专利名称：一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻及其制备方法
技术领域：
本发明涉及印刷 线路板(PCB)通孔微钻纳米复合涂层领域，特别涉及到一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻及其制备方法。
背景技术：
随着全球信息技术(IT)硬件制造产业向国内的转移，中国已成为IT硬件核心组件印制电路板(PCB)的全球化制造基地。毎年消耗量达数十亿支的PCB导通用微钻的品质成为PCB制造技术革新的核心问题。随着PCB产业的发展，微钻转速趋高(20万转/分钟)、小孔径通孔密度増加、线路板层数增多、难加工无卤素PCB板大量采用，使微钻通孔加工的条件更加苛刻，需要对微钻的性能进行改迸。并且随着移动电话、笔记本式电脑等产品的印制电路板(PCB)上安装元件的小型化，不但推动了印制电路板小型化的发展，而且对于印制电路板的电路图形精细也起到促进作用。PCB的孔径越来越小，布线密度越来越密，加工速度越来越快，这样对硬质合金微加工工具和加工精度提出了更高的要求，因为在钻削这种微孔吋，Φ0. Imm-ΦO. 4mm的微孔钻头磨损、折断对微孔的加工质量、加工效率、废品率、加工成本等都有较大的影响。一般而言，与传统的刀具涂层类似，利用PVD或CVD技术对微钻进行表面涂覆类金刚石(DLC)、过渡金属氮化物、碳化物等硬质涂层可能是提高其使役寿命和加工性能的有效方法。但是，和传统大尺寸钻头或刀具相比，微钻直径小至O. 1mm，使用过程中产生的微曲变形和振动使表面的脆性涂层产生微裂纹，尺寸细小的合金微钻对表面裂纹极为敏感，加工过程中容易发生脆断。微钻是否会发生断钻与微钻的排屑能力有非常密切的关系，光洁性高、和被切削材料亲和性低的涂层具有低的摩擦系数，有利于排屑能力的提高。为了克服微钻在使用过程中产生的上述问题，开发一种复合镀层越来越重要，因为复合金属镀层是ー种高硬度、高塑性、低磨损率、耐高温、抗氧化的纳米梯度复合镀层，镀层微钻的使用寿命可以提高原使用寿命的数倍，可节约成本，而且还可大量节省原材料和人力，具有明显的经济效益，故该镀层エ艺在PCB微钻上有较大的推广应用前景。本发明就针对通孔微钻的切削特点设计了ー种韧性好、硬度高、摩擦系数小的高性能氮化锆(ZrN)/类金刚石(DLC)复合的双相涂层。ZrN的硬度在1600-2200HV之间，韧性好，热膨胀系数为7. 2X10_6/K，弾性模量为510kN/mm2。热膨胀系数及弹性模量与PCB通孔微钻基体接近，热匹配性、化学匹配性好，但单ー ZrN涂层硬度较低。设计ZrN/DLC两相纳米复合涂层，通过固溶強化、纳米强化和复相强化，可以使复合涂层硬度和韧性显著提高，而涂层中DLC相的存在可以大大降低涂层的摩擦系数，提高刀具排屑性能，降低切削力。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的上述缺陷，通过选择合适的涂层材料以及沉积方法来提高微钻的使用寿命以及改善其各个方面的使用性能，从而一方面为印刷电路板的制造节省成本，提高经济效益，另ー方面为印制电路板小型化、精细化的发展起到很好的促进作用。本发明通过对ZrN和DLC进行复合设计，利用界面強化、固溶強化、双相強化和纳米強化，获得ー种结合力强、硬度高、韧性好、摩擦系数低以及使用寿命高的PCB通孔微钻用复合涂层。
为实现本发明的以上目的，本发明通过以下技术方案实现
一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻，所述印刷电路板微钻的基体为硬质合金，其表面上沉积有作为内层和外层的双层复合结构，所述内层为过渡层，所述过度层的材料为ZrN，其厚度为O. 1-0. 5微米；所述外层为复合层，所述复合层的材料为ZrN/DLC，其厚度为O. 5-5微米。本发明制备方法的技术方案是一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻的制备方法，具有以下步骤(I)对所述印刷线路板微钻的硬质合金基体表面进行清洗，将其温度设为100-200°C，采用离子镀技术在所述硬质合金基体表面上沉积材料为ZrN的过渡层，在采用离子镀沉积ZrN过渡层时采用纯Zr靶，电弧电流为40-100A，引入气体为Ar和N2, Ar流量为20-100ml/min，N2流量为100-600ml/min，采用脉冲负偏压，偏压占空比为30-80%，偏压峰值为500V-1500V ;(2)在上一步得到的所述过渡层上采用非対称双极磁控溅射技术沉积材料为ZrN/DLC的复合层，非対称双极磁控溅射沉积ZrN/DLC复合层采用纯Zr靶和纯石墨靶，分别接溅射电源的双极，Zr靶功率为10-60kW，石墨靶功率为l_5kW，引入气体为Ar和N2, Ar流量为20-100ml/min，N2流量为100-600ml/min，采用脉冲负偏压，负偏压占空比为30-80%，偏压峰值为100V-800V。 