硬質(zhì)與超硬涂層在印制電路板微型刀具上的應(yīng)用（三）——超硬SHC涂層在撓性板微鉆上的應(yīng)用

駱金龍 陳 成 張賀勇 羅春峰

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

1 前言

目前， PCB的孔徑越來越?。é?.1mm），布線密度越來越密（L/S≤0.1mm/0.1mm），微鉆加工速度越來越快[1]。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(shù)倍甚至數(shù)十倍地提高PCB微鉆的壽命[2]，但由于目前金剛石涂層微鉆的生產(chǎn)成本較高，在普通PCB板加工領(lǐng)域并沒有得到廣泛的應(yīng)用。種艷琳[3]-[4]、何天祿[5]等人先后采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)，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。但是在FPC板材上，此涂層明顯不適應(yīng)，出現(xiàn)了釘頭超標(biāo)，排塵不良，孔位差等情況。

FPC（Flexible Printed Circuit）撓性板，或稱軟板。是指以PI（聚酰亞胺）或PET（聚脂）薄膜為基材，通過蝕刻在銅箔上形成線路而制成的一種具有高可靠性，絕佳撓曲性的印刷電路。文章通過物理氣相沉積（Physical Papor Deposition, PVD）方法，在硬質(zhì)合金PCB微鉆上沉積超硬SHC涂層，對涂層的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了超硬SHC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，孔位分布情況，纏膠情況，孔內(nèi)情況和微鉆的使用壽命。

2 實驗過程

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(chǎn)的STFP型微鉆，全長l=38.1mm，柄徑d=3.175mm，鉆徑φ=0.150mm，槽長L=1.8mm。實驗微鉆采用超細(xì)晶粒碳化鎢鈷硬質(zhì)合金材料制作。

2.2 涂層樣品制作

涂層沉積設(shè)備為改進(jìn)的適用于微型鉆頭涂層生產(chǎn)的PVD設(shè)備。涂層工藝如圖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-MST型微納米力學(xué)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(jié)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5 mN，單點20次循環(huán)，采集頻率10 Hz。劃痕實驗采用直徑10μm的金剛石劃針進(jìn)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(zhuǎn)式摩擦磨損實驗機(jī)測量超硬SHC涂層的摩擦系數(shù)。摩擦副是直徑φ6mm的Al2O3陶瓷球，加載載荷w=520 g，摩擦測試時間10min，旋轉(zhuǎn)半徑r=2.5 mm，旋轉(zhuǎn)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。測試參數(shù)如表1。

表1 鉆孔測試實驗條件

3 超硬SHC涂層結(jié)構(gòu)與性能研究

3.1 超硬SHC涂層形貌分析

圖2是超硬SHC涂層截面形貌的SEM圖片。從圖A和B中可知，超硬SHC涂層組織細(xì)小、致密，無明顯晶界、微裂紋、針孔等缺陷；涂層與硬質(zhì)合金基材無明顯的分界面,涂層和基體之間具有良好的結(jié)合力,且表面極為光滑。由圖C和D可知，涂層刀具表面及其光滑，涂層對刀具表面無任何損傷。無明顯大液滴存在。

圖2 超硬SHC涂層形貌分析

圖3 為拉曼光譜分析，由圖可知超硬S H C涂層的sp3含量高達(dá)75%。樣品A：ID/IG=2124/731=2.9(sp3)%=74.3%；樣品B：ID/IG=2247/681=3.3(sp3)%=76.7%。其中：ID：表示Diamond峰強(qiáng)度，波數(shù)在1340左右；IG：表示Graphite峰強(qiáng)度，波數(shù)在1580左右。ID峰的強(qiáng)度一定程度上代表著sp3鍵的含量，以下sp3含量僅具有參考意義。本擬合方法采用高斯函數(shù)擬合，峰與橫坐標(biāo)的面積代表sp2或者sp3鍵成分含量。[6][7]

圖3 拉曼光譜分析

3.2 超硬SHC涂層硬度與彈性模量

圖4是超硬SHC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(dāng)壓入深度約為60 nm時，涂層硬度達(dá)到最大值60 GPa，此值就是超硬SHC涂層的硬度值；隨著壓入深度繼續(xù)增加時，壓痕響應(yīng)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(xiàn)了與納米硬度相似的變化曲線，彈性模量在壓入深度為50 nm時達(dá)到最大值610.8 GPa，此值即為超硬SHC涂層的彈性模量。

圖4 超硬SHC涂層的納米硬度與彈性模量隨壓入深度的變化曲線

3.3 超硬SHC涂層的結(jié)合力

圖5是超硬SHC涂層與硬質(zhì)合金基材的結(jié)合力測試結(jié)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(shù)逐漸增大，在247Mn時，涂層出現(xiàn)輕微剝落。

圖5 超硬SHC涂層與基材的結(jié)合力測試結(jié)果

3.4 超硬SHC涂層摩擦系數(shù)

