硬質與超硬涂層在印制電路板微型刀具上的應用（一）——硬質HAC涂層在微鉆上的應用

張賀勇 陳 成 駱金龍 羅春峰 付連宇

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

1 前言

印制電路板（PCB）材料是一種由金屬、合成樹脂和玻璃纖維組成的層狀復合材料。這種復合材料對硬質合金加工工具的磨損性較強。隨著歐盟RoHS指令的實施，無鹵和無鉛環(huán)保PCB板應運而生，這種硬而脆的PCB板材對微型鉆頭的磨損更加嚴重，使微鉆的壽命大約降低30%[1]。與此同時，移動電話、平板電腦等智能通訊終端產品的PCB上安裝元件的小型化，推動了PCB小型化的發(fā)展，使得PCB的孔徑越來越?。é?.1 mm），布線密度越來越密（L/S≤0.1 mm/0.1 mm），微鉆加工速度越來越快[2]。因此，對于PCB機械鉆孔而言，所面臨的是以無鹵素基材為代表的難鉆削材料的引進和PCB單位面積小孔徑通孔密度增加以及線路板層數遞增等多重嚴酷的挑戰(zhàn)。

針對這種狀況，國內外學者和業(yè)內外人士通過提高微鉆材料的綜合力學性能、改進微鉆的結構設計或者通過微鉆表面強化等方式來提高微鉆的使用性能。其中，通過氣相沉積的方法在微鉆表面沉積高硬度、耐磨性好、耐腐蝕、摩擦系數低的涂層技術是一項最有前景的技術。已有的研究表明，涂覆有金剛石涂層的微鉆在加工PCB板時，可以數倍甚至數十倍地提高PCB微鉆的壽命[3]，但由于目前金剛石涂層微鉆的生產成本較高，在普通PCB板加工領域并沒有得到廣泛的應用。種艷琳[4][5]、何天祿[6]等人先后采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術，開發(fā)出用于PCB微鉆的CrAlTiN涂層，可以提高微鉆3倍的使用壽命。但是由于磁控濺射技術金屬離子的離化率較低，涂層與基材的結合強度很難達到微鉆的使用要求。

針對上述問題，深圳金洲精工公司根據PCB微鉆的工作特點，開發(fā)出一種硬度高達38 GPa、摩擦系數低至0.255的多層復合硬質HAC涂層，并摸索和開發(fā)出有針對性的微鉆涂層沉積工藝，合理的避免和改善了上述的不足。

以下通過物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）方法，在PCB微鉆上沉積硬質HAC涂層，對涂層的力學性能進行了研究，并進行了硬質HAC涂層微鉆與未涂層微鉆對比加工測試，分析了鉆孔后的刀面磨損情況和微鉆的使用壽命。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

實驗鉆孔測試用PCB微鉆為深圳金洲精工公司生產的UC型微鉆，全長l=38.1 mm，柄徑d=3.175 mm，鉆徑φ=0.30 mm，槽長L=5.0 mm。實驗微鉆采用超細晶粒硬質合金材料制作。

2.2 涂層樣品制作

涂層沉積設備為改進的適用于微型鉆頭涂層生產的PVD設備。涂層樣品制作流程如圖1。

圖1

2.3 涂層樣品測試分析方法

實驗采用瑞士CSM公司CPX平臺NHT2-NST型微納米力學測試系統(tǒng)測量涂層的納米硬度、楊氏彈性模量以及涂層與基材的結合力。為了獲得涂層的硬度與彈性模量隨壓入深度的變化，硬度測試時采用連續(xù)多循環(huán)加載模式（Continuous Multi Cycle,CMC）。壓痕初始載荷0.1 mN，最大載荷30 mN，單點20次循環(huán)，采集頻率10 Hz。劃痕實驗采用直徑10 μm的金剛石劃針進行線性加載，初始載荷5 mN，最大載荷500 mN，加載速率990 mN/min，劃痕速率1 mm/min。

采用旋轉式摩擦磨損實驗機測量硬質HAC涂層的摩擦系數。摩擦副是直徑φ6mm的Al2O3陶瓷球，加載載荷w=101g，摩擦測試時間10min，旋轉半徑r=2.5 mm，旋轉速度v=120 r/min。測試溫度25±2℃，環(huán)境濕度45%±2%。

采用日本電子JSM-6701F場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析涂層截面形貌以及鉆頭后刀面磨損情況。

采用HITACHI ND-6Y220E型16萬轉速鉆機進行鉆孔加工，測試涂層鉆頭的耐磨性能，實驗選取相同型號規(guī)格的未涂層鉆頭進行對比測試，實驗條件如表1所示。

表1 鉆孔測試實驗條件

3 硬質HAC涂層力學性能測試

3.1 硬質HAC涂層截面形貌

圖2是硬質HAC涂層截面形貌的SEM圖片。從圖中可知，硬質HAC涂層組織細小、致密，無明顯晶界、微裂紋、針孔等缺陷；涂層與硬質合金基材無明顯的分界面，涂層和基體之間具有良好的結合力。

圖2 硬質HAC涂層截面形貌

3.2 硬質HAC涂層硬度與彈性模量

圖3是硬質HAC涂層的硬度與彈性模量隨著壓頭壓入深度的變化曲線。從圖中可知，隨著壓入深度的增加，涂層的納米硬度逐漸增大，當壓入深度約為54 nm時，涂層硬度達到最大值38.9 GPa，此值就是硬質HAC涂層的硬度值；隨著壓入深度繼續(xù)增加時，壓痕響應由于受到襯底的影響，由此造成了硬度的下降。涂層的彈性模量出現了與納米硬度相似的變化曲線，彈性模量在壓入深度為42 nm時達到最大值516.8 GPa，此值即為硬質HAC涂層的彈性模量。

