硬質(zhì)與超硬涂層在印制電路板微型刀具上的應(yīng)用（二）——硬質(zhì)硬質(zhì)HCN涂層在微型銑刀上的應(yīng)用

陳 成 屈建國 張賀勇 駱金龍 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

加工印制電路板[1]（以下簡稱PCB）微型刀具主要的加工對象是銅箔、樹脂及增強(qiáng)材料。存在的一些問題是，首先印制電路板中含有大量的樹脂和增強(qiáng)材料的硬度和強(qiáng)度高，普通的微型刀具在加工過程中磨損速度快，磨損量大，刀具的壽命短；其次，微型刀具加工印制電路板時，切屑容易堵塞在刀具的排屑槽內(nèi)，造成排塵不良，會嚴(yán)重降低孔壁質(zhì)量；再次，印制電路板中含有銅箔，加工時銅屑易粘在PCB微型刀具的刃口上，在刃口形成積屑瘤，也會嚴(yán)重降低PCB加工質(zhì)量。

為了提高PCB微型刀具的壽命及其加工質(zhì)量，國內(nèi)外很多企業(yè)都對微型刀具進(jìn)行表面改性處理，如化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）等?；瘜W(xué)氣相沉積是利用氣相物質(zhì)在工件表面的化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)薄膜的工藝方法，如直流輝光放電等離子體CVD、射頻輝光放電等離子體CVD、電子回旋CVD等；物理氣相沉積是在真空條件下，利用物理方法，將沉積物材料氣化為原子、分子或離子化為離子，直接沉積到基體表面的方法，如離子束沉積法。

然而將常規(guī)刀具涂層制備工藝直接轉(zhuǎn)移到微型刀具時，制備出的涂層與微型刀具基體的結(jié)合力低，涂層易脫落而失去了保護(hù)作用，導(dǎo)致刀具性能仍不夠好，使用壽命也仍較短，這在PCB微型刀具上體現(xiàn)的尤其明顯。常規(guī)涂層與微型刀具基體的結(jié)合力差，為了提高涂層與基體的結(jié)合力，在涂層制備之前，均會采用刻蝕工藝提高涂層的結(jié)合力。比如電弧離子鍍[2]采用鈦離子轟擊凈化提高涂層與基體的結(jié)合力，工作偏壓800 V～1000 V，高能量、高密度的鈦離子到達(dá)工件的主要是濺射作用，濺射作用大于沉積作用不會形成膜，可以形成“偽擴(kuò)散層”，金屬原子質(zhì)量大，濺射凈化效果好。另外，磁控濺射[3]采用氬離子轟擊凈化，向真空腔室充入氬氣，真空保持在1Pa～3Pa，轟擊電壓1000 V～3000 V，發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生氬等離子體轟擊凈化刀具基體。無論采用鈦離子轟擊或是氬離子轟擊，離子能量均在幾百到一千電子伏特，離子能量不足，不能完全清除基體表面的雜質(zhì)，因而制備的涂層與基體的結(jié)合力仍然不夠好，特別是在微型刀具上沉積涂層時，容易出現(xiàn)涂層脫落，露出硬質(zhì)合金基體，即不能充分發(fā)揮涂層的耐磨保護(hù)作用。

針對上述問題，深圳金洲精工公司根據(jù)PCB硬質(zhì)合金銑刀的特點，通過物理氣相沉積方法，開發(fā)出一種硬度高達(dá)36.6 GPa、摩擦系數(shù)低至0.35的多層復(fù)合硬質(zhì)HCN涂層，并摸索和開發(fā)出有針對性的涂層制備工藝，合理的避免和改善了上述的不足。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

實驗采用拋光處理的硬質(zhì)合金塊作為硬質(zhì)HCN涂層力學(xué)性能測試樣品的基材。實驗銑削測試用PCB硬質(zhì)合金銑刀為斷屑型銑刀，深圳金洲精工產(chǎn)品型號為171RNφ1.0～7.0，全長l=38.1mm，柄徑d=3.175mm，刃徑φ=1.0mm，槽長L=7.0mm。實驗銑刀采用超細(xì)晶粒的硬質(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)的適用于微型銑刀涂層生產(chǎn)的PVD設(shè)備，其制作流程如圖1。

圖1

2.3 涂層樣品測試分析方法

實驗采用安捷倫公司的納米壓痕儀（Nano Indenter G200）測量硬質(zhì)HCN涂層的硬度和彈性模量。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)剛度測量技術(shù)， 連續(xù)剛度測量技術(shù)（Continuous Stiffness Measurements）已被列為中國納米壓痕測試國家標(biāo)準(zhǔn)，壓痕初始載荷0.1 mN，最大載荷20 mN，采集頻率45 Hz，選擇10個不同位置的進(jìn)行壓痕實驗。

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)測量涂層與基材的結(jié)合力。劃痕實驗采用直徑10 μm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)測量硬質(zhì)HCN涂層的摩擦系數(shù)。摩擦副是直徑φ6 mm的Al2O3陶瓷球，加載載荷w=101 g，摩擦測試時間10 min，旋轉(zhuǎn)半徑r=2.5 mm，旋轉(zhuǎn)速度v=120rpm。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銑刀后刀面磨損情況。

采用HITACHI NR-1S211E型8萬轉(zhuǎn)速鉆機(jī)進(jìn)行銑削加工，測試涂層銑刀的耐磨性能。實驗選取相同型號規(guī)格的未涂層銑刀進(jìn)行對比測試，銑削加工測試實驗條件如表1。