首先通过高脉冲偏压增强的Ar等离子体的轰击作用和金属Zr离子的注入作用强化涂层和基体之间的结合強度，然后依次采用离子镀技术沉积ZrN过渡层，通过非对称双极磁控溅射技术沉积ZrN/DLC复合层。离子镀ZrN过渡层厚度约O. 2-1微米，和硬质合金基体具有好的热匹配性、力学匹配性和化学匹配性，保证涂层和基体良好的结合强度。磁控溅射ZrN/DLC复合层厚度约1-6微米，硬度高，摩擦系数O. 1-0. 3，具有良好的耐磨性和排屑性能。涂层厚度、复合层中ZrN相和DLC相的组成比例可根据使役要求调制。所获得的复合涂层的膜/基结合强度达80-100N，IOg载荷下表面复合硬度达30-40GPa，和GCrl5配副摩擦系数为O. 1-0. 3。本发明的有益效果是镀有本发明涂层的微钻，在其加工PCB的过程中，不但可以大幅降低微钻容易断裂的问题，同时可以大幅提高微钻的工作寿命，进而提高加工效率。同时由于微钻表面的涂层具有良好的韧性和耐磨性能，以及较低的摩擦系数，可以大幅提高加工出导通孔的表面光洁度，提高产品质量，从而节省成本和提高价值。综上所述，本发明的微钻涂层及其沉积方法使用于PCB微钻中不仅具有良好的耐磨性和排屑性能，其与基体的结合力强，并且所述复合涂层硬度高、韧性好、摩擦系数低，从而使得微钻使用寿命延长，降低生产成本，易于实现エ业生产并且具有非常好的エ业应用前景。
图I为本发明硬质合金基体纳米复合涂层的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图以及具体实施例来对本发明进行详细说明。图I示出了本发明的硬质合金基体纳米复合涂层的结构，从图I中可以看出，在硬质合金基体c上依次沉积有两层涂层，内层b为过渡层，该过渡层的材料为ZrN，其厚度可以为O. 1-0. 5微米，外层a为复合层，该复合层的材料为ZrN/DLC，其厚度为O. 5_5微米。从下述的几个实施例中可以看出过渡层ZrN与硬质合金基体具有良好的热匹配性、力学匹配性和化学匹配性，保证涂层和基体良好的结合强度。采用非対称双极磁控溅射的ZrN/DLC复合层厚度也可以约为1-6微米，此厚度的复合层硬度高，摩擦系数较低为O. 1-0. 3，并且具 有良好的耐磨性和排屑性能。涂层厚度、复合层中ZrN相和DLC相的组成比例可根据使用要求调制。依照本发明的下述方法所获得的复合涂层的膜/基结合强度能达80-100N，IOg载荷下表面复合硬度达30-40GPa，并且GCrl5配副摩擦系数为O. 1-0. 3。以下为制备涂层的具体实施例。实施例一
首先取硬质合金基体标准测试样为O. 3mm的微钻，将该微钻经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后进行沉积涂层。先将硬质合金基体(即待沉积涂层的微钻)设定温度在150°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。基体脉冲偏压频率为ΙΟΟΚΗζ、偏压峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打开离子镀Zr靶，电弧电流设为80A，Zr离子从Zr靶上蒸发出来，对硬质合金基体进行轰击清洗Imin ;然后将脉冲偏压调至峰值-500V、占空比30%，Ar流量20ml/min，N2流量100ml/min，并且维持离子镀Zr靶电流40A，此阶段Zr离子与氮气反应生成ZrN，从而在硬质合金基体上沉积ZrN的过渡层，镀ZrN 5min ;然后关闭离子镀Zr靶，脉冲偏压调至峰值-100V、Ar和N2流量不变，开启非対称双极磁控溅射电源，溅射Zr靶功率10kW，石墨靶功率lkW，镀ZrN/DLC 50min。镀膜停止后冷却Ih后取样。对制备的试样进行测试，得到的测试结果为=ZrN的过渡层的厚度为O. I μ m，ZrN/DLC复合层的厚度为I. 7μπι，划痕结合力95N，10g载荷下表面复合硬度38GPa，摩擦系数O. 22。和未涂覆本发明的涂层微钻相比，钻孔质量不降低，并且制得的微钻寿命提高5倍。实施例ニ
