的顶层，所述顶层的材料为MeAlSiN。经 发明研究发现，在核心层上覆盖顶层可以进一步的大幅度提高微型钻头的硬度和使用寿 命，使微型钻头更加耐磨。
[0013] 进一步的，所述Me为Ti。经发明人研究发现，使用Ti时，微型钻头的耐磨效果，机 械强度等各方面的性能最为优良，并且方便生产加工，有利于大规模生产。
[0014] 进一步的，所述核心层中，铝原子的原子百分比为0.45彡AV(Al+Ti)彡0.70。经 发明人研究发现，铝原子的原子百分比为〇. 45彡AV(Al+Ti)彡0. 70时，钻头的耐磨性能 最好，使用寿命更长。
[0015] 进一步的，所述Me为Ti,所述顶层中，娃原子的原子百分比为0. 03彡Si/ (Al+Ti+Si)彡0· 15。经发明人研究发现，硅原子的原子百分比为0· 03彡Si/ (Al+Ti+Si) < 0. 15,钻头的耐磨性能最好，使用寿命更长。
[0016] 进一步的，所述打底层的厚度为10至100纳米，所述过渡层的厚度为80至300纳 米，所述核心层的厚度为1. 5至3微米，所述顶层的厚度为0. 5至I. 0微米。经发明人研 究发现，打底层的厚度为10至100纳米，过渡层的厚度为80至300纳米，核心层的厚度为 1. 5至3微米，顶层的厚度为0. 5至I. 0微米时，这时不仅钻头的耐磨性能非常好，而且可 以节省材料，控制制造成本。
[0017] 一种微型钻头，所述微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括：
[0018] 打底层、过渡层、核心层和顶层，其中，
[0019] 打底层的材料为Me，
[0020] 过渡层的材料为MeN,
[0021] 核心层的材料为MeAlN,
[0022] 顶层的材料为MeAlSiN,
[0023] 所述Me为Ti、Cr、Zr、Hf或V中的一种或几种。
[0024] 经发明研究发现，在核心层上覆盖顶层可以进一步的大幅度提高微型钻头的硬度 和使用寿命，使微型钻头更加耐磨。
[0025] 一种微型钻头的制造方法，包括以下步骤，
[0026] Sl，清洗微型钻头的硬质合金基体；
[0027] S2,将清洗完成的微型钻头装入加热炉内，将炉内温度设定为300至500°C进行加 热烘烤；
[0028] S3,开启金属Me靶弧电源，采用脉冲偏压增强的Me等离子体对微型钻头的硬质 合金基体进行刻蚀，Me靶电流50至100A，脉冲负偏压峰值-800至-1000V，占空比10%至 30% ；
[0029] S4,采用电弧离子镀技术在精密微型钻头的表面沉积Me金属形成打底层，弧电流 50至100A，脉冲偏压峰值-100至-300,占空比10%至30% ;
[0030] S5,通入氩、氮气混合气体，采用电弧离子镀技术在所述打底层上面沉积MeN形 成过渡层，所用祀材为纯金属Me祀材，氦气体流量15至30sccm，氮气流量45至IOOsccm, 弧电流50至10(^，脉冲偏压峰值-100至-300￥，占空比30%至50% ;
[0031] S6,采用直流磁控溅射技术在所述过渡层上沉积MeAlN形成核心层，Me靶电流5 至ΙΟΑ,ΑΙ祀电流2. 5至6. 0A，离子源功率I. 0至3. OKw,氦气体流量15至30sccm，氮气气 体流量65至1008(：〇11，脉冲负偏压峰值-50至-200￥，占空比30%至50% ;
[0032] 所述 Me 为 Ti、Cr、Zr、Hf 或 V。
[0033] 本发明首先采用阴极电弧产生的Me等离子体在高脉冲偏压条件下对微型钻头表 面进行离子刻蚀。金属离子束刻蚀的优点是能量很高，克服了常规辉光放电偏压清洗能力 弱的缺点，能够彻底清除硬质合金基材表面杂质，活化表面，显著提高膜层与基材的界面结 合力。
