硬質(zhì)NB涂層在印制電路板微鉆上的應用

章國輝 陳 成 金狂浩 唐 明 付連宇

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

0 前言

印制電路板（PCB）生產(chǎn)中鉆孔是基本和關鍵工序之一。普通PCB是由多層銅箔布線、玻璃纖維及環(huán)氧樹脂等壓制而成，板材硬且脆，微型鉆頭在加工過程中磨損嚴重[1]。在這樣一種大背景下，為降低加工成本，國內(nèi)外研究人員及微型鉆頭生產(chǎn)商在提升微型鉆頭壽命方面做了大量的工作。目前，提升微型鉆頭使用壽命主要有兩種方法：一種是提高原材料的硬度和強度，采用超細硬質(zhì)合金作為生產(chǎn)PCB微型鉆頭的主要原材料；一種是在微型刀具上涂覆一層高硬度、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕的涂層。何天祿[2]-[4]等采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍膜技術，在PCB微型鉆頭上沉積超硬納米梯度涂層CrAlTiN，厚度1.8 μm，可以提高微鉆壽命達3倍；張賀勇[5]等利用電弧離子鍍技術開發(fā)了一款0.7 μm厚的硬質(zhì)HAC涂層，此涂層鉆頭的