取硬质合金标准测试样为O. 4_微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后进行沉积涂层。硬质合金基体温度设为200°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。硬质合金基体脉冲偏压频率为ΙΟΟΚΗζ、偏压峰值-1200V、占空比50%41'流量1001111/1^11，打开离子镀21'靶，电弧电流80A, Zr离子从Zr祀上蒸发出来,对硬质合金基体进行轰击清洗Imin ;然后脉冲偏压调至峰值-750V、占空比50%，Ar流量40ml/min，N2流量200ml/min，维持离子镀Zr靶电流60A，此阶段Zr离子与氮气反应生成ZrN，从而在硬质合金基体上沉积ZrN的过渡层，镀ZrN 5min ;之后关闭离子镀Zr靶，脉冲偏压调至峰值_300V、Ar和N2的流量不变，开启非对称双极磁控溅射电源，Zr靶功率维持20kW，开溅射石墨靶功率2kW，镀ZrN/DLC 70min。镀膜停止后冷却Ih后取样。得到的测试结果为ZrN的过渡层的厚度为O. 3 μ m，ZrN/DLC复合层的厚度为2. 2 μ m，划痕结合力90N，IOg载荷下表面复合硬度40GPa，摩擦系数O. 27。微钻寿命提高4. 5倍，和未涂覆微钻相比，钻孔质量不降低。实施例三
取硬质合金标准测试样为O. 15mm的微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后沉积涂层。硬质合金基体温度设150°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。基体脉冲偏压频率40KHz、偏压峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打开离子镀Zr靶，电弧电流80A, Zr离子从Zr靶上蒸发出来，对硬质合金基体进行轰击清洗Imin ;脉冲偏压调至峰值-1000V、占空比60%, Ar流量60ml/min,N2流量500ml/min,维持离子镀Zr祀电流80A,此阶段Zr离子与氮气反应生成ZrN，从而在硬质合金基体上沉积ZrN的过渡层，镀ZrN 5 min ；关闭离子镀Zr靶，脉冲偏压调至峰值-500V、Ar和N2流量不变，开启非対称双极磁控溅射电源，Zr靶功率调制30kW，开溅射石墨靶功率3kW，镀ZrN/DLC 50min。镀膜停止后冷却Ih后取样。得到的测试结果为=ZrN的过渡层的厚度为O. 4 μ m，ZrN/DLC复合层的厚度为3. 2 μ m，划痕结合力82N，IOg载荷下表面复合硬度34GPa，摩擦系数O. 14。微钻寿命提4倍，和未涂覆微钻相比，钻孔质量不降低。实施例四
取硬质合金标准测试样为O. 3mm的微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后沉积涂层。基体温度100°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。基体脉冲偏压频率100kHz、峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打开离子镀Zr靶，电弧电流80A，轰击清洗Imin ；脉冲偏压调至峰值-1500V、占空比80%，Ar流量100ml/min，N2流量600ml/min，维持离子镀Zr靶电流100A，镀ZrN 5min ;关闭离子镀Zr靶，保持偏压、Ar和N2流量不变，开启非対称双极磁控溅射电源，Zr靶功率维持60kW，开溅射石墨靶功率5kW，镀ZrN/DLC 50min。镀膜停止后冷却Ih后取样。得到的测试结果为ZrN的过渡层的厚度为O. 5 μ m，ZrN/DLC复合层的厚度为4. 8 μ m，划痕结合力80N，IOg载荷下表面复合硬度31Gpa，摩擦系数O. 2。微钻寿命提高3. 2倍，和未涂覆微钻相比，钻孔质量不降低。通过上述具体实施例可知，
为了突出本发明的上述具有纳米复合涂层的微钻的技术效果，还提供了比较例进行对比，通过对比可以看出本发明能够很好地提供微钻的使用寿命，具有很好的技术效果。比较例ー
取硬质合金标准测试样及O. 3mm微钻，经除油、有机清洗、漂洗及等离子清洗后沉积涂层。硬质合金基体温度设为150°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。基体脉冲偏压频率ΙΟΟΚΗζ、偏压峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打开离子镀Zr靶，电弧电流80A，轰击清洗Imin ;脉冲偏压调至峰值-500V、占空比60%，Ar流量100ml/min，N2流量500ml/min,维持离子镀Zr靶电流80A，镀ZrN 5min ;关闭离子镀Zr靶，保持偏压、Ar和N2流量不变，开启非対称双极磁控溅射电源，溅射Zr靶功率40kW，石墨靶功率OkW，镀ZrN 50min。镀膜停止后冷却Ih后取样。标准试样涂层厚度2 μ m，划痕结合力95N，IOg载荷下表面复合硬度21Gpa，摩擦系数O. 4。微钻寿命无提高。比较例ニ