[0034] 本发明采用阴极电弧技术与磁控溅射技术沉积Me/MeN/MeAlN/MeAliN涂层。采用 阴极电弧技术沉积金属Me打底层与MeN过渡层，主要是利用了阴极电弧离子镀离化率高的 特点，能够进一步提高涂层与硬质合金基材的结合力；利用磁控溅射沉积核心层MeAlN与 顶层MeAlSiN，主要是利用磁控溅射技术沉积的涂层表面光滑的优势，克服了阴极电弧技术 沉积涂层表面"液滴"的缺陷，能够适用于微型钻头。
[0035] 通过本发明提供的方法制备的Me/MeN/MeAlN/MeAlSiN多层复合涂层，纳米硬度 可达43GPa，与硬质合金基材的结合力高达80N以上，摩擦系数可低至0. 26。涂覆有该涂层 的微型钻头，加工普通PCB板材时，寿命提升2-3倍。
[0036] 进一步的，在步骤S6完成后包括步骤S7,采用磁控溅射技术在所述核心层上沉积 MeAlSiN形成顶层，Me靶电流5至10A，中频AlSi合金靶电流2. 5至10. 0A，离子源功率I. O 至3. OKw，氩、氮气气体流量保持不变，脉冲负偏压峰值-50至-200V，占空比30%至50%。
[0037] 进一步的，其特征在于，所述Me为Ti。
[0038] 本发明由于微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括：打底层，过渡层和核心 层，其中，打底层的材料为Me，过渡层的材料为MeN，核心层的材料为MeAlN，Me为Ti、Cr、 Zr、Hf或V中的一种或几种。经过发明人研究发现，通过在硬质合金微型钻头的钻身表面 沉积出硬度高、摩擦系数低、结合力好、耐高温性好的打底层，过渡层和核心层，可以保证微 钻在高速加工普通FR-4、无卤素、HTG、柔性板以及封装基板等PCB材料时，既能大大减少 断针率，并且微钻的硬度可达43GPa，与硬质合金基材的结合力高达80N以上，摩擦系数可 低至0. 26,涂覆有该涂层的微型钻头，加工普通PCB板材时能将微钻的使用寿命提高至2至 3倍，钻头的耐磨性能更好，使用寿命更长，同时可保证钻孔质量，大幅度提升PCB的加工效 率,降低生产成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1是本发明实施例的微型钻头的整体示意图；
[0040] 图2是图1中的A视图；
[0041] 图3是本发明实施例微型钻头的涂层示意图；
[0042] 图4是本发明实施例微型钻头制造流程。
[0043] 其中：1、排屑槽，2、磨背，3、导棱，4、切屑刃，5、后刀面，6、硬质合金基体，7、打底 层，8、过渡层，9、核心层，10、顶层。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。
[0045] 如图1至图3所示，微型钻头包括硬质合金基体6，硬质合金基体6上覆盖有涂层， 涂层包括打底层7,打底层7上覆盖有过渡层8,过渡层8上覆盖有核心层9。
[0046] 纯金属Me打底层7的厚度10?lOOnm，金属氮化物MeN过渡层8的厚度80至 30〇11111，]^六以核心层9的厚度1.5至3.(^111。其中]^代表11、0、21'、￥、!^中的一种或几 种元素，核心层9中Al含量满足0· 45 < AV (Al+Ti) < 0· 70。
[0047] 微型钻头包括后刀面5、排屑槽1和后刀面5与排屑槽1之间的切屑刃4,微型钻 头还包括与排屑槽1共同延伸的磨背2,所述磨背2与排屑槽1之间设有导棱3,所述涂层 覆盖所述后刀面5、排屑槽1、切屑刃4、磨背2和导棱3。在加工的工程中，后刀面5、排屑 槽1、切屑刃4、磨背2和导棱3都会与工件接触，在这些与工件接触的部分上制造涂层，可 以使刀具受力均匀，摩擦均匀，从而提高刀具的使用寿命，并且节省成本。
[0048] 以下以Me为Ti为例进行说明。
[0049] 实施例一：
[0050] 取钻径为0. 20、0. 30与0. 40mm的PCB加工用微钻，对它们进行除油、有机清洗、漂 洗并烘干后入炉，加热300°C烘烤30min。
[0051] 按照下表1工艺进行加工，
[0052] 其中核心层 9 (TiAlN 层）中 AV (Al+Ti) = 0· 45，
