專利名稱：一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆及其制備方法
技術領域：
本發明涉及印刷 線路板(PCB)通孔微鉆納米復合涂層領域，特別涉及到一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆及其制備方法。
背景技術：
隨著全球信息技術(IT)硬件制造產業向國內的轉移，中國已成為IT硬件核心組件印制電路板(PCB)的全球化制造基地。毎年消耗量達數十億支的PCB導通用微鉆的品質成為PCB制造技術革新的核心問題。隨著PCB產業的發展，微鉆轉速趨高(20萬轉/分鐘)、小孔徑通孔密度増加、線路板層數增多、難加工無鹵素PCB板大量采用，使微鉆通孔加工的條件更加苛刻，需要對微鉆的性能進行改迸。并且隨著移動電話、筆記本式電腦等產品的印制電路板(PCB)上安裝元件的小型化，不但推動了印制電路板小型化的發展，而且對于印制電路板的電路圖形精細也起到促進作用。PCB的孔徑越來越小，布線密度越來越密，加工速度越來越快，這樣對硬質合金微加工工具和加工精度提出了更高的要求，因為在鉆削這種微孔吋，Φ0. Imm-ΦO. 4mm的微孔鉆頭磨損、折斷對微孔的加工質量、加工效率、廢品率、加工成本等都有較大的影響。一般而言，與傳統的刀具涂層類似，利用PVD或CVD技術對微鉆進行表面涂覆類金剛石(DLC)、過渡金屬氮化物、碳化物等硬質涂層可能是提高其使役壽命和加工性能的有效方法。但是，和傳統大尺寸鉆頭或刀具相比，微鉆直徑小至O. 1mm，使用過程中產生的微曲變形和振動使表面的脆性涂層產生微裂紋，尺寸細小的合金微鉆對表面裂紋極為敏感，加工過程中容易發生脆斷。微鉆是否會發生斷鉆與微鉆的排屑能力有非常密切的關系，光潔性高、和被切削材料親和性低的涂層具有低的摩擦系數，有利于排屑能力的提高。為了克服微鉆在使用過程中產生的上述問題，開發一種復合鍍層越來越重要，因為復合金屬鍍層是ー種高硬度、高塑性、低磨損率、耐高溫、抗氧化的納米梯度復合鍍層，鍍層微鉆的使用壽命可以提高原使用壽命的數倍，可節約成本，而且還可大量節省原材料和人力，具有明顯的經濟效益，故該鍍層エ藝在PCB微鉆上有較大的推廣應用前景。本發明就針對通孔微鉆的切削特點設計了ー種韌性好、硬度高、摩擦系數小的高性能氮化鋯(ZrN)/類金剛石(DLC)復合的雙相涂層。ZrN的硬度在1600-2200HV之間，韌性好，熱膨脹系數為7. 2X10_6/K，弾性模量為510kN/mm2。熱膨脹系數及彈性模量與PCB通孔微鉆基體接近，熱匹配性、化學匹配性好，但單ー ZrN涂層硬度較低。設計ZrN/DLC兩相納米復合涂層，通過固溶強化、納米強化和復相強化，可以使復合涂層硬度和韌性顯著提高，而涂層中DLC相的存在可以大大降低涂層的摩擦系數，提高刀具排屑性能，降低切削力。

發明內容
本發明的目的就是針對現有技術的上述缺陷，通過選擇合適的涂層材料以及沉積方法來提高微鉆的使用壽命以及改善其各個方面的使用性能，從而一方面為印刷電路板的制造節省成本，提高經濟效益，另ー方面為印制電路板小型化、精細化的發展起到很好的促進作用。本發明通過對ZrN和DLC進行復合設計，利用界面強化、固溶強化、雙相強化和納米強化，獲得ー種結合力強、硬度高、韌性好、摩擦系數低以及使用壽命高的PCB通孔微鉆用復合涂層。
為實現本發明的以上目的，本發明通過以下技術方案實現
一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆，所述印刷電路板微鉆的基體為硬質合金，其表面上沉積有作為內層和外層的雙層復合結構，所述內層為過渡層，所述過度層的材料為ZrN，其厚度為O. 1-0. 5微米；所述外層為復合層，所述復合層的材料為ZrN/DLC，其厚度為O. 5-5微米。本發明制備方法的技術方案是一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆的制備方法，具有以下步驟(I)對所述印刷線路板微鉆的硬質合金基體表面進行清洗，將其溫度設為100-200°C，采用離子鍍技術在所述硬質合金基體表面上沉積材料為ZrN的過渡層，在采用離子鍍沉積ZrN過渡層時采用純Zr靶，電弧電流為40-100A，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-100ml/min，N2流量為100-600ml/min，采用脈沖負偏壓，偏壓占空比為30-80%，偏壓峰值為500V-1500V ;(2)在上一步得到的所述過渡層上采用非対稱雙極磁控濺射技術沉積材料為ZrN/DLC的復合層，非対稱雙極磁控濺射沉積ZrN/DLC復合層采用純Zr靶和純石墨靶，分別接濺射電源的雙極，Zr靶功率為10-60kW，石墨靶功率為l_5kW，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-100ml/min，N2流量為100-600ml/min，采用脈沖負偏壓，負偏壓占空比為30-80%，偏壓峰值為100V-800V。 