取硬质合金标准测试样为O. 3mm的微钻，经除油、除锈、有机清洗和漂洗及等离子清洗后沉积涂层。基体温度150°C，沉积エ艺设定后由エ控机控制。基体脉冲偏压频率ΙΟΟΚΗζ、峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打开离子镀Zr靶，电弧电流80A，轰击清洗Imin ;脉冲偏压调至峰值-500V、占空比60%, Ar流量100ml/min,N2流量500ml/min,维持离子镀Zr靶电流80A，镀ZrN 5min ;关闭离子镀Zr靶，保持偏压、Ar不变，关闭N2,开启非对称双极磁控溅射电源，双靶均为石墨靶材，两石墨靶功率均为2kW，镀DLC 55min ;镀膜停止后冷却Ih后取样。标准试样涂层厚度O. 2 μ m，划痕结合力25N，摩擦系数O. I。微钻寿命提|ρΓ| 30%。从上述两个比较例中可以看出，在与本发明实施例相同的条件下，如果内层和外层都是沉积ZrN，此种情况下得到的微钻，使用寿命没有任何提高；如果内层沉积ZrN，而外层仅仅沉积DLC层，微钻的寿命有所提高，也即提高了 I. 3倍，但是与本发明的上述实施例一至相比，寿命提高也是不明显的。 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内的任何修改。等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护之内本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
权利要求
1.一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻，其特征在干所述印刷电路板微钻的基体为硬质合金，其表面上沉积有作为内层和外层的双层复合结构，所述内层为过渡层，所述过度层的材料为ZrN，其厚度为O. 1-0. 5微米；所述外层为复合层，所述复合层的材料为ZrN/DLC，其厚度为O. 5-5微米。
2.一种如权利要求I所述的硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻的制备方法，其特征在于具有以下步骤(1)对所述印刷线路板微钻的硬质合金基体表面进行清洗，将其温度设为100-200°C，采用离子镀技术在所述硬质合金基体表面上沉积材料为ZrN的过渡层，在采用离子镀沉积ZrN过渡层时采用纯Zr靶，电弧电流为40-100A，引入气体为Ar和N2, Ar流量为20-100ml/min，N2流量为100-600ml/min，采用脉冲负偏压，偏压占空比为30-80%，偏压峰值为500V-1500V ;(2)在上一步得到的所述过渡层上采用非対称双极磁控溅射技术沉积材料为ZrN/DLC的复合层，非対称双极磁控溅射沉积ZrN/DLC复合层采用纯Zr靶和纯石墨靶，分别接溅射电源的双极，Zr靶功率为10-60kW，石墨靶功率为l_5kW，引入气体为Ar和N2, Ar流量为20-100ml/min，N2流量为100-600ml/min，采用脉冲负偏压，负偏压占空比为30-80%，偏压峰值为100V-800V。
全文摘要
本发明公开了一种硬质合金基体纳米复合涂层印刷线路板微钻及其制备方法，采用离子镀技术和非对称双极磁控溅射在硬质合金基体上分别沉积内层和外层，所述内层为ZrN过渡层，其与硬质合金基体结合具有很好的热学、力学和化学匹配性，保证ZrN过渡层和基体良好的结合强度；所述外层为ZrN/DLC复合层，其具有高硬度、强韧性和低摩擦系数的特点。由内层和外层构成的复合涂层的膜/基结合强度达80-100N，10g载荷下表面复合硬度达30-40GPa，摩擦系数为0.1-0.3。本发明通过对ZrN和DLC进行复合设计，利用界面强化、固溶强化、双相强化和纳米强化，获得一种具有结合力强、硬度高、韧性好、摩擦系数低的复合涂层的PCB微钻。
文档编号C23C14/34GK102825305SQ201210346340
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者黄仕江 申请人:上海壳瑞微材料科技有限公司