[0053] Ti打底层7厚度20nm，TiN过渡层8厚度80nm，TiAlN核心层9厚度2· 13 μ m，
[0054] 表 I :
[0055]
【权利要求】
1. 一种微型钻头，其特征在于，所述微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括： 打底层，过渡层和核心层，其中， 打底层的材料为Me， 过渡层的材料为MeN， 核心层的材料为MeAlN， 所述Me为Ti、Cr、Zr、Hf或V中的一种或几种。
2. 根据权利要求1所述的一种微型钻头，其特征在于，所述涂层包括覆盖在核心层上 的顶层，所述顶层的材料为MeAlSiN。
3. 根据权利要求1所述的一种微型钻头，其特征在于，所述Me为Ti。
4. 根据权利要求3所述的一种微型钻头，其特征在于，所述核心层中，铝原子的原子百 分比为 〇? 45 彡 AV(A1+Ti)彡 0? 70。
5. 根据权利要求2所述的一种微型钻头，其特征在于，所述Me为Ti，所述顶层中，硅原 子的原子百分比为〇? 03彡SV(A1+Ti+Si)彡0? 15。
6. 根据权利要求2所述的一种微型钻头，其特征在于，所述打底层的厚度为10至100 纳米，所述过渡层的厚度为80至300纳米，所述核心层的厚度为1. 5至3微米，所述顶层 的厚度为〇. 5至1. 0微米。
7. -种微型钻头，其特征在于，所述微型钻头包括涂层，所述涂层由内向外包括： 打底层、过渡层、核心层和顶层，其中， 打底层的材料为Me， 过渡层的材料为MeN， 核心层的材料为MeAlN， 顶层的材料为MeAlSiN， 所述Me为Ti、Cr、Zr、Hf或V中的一种或几种。
8. -种如权利要求1所述的微型钻头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤， S1，清洗微型钻头的硬质合金基体； 52, 将清洗完成的微型钻头装入加热炉内，将炉内温度设定为300至500°C进行加热烘 烤； 53, 开启金属Me靶弧电源，采用脉冲偏压增强的Me等离子体对微型钻头的硬质合金基 体进行刻蚀，Me靶电流50至100A，脉冲负偏压峰值-800至-1000V，占空比10%至30% ; 54, 采用电弧离子镀技术在硬质合金基体的表面沉积Me金属形成打底层，弧电流50至 100A，脉冲偏压峰值-100至-300,占空比10%至30% ; 55, 通入氩、氮气混合气体，采用电弧离子镀技术在所述打底层上面沉积MeN形成过渡 层，所用祀材为纯金属Me祀材，氦气体流量15至30sccm，氮气流量45至lOOsccm，弧电流 50至10(^，脉冲偏压峰值-100至-300￥，占空比30%至50%; 56, 采用直流磁控溅射技术在所述过渡层上沉积MeAlN形成核心层，Me靶电流5至 10A，A1靶电流2. 5至6. 0A，离子源功率1. 0至3. OKw，氩气体流量15至30sccm，氮气气体 流量65至1008(：〇11，脉冲负偏压峰值-50至-200￥，占空比30%至50%; 所述 Me 为 Ti、Cr、Zr、Hf 或 V。
9. 根据权利要求8所述的一种微型钻头的制造方法，其特征在于，在步骤S6完成后包 括步骤S7,采用磁控溅射技术在所述核心层上沉积MeAlSiN形成顶层，Me靶电流5至10A， 中频AlSi合金靶电流2. 5至10. 0A，离子源功率1. 0至3. OKw，氩、氮气气体流量保持不变， 脉冲负偏压峰值-50至-200V，占空比30 %至50 %。
10.根据权利要求8所述的一种微型钻头的制造方法，其特征在于，所述Me为Ti。
【文档编号】C23C14/35GK104384573SQ201410564087
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月21日 优先权日:2014年10月21日
【发明者】张贺勇, 陈成, 屈建国 申请人:深圳市金洲精工科技股份有限公司