實驗采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實驗機(jī)測量超硬SHC涂層的摩擦系數(shù)。取摩擦平穩(wěn)時的摩擦應(yīng)變ε=7.5，經(jīng)公式摩擦力f=3.44ε與摩擦系數(shù)μ=f/w計算得到超硬SHC涂層的摩擦系數(shù)μ=0.116。采用同樣方法測得硬質(zhì)合金基材的摩擦系數(shù)為0.45。與硬質(zhì)合金相比，超硬SHC涂層的摩擦系數(shù)降低了287.9%以上。

4 超硬SHC涂層鉆頭在軟板上的加工性能研究

圖6為超硬SHC涂層微鉆與未涂層微鉆加工后刀面磨損和粘刀情況照片。從圖可知，未涂層微鉆加工3000孔后，后刀面小部分磨損，且粘刀情況嚴(yán)重；而超硬SHC涂層微鉆，在加工6000孔后，后刀面磨損十分輕微，且無粘刀情況。這說明超硬SHC涂層因為優(yōu)異的表面性能，加工軟板時能有效防止粘刀；且其與微鉆基材有著十分優(yōu)異結(jié)合性能，加工后無脫落情況發(fā)生。

圖6 刀具磨損和粘刀情況

圖7為超硬SHC涂層微鉆與未涂層微鉆鉆孔后的孔位分布箭靶圖。從圖可知，未涂層微鉆加工3000孔后，孔位比較離散，其CPK值為1.92；而超硬SHC涂層微鉆，在加工6000孔后，孔位集中，其CPK值為2.792。這說明超硬SHC涂層有優(yōu)異的加工孔位精度性能，加工出的孔偏情況比未涂層刀具好45.4%。

圖7 孔位分布箭靶圖

圖8為超硬SHC涂層微鉆與未涂層微鉆鉆孔后的纏膠情況對比圖。從圖可知，未涂層微鉆加工3000孔后，軟板的PI部分融化纏入刀具內(nèi)部，且部分銅絲混合纏入使得膠難以去除，嚴(yán)重影響刀具的加工性能；而超硬SHC涂層微鉆，在加工6000孔后，表面干凈無纏膠，保證了刀具加工性能的穩(wěn)定。這說明因為超硬SHC涂層極低的表面摩擦系數(shù)使得表面光滑，且鉆孔加工時發(fā)熱量低，加工后的刀具表面纏膠情況遠(yuǎn)好于未涂層刀具。

圖8 刀具纏膠情況 (A)超硬SHC涂層微鉆加工6000孔，(B)未涂層微鉆加工3000孔纏膠嚴(yán)重

圖9為超硬SHC涂層微鉆與未涂層微鉆鉆孔后的孔內(nèi)切片對比圖。從圖可知，未涂層微鉆加工3000孔后，軟板的PI部分融化較多導(dǎo)致拉伸產(chǎn)生釘頭，最大釘頭為3.888μm，釘頭過大導(dǎo)致鍍銅時的連帶不良效應(yīng)產(chǎn)生披鋒等；而超硬SHC涂層微鉆在加工6000孔后，切片內(nèi)釘頭較小，最大釘頭為2.745μm，比未涂層刀具釘頭減少29.4%。這說明因為超硬SHC涂層極低的表面摩擦系數(shù)使得表面光滑，且鉆孔加工時發(fā)熱量低，加工后的切片情況好于未涂層刀具。

圖9 切片圖情況(A)未涂層微鉆加工3000孔(B)超硬SHC涂層微鉆加工6000孔

5 結(jié)論

采用PVD方法和特定生產(chǎn)工藝沉積的超硬SHC涂層，組織細(xì)小、致密，無明顯晶界、微裂紋、針孔等缺陷。超硬SHC涂層的硬度高達(dá)60GPa，彈性模量為610.8 GPa，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(shù)逐漸增大，在247 mN時，涂層出現(xiàn)輕微剝落。超硬SHC涂層的摩擦系數(shù)為0.116。超硬SHC涂層鉆頭加工軟性PCB板材時，綜合性能高于未涂層鉆頭，從測試性能上來看，超硬SHC涂層刀具在刀具磨損、加工的孔位品質(zhì)、切片釘頭的大小、纏膠情況上均體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在提升刀具壽命至兩倍的同時，其加工品質(zhì)有很大提升。

[1]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.

[2]邢文娟,王升高,陳寧,汪建華等. 微型硬質(zhì)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.

[3]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(yīng)用[J]. 表面技術(shù),2006(2)：65-68.

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

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

[6]Ferrari A C, Robertson J. Interpretation of Raman Spec-tra of Disordered and Amorphous Carbon [J].Physical Review B, 2000, 61(20)：14095-14107.

[7]Ferrari A C, Rodil S E, Robertson J. Interpretation of Infrared and Raman Spectra of Amorphous Carbon Ni-trides[J]. Physical Review B, 2003,67：1-20.