首先通過高脈沖偏壓增強的Ar等離子體的轟擊作用和金屬Zr離子的注入作用強化涂層和基體之間的結合強度，然后依次采用離子鍍技術沉積ZrN過渡層，通過非對稱雙極磁控濺射技術沉積ZrN/DLC復合層。離子鍍ZrN過渡層厚度約O. 2-1微米，和硬質合金基體具有好的熱匹配性、力學匹配性和化學匹配性，保證涂層和基體良好的結合強度。磁控濺射ZrN/DLC復合層厚度約1-6微米，硬度高，摩擦系數O. 1-0. 3，具有良好的耐磨性和排屑性能。涂層厚度、復合層中ZrN相和DLC相的組成比例可根據使役要求調制。所獲得的復合涂層的膜/基結合強度達80-100N，IOg載荷下表面復合硬度達30-40GPa，和GCrl5配副摩擦系數為O. 1-0. 3。本發明的有益效果是鍍有本發明涂層的微鉆，在其加工PCB的過程中，不但可以大幅降低微鉆容易斷裂的問題，同時可以大幅提高微鉆的工作壽命，進而提高加工效率。同時由于微鉆表面的涂層具有良好的韌性和耐磨性能，以及較低的摩擦系數，可以大幅提高加工出導通孔的表面光潔度，提高產品質量，從而節省成本和提高價值。綜上所述，本發明的微鉆涂層及其沉積方法使用于PCB微鉆中不僅具有良好的耐磨性和排屑性能，其與基體的結合力強，并且所述復合涂層硬度高、韌性好、摩擦系數低，從而使得微鉆使用壽命延長，降低生產成本，易于實現エ業生產并且具有非常好的エ業應用前景。


圖I為本發明硬質合金基體納米復合涂層的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖以及具體實施例來對本發明進行詳細說明。圖I示出了本發明的硬質合金基體納米復合涂層的結構，從圖I中可以看出，在硬質合金基體c上依次沉積有兩層涂層，內層b為過渡層，該過渡層的材料為ZrN，其厚度可以為O. 1-0. 5微米，外層a為復合層，該復合層的材料為ZrN/DLC，其厚度為O. 5_5微米。從下述的幾個實施例中可以看出過渡層ZrN與硬質合金基體具有良好的熱匹配性、力學匹配性和化學匹配性，保證涂層和基體良好的結合強度。采用非対稱雙極磁控濺射的ZrN/DLC復合層厚度也可以約為1-6微米，此厚度的復合層硬度高，摩擦系數較低為O. 1-0. 3，并且具 有良好的耐磨性和排屑性能。涂層厚度、復合層中ZrN相和DLC相的組成比例可根據使用要求調制。依照本發明的下述方法所獲得的復合涂層的膜/基結合強度能達80-100N，IOg載荷下表面復合硬度達30-40GPa，并且GCrl5配副摩擦系數為O. 1-0. 3。以下為制備涂層的具體實施例。實施例一
首先取硬質合金基體標準測試樣為O. 3mm的微鉆，將該微鉆經除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后進行沉積涂層。先將硬質合金基體(即待沉積涂層的微鉆)設定溫度在150°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。基體脈沖偏壓頻率為ΙΟΟΚΗζ、偏壓峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打開離子鍍Zr靶，電弧電流設為80A，Zr離子從Zr靶上蒸發出來，對硬質合金基體進行轟擊清洗Imin ;然后將脈沖偏壓調至峰值-500V、占空比30%，Ar流量20ml/min，N2流量100ml/min，并且維持離子鍍Zr靶電流40A，此階段Zr離子與氮氣反應生成ZrN，從而在硬質合金基體上沉積ZrN的過渡層，鍍ZrN 5min ;然后關閉離子鍍Zr靶，脈沖偏壓調至峰值-100V、Ar和N2流量不變，開啟非対稱雙極磁控濺射電源，濺射Zr靶功率10kW，石墨靶功率lkW，鍍ZrN/DLC 50min。鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。對制備的試樣進行測試，得到的測試結果為=ZrN的過渡層的厚度為O. I μ m，ZrN/DLC復合層的厚度為I. 7μπι，劃痕結合力95N，10g載荷下表面復合硬度38GPa，摩擦系數O. 22。和未涂覆本發明的涂層微鉆相比，鉆孔質量不降低，并且制得的微鉆壽命提高5倍。實施例ニ