表1 銑削加工測試實驗條件

3 硬質(zhì)HCN涂層的力學(xué)性能

3.1 硬質(zhì)HCN涂層截面形貌

圖2是硬質(zhì)HCN涂層截面形貌的SEM圖片。從圖中可知，硬質(zhì)HCN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。

圖2 硬質(zhì)HCN涂層截面形貌

3.2 硬質(zhì)HCN涂層硬度與彈性模量

實驗取兩個樣品分析硬質(zhì)HCN涂層硬度和彈性模量，分別用紅色線條和藍(lán)色線條表示，如圖3和圖4；圖3是硬質(zhì)HCN涂層的硬度平均值隨著壓入深度的變化曲線，圖4是硬質(zhì)HCN涂層的彈性模量平均值隨著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20 nm時，涂層硬度達(dá)到最大值，此值即為硬質(zhì)HCN涂層在該壓痕處的納米硬度H=（36.73±2.35）GPa；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20 nm時達(dá)到最大值，此值即為硬質(zhì)HCN涂層在該壓痕處的彈性模量E=（535.89±42.75）GPa。

圖3 硬質(zhì)HCN涂層的納米硬度隨壓入深度的變化曲線

圖4 硬質(zhì)HCN涂層的彈性模量隨壓入深度的變化曲線

3.3 硬質(zhì)HCN涂層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度

圖5是硬質(zhì)HCN涂層與硬質(zhì)合金基材的結(jié)合力圖譜。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，但正向載荷增加到394 mN時，摩擦力與摩擦系數(shù)出現(xiàn)突變，同時聲發(fā)射信號也出現(xiàn)波動，這說明涂層與基材結(jié)合力達(dá)到394 mN，涂層與基體結(jié)合力良好。

圖5 硬質(zhì)HCN涂層與基材的結(jié)合力圖譜

3.4 硬質(zhì)HCN涂層摩擦系數(shù)

實驗采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實驗機(jī)測量硬質(zhì)HCN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)沒μ=f/w計算得到硬質(zhì)HCN涂層的摩擦系數(shù)μ=0.35。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，硬質(zhì)HCN涂層的摩擦系數(shù)降低了22%以上。

4 硬質(zhì)HCN涂層在PCB板材上的運用

4.1 硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀耐磨性能

圖6和圖7為硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀加工3 m后的切削刃和后刀面磨損照片?？梢钥闯?，硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀在加工3 m孔后，切削刃和后刀面的磨損仍然很小，雖然硬質(zhì)合金銑刀刃口有一定的磨損，但是在后刀面與槽內(nèi)仍然沒有涂層脫落現(xiàn)象，仍然完整的保持著耐磨保護(hù)作用；這說明硬質(zhì)HCN涂層不僅有著很高的耐磨損性能，而且與硬質(zhì)合金銑刀基材結(jié)合十分牢固，充分發(fā)揮了硬質(zhì)HCN涂層高硬度，低摩擦系數(shù)的性能。

圖6 二次元拍攝的宏觀磨損圖

圖7 掃描電鏡拍攝的微觀磨損圖

4.2 硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀加工壽命

圖8為硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀和未涂層銑刀的加工PCB板材的壽命結(jié)果。結(jié)果顯示，未涂層硬質(zhì)合金銑刀加工生益S1170板材時，銑刀使用壽命為6.5 m，而相同型號規(guī)格的硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀，在相同的加工條件下，其使用壽命高達(dá)17.7 m，壽命提高到原來的2.7倍。

圖8 硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀與未涂層硬質(zhì)合金銑刀加工壽命

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于硬質(zhì)HCN涂層的納米硬度高達(dá)36.7 GPa，而摩擦系數(shù)低至0.35，同時劃痕實驗證實了硬質(zhì)HCN涂層與硬質(zhì)合金基材具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。銑削時硬質(zhì)HCN涂層的高硬度保證了涂層硬質(zhì)合金銑刀的耐磨性，硬質(zhì)合金銑刀不易磨損；低摩擦系數(shù)保證硬質(zhì)合金銑刀銑削時排屑良好，排屑通道不會被阻塞，降低了摩擦阻力，從而降低了銑削時的扭矩；良好的涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度保證涂層硬質(zhì)合金銑刀在銑削時一直處在涂層的保護(hù)下工作。上述三種因素綜合作用，從而使硬質(zhì)HCN涂層硬質(zhì)合金銑刀表現(xiàn)出很好的耐磨性能，大大提升了硬質(zhì)合金微型銑刀的使用壽命。

5 結(jié)論

采用PVD方法和特定生產(chǎn)工藝制備的硬質(zhì)HCN涂層，組織細(xì)小、致密，無明顯晶界、微裂紋、針孔等缺陷。硬質(zhì)HCN涂層的硬度高達(dá)36.7 GPa，彈性模量為535.8 GPa，摩擦系數(shù)低至0.35，涂層與硬質(zhì)合金基材結(jié)合良好。硬質(zhì)HCN涂層銑刀加工PCB板材時，耐磨性能遠(yuǎn)高于未涂層銑刀，在相同的加工條件下，硬質(zhì)HCN涂層銑刀的使用壽命是未涂層銑刀的2.7倍，大幅提升了硬質(zhì)合金微型銑刀的使用壽命。

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

[2]黃美東,孫超,林國強(qiáng),董闖,聞立時. 脈沖偏壓電弧離子低溫沉積硬質(zhì)薄膜的力學(xué)性能[J]. 金屬學(xué)報,2003(5)：516-520.種艷琳,蔣白靈,白力靜. 閉合場非平衡磁控濺射

[3]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.