圖3 硬質HAC涂層的納米硬度與彈性模量隨壓入深度的變化曲線

3.3 硬質HAC涂層與硬質合金基體的結合強度

圖4是硬質HAC涂層與硬質合金基材的結合力測試結果。由圖示的曲線可知，在劃痕測試過程中，隨著正向載荷的增加，摩擦力與摩擦系數逐漸增大，但是并沒有出現突變，同時聲發(fā)射信號也沒有出現波動，這說明涂層與基材結合力很好，沒有出現涂層剝落的現象，這一點在劃痕形貌中得以證實，劃痕形貌中未見涂層脫落的情況。

圖4 硬質HAC涂層與基材的結合力測試結果

3.4 硬質HAC涂層摩擦系數

實驗采用旋轉式摩擦磨損實驗機測量硬質HAC涂層的摩擦系數。取摩擦平穩(wěn)時的摩擦應變ε=7.5，經公式摩擦力f = 3.44ε與摩擦系數μ= f/w計算得到硬質HAC涂層的摩擦系數μ= 0.255；采用同樣方法測得硬質合金基材的摩擦系數為0.44，結果見圖5。與硬質合金相比，硬質HAC涂層的摩擦系數降低了42 %以上。

圖5 硬質HAC涂層與硬質合金摩擦系數

4 硬質HAC涂層在PCB微鉆中的應用

4.1 硬質HAC涂層微鉆磨損性能

圖6為未涂層微鉆與硬質HAC涂層微鉆加工2 000孔的后刀面磨損照片。從磨損圖來看，未涂層微鉆加工2 000孔后，后刀面磨損十分嚴重，幾乎只剩下三角形形狀；而硬質HAC涂層微鉆，在加工2 000孔后，后刀面磨損十分輕微，后刀面及槽內未見涂層脫落現象。

圖6 微鉆加工2000孔磨損SEM圖

圖7為硬質HAC涂層微鉆加工4 000孔與8 000孔后的后刀面磨損照片?？梢钥闯觯操|HAC涂層微鉆在加工4 000孔后，后刀面的磨損任然很小，即使是在加工8 000孔后，雖然微鉆后刀面有一定的磨損，但是仍然保持著完整連續(xù)的保護涂層。在后刀面與槽內仍然沒有涂層脫落現象。這說明硬質HAC涂層不僅有著很高的耐磨損性能，而且其與微鉆基材有著十分優(yōu)異結合性能。

圖7 硬質HAC涂層微鉆加工

4.2 硬質HAC涂層微鉆加工壽命

圖8為未涂層微鉆和硬質HAC涂層微鉆的鉆孔加工總壽命結果。結果顯示，未涂層微鉆加工生益S1155無鹵素板材時，鉆頭總壽命為7 900孔，而相同型號規(guī)格的硬質HAC涂層微鉆，在相同的加工條件下，其總壽命高達22 500孔，總壽命提高到原來的2.8倍。

圖8 未涂層微鉆與硬質HAC涂層微鉆加工壽命圖

出現這種現象的原因在于硬質HAC涂層的納米硬度高達38.9 GPa，而摩擦系數低至0.255，同時劃痕實驗證實了硬質HAC涂層與硬質合金基材具有良好的結合強度。鉆孔時硬質HAC涂層的高硬度保證了涂層微鉆的耐磨性，微鉆不易磨損；低摩擦系數保證微鉆鉆孔時排屑良好，排屑通道不會被阻塞，從而降低了鉆孔時的扭矩，降低了摩擦阻力；良好的涂層與基材結合強度保證涂層微鉆在鉆孔時一直處在涂層的保護下工作。上述三種因素綜合作用，從而使硬質HAC涂層微鉆表現出很好的耐磨性能，大大提升了硬質合金微型鉆頭的使用壽命。

5 結論

采用PVD方法和特定生產工藝沉積的硬質HAC涂層，組織細小、致密，無明顯晶界、微裂紋、針孔等缺陷。硬質HAC涂層的硬度高達38.9 GPa，彈性模量為516.8 GPa，摩擦系數低至0.255，涂層與硬質合金基材結合良好。在本實驗中，硬質HAC涂層鉆頭加工典型無鹵素板材時，耐磨性能遠高于未涂層鉆頭，在相同的加工條件下，硬質HAC涂層鉆頭的使用壽命是未涂層鉆頭的2.8倍，大大提升了硬質合金微型鉆頭的使用壽命，從而能夠有效地降低PCB機械加工生產的成本。

[1]陳海斌,付連宇,羅春峰. PCB用微鉆技術的趨勢研究[J]. 印制電路信息, 2008(8)：34-37.

[2]王忠林,王英章,高中濤. 印制電路板孔加工精度因素分析[J]. 印制電路信息, 2004(10)：20-24.

[3]邢文娟,王升高,陳寧,汪建華等. 微型硬質合金鉆頭上金剛石涂層研究[J].金剛石與磨料磨具工程, 2007(6)：23-30.

[4]種艷琳,蔣白靈,白力靜. 閉合場非平衡磁控濺射離子CrAlTiN鍍層在PCB用微鉆中的應用[J]. 表面技術, 2006(2)：65-68.

[5]種艷琳,李小泉. 閉合場非平衡磁控濺射離子鍍復合金屬鍍層在PCB微鉆中的應用[J]. 印制電路信息,2006(4)：35-39.

[6]何天祿,周天勇,劉成明等. 納米梯度涂層在PCB微鉆中的應用[J]. 技術與市場, 2011(8)：221-222.