取硬質合金標準測試樣為O. 4_微鉆，經除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后進行沉積涂層。硬質合金基體溫度設為200°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。硬質合金基體脈沖偏壓頻率為ΙΟΟΚΗζ、偏壓峰值-1200V、占空比50%41'流量1001111/1^11，打開離子鍍21'靶，電弧電流80A, Zr離子從Zr祀上蒸發出來,對硬質合金基體進行轟擊清洗Imin ;然后脈沖偏壓調至峰值-750V、占空比50%，Ar流量40ml/min，N2流量200ml/min，維持離子鍍Zr靶電流60A，此階段Zr離子與氮氣反應生成ZrN，從而在硬質合金基體上沉積ZrN的過渡層，鍍ZrN 5min ;之后關閉離子鍍Zr靶，脈沖偏壓調至峰值_300V、Ar和N2的流量不變，開啟非對稱雙極磁控濺射電源，Zr靶功率維持20kW，開濺射石墨靶功率2kW，鍍ZrN/DLC 70min。鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。得到的測試結果為ZrN的過渡層的厚度為O. 3 μ m，ZrN/DLC復合層的厚度為2. 2 μ m，劃痕結合力90N，IOg載荷下表面復合硬度40GPa，摩擦系數O. 27。微鉆壽命提高4. 5倍，和未涂覆微鉆相比，鉆孔質量不降低。實施例三
取硬質合金標準測試樣為O. 15mm的微鉆，經除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后沉積涂層。硬質合金基體溫度設150°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。基體脈沖偏壓頻率40KHz、偏壓峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打開離子鍍Zr靶，電弧電流80A, Zr離子從Zr靶上蒸發出來，對硬質合金基體進行轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調至峰值-1000V、占空比60%, Ar流量60ml/min,N2流量500ml/min,維持離子鍍Zr祀電流80A,此階段Zr離子與氮氣反應生成ZrN，從而在硬質合金基體上沉積ZrN的過渡層，鍍ZrN 5 min ；關閉離子鍍Zr靶，脈沖偏壓調至峰值-500V、Ar和N2流量不變，開啟非対稱雙極磁控濺射電源，Zr靶功率調制30kW，開濺射石墨靶功率3kW，鍍ZrN/DLC 50min。鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。得到的測試結果為=ZrN的過渡層的厚度為O. 4 μ m，ZrN/DLC復合層的厚度為3. 2 μ m，劃痕結合力82N，IOg載荷下表面復合硬度34GPa，摩擦系數O. 14。微鉆壽命提4倍，和未涂覆微鉆相比，鉆孔質量不降低。實施例四
取硬質合金標準測試樣為O. 3mm的微鉆，經除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后沉積涂層。基體溫度100°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。基體脈沖偏壓頻率100kHz、峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打開離子鍍Zr靶，電弧電流80A，轟擊清洗Imin ；脈沖偏壓調至峰值-1500V、占空比80%，Ar流量100ml/min，N2流量600ml/min，維持離子鍍Zr靶電流100A，鍍ZrN 5min ;關閉離子鍍Zr靶，保持偏壓、Ar和N2流量不變，開啟非対稱雙極磁控濺射電源，Zr靶功率維持60kW，開濺射石墨靶功率5kW，鍍ZrN/DLC 50min。鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。得到的測試結果為ZrN的過渡層的厚度為O. 5 μ m，ZrN/DLC復合層的厚度為4. 8 μ m，劃痕結合力80N，IOg載荷下表面復合硬度31Gpa，摩擦系數O. 2。微鉆壽命提高3. 2倍，和未涂覆微鉆相比，鉆孔質量不降低。通過上述具體實施例可知，
為了突出本發明的上述具有納米復合涂層的微鉆的技術效果，還提供了比較例進行對比，通過對比可以看出本發明能夠很好地提供微鉆的使用壽命，具有很好的技術效果。比較例ー
取硬質合金標準測試樣及O. 3mm微鉆，經除油、有機清洗、漂洗及等離子清洗后沉積涂層。硬質合金基體溫度設為150°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。基體脈沖偏壓頻率ΙΟΟΚΗζ、偏壓峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打開離子鍍Zr靶，電弧電流80A，轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調至峰值-500V、占空比60%，Ar流量100ml/min，N2流量500ml/min,維持離子鍍Zr靶電流80A，鍍ZrN 5min ;關閉離子鍍Zr靶，保持偏壓、Ar和N2流量不變，開啟非対稱雙極磁控濺射電源，濺射Zr靶功率40kW，石墨靶功率OkW，鍍ZrN 50min。鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。標準試樣涂層厚度2 μ m，劃痕結合力95N，IOg載荷下表面復合硬度21Gpa，摩擦系數O. 4。微鉆壽命無提高。比較例ニ
取硬質合金標準測試樣為O. 3mm的微鉆，經除油、除銹、有機清洗和漂洗及等離子清洗后沉積涂層。基體溫度150°C，沉積エ藝設定后由エ控機控制。基體脈沖偏壓頻率ΙΟΟΚΗζ、峰值-1200V、占空比50%，Ar流量100ml/min，打開離子鍍Zr靶，電弧電流80A，轟擊清洗Imin ;脈沖偏壓調至峰值-500V、占空比60%, Ar流量100ml/min,N2流量500ml/min,維持離子鍍Zr靶電流80A，鍍ZrN 5min ;關閉離子鍍Zr靶，保持偏壓、Ar不變，關閉N2,開啟非對稱雙極磁控濺射電源，雙靶均為石墨靶材，兩石墨靶功率均為2kW，鍍DLC 55min ;鍍膜停止后冷卻Ih后取樣。標準試樣涂層厚度O. 2 μ m，劃痕結合力25N，摩擦系數O. I。微鉆壽命提|ρΓ| 30%。從上述兩個比較例中可以看出，在與本發明實施例相同的條件下，如果內層和外層都是沉積ZrN，此種情況下得到的微鉆，使用壽命沒有任何提高；如果內層沉積ZrN，而外層僅僅沉積DLC層，微鉆的壽命有所提高，也即提高了 I. 3倍，但是與本發明的上述實施例一至相比，壽命提高也是不明顯的。 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內的任何修改。等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護之內本發明中的實施例僅用于對本發明進行說明，并不構成對權利要求范圍的限制，本領域內技術人員可以想到的其他實質上等同的替代，均在本發明保護范圍內。
權利要求
1.一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆，其特征在干所述印刷電路板微鉆的基體為硬質合金，其表面上沉積有作為內層和外層的雙層復合結構，所述內層為過渡層，所述過度層的材料為ZrN，其厚度為O. 1-0. 5微米；所述外層為復合層，所述復合層的材料為ZrN/DLC，其厚度為O. 5-5微米。
2.一種如權利要求I所述的硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆的制備方法，其特征在于具有以下步驟(1)對所述印刷線路板微鉆的硬質合金基體表面進行清洗，將其溫度設為100-200°C，采用離子鍍技術在所述硬質合金基體表面上沉積材料為ZrN的過渡層，在采用離子鍍沉積ZrN過渡層時采用純Zr靶，電弧電流為40-100A，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-100ml/min，N2流量為100-600ml/min，采用脈沖負偏壓，偏壓占空比為30-80%，偏壓峰值為500V-1500V ;(2)在上一步得到的所述過渡層上采用非対稱雙極磁控濺射技術沉積材料為ZrN/DLC的復合層，非対稱雙極磁控濺射沉積ZrN/DLC復合層采用純Zr靶和純石墨靶，分別接濺射電源的雙極，Zr靶功率為10-60kW，石墨靶功率為l_5kW，引入氣體為Ar和N2, Ar流量為20-100ml/min，N2流量為100-600ml/min，采用脈沖負偏壓，負偏壓占空比為30-80%，偏壓峰值為100V-800V。
全文摘要
本發明公開了一種硬質合金基體納米復合涂層印刷線路板微鉆及其制備方法，采用離子鍍技術和非對稱雙極磁控濺射在硬質合金基體上分別沉積內層和外層，所述內層為ZrN過渡層，其與硬質合金基體結合具有很好的熱學、力學和化學匹配性，保證ZrN過渡層和基體良好的結合強度；所述外層為ZrN/DLC復合層，其具有高硬度、強韌性和低摩擦系數的特點。由內層和外層構成的復合涂層的膜/基結合強度達80-100N，10g載荷下表面復合硬度達30-40GPa，摩擦系數為0.1-0.3。本發明通過對ZrN和DLC進行復合設計，利用界面強化、固溶強化、雙相強化和納米強化，獲得一種具有結合力強、硬度高、韌性好、摩擦系數低的復合涂層的PCB微鉆。
文檔編號C23C14/34GK102825305SQ201210346340
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月18日 優先權日2012年9月18日
發明者黃仕江 申請人:上海殼瑞微材料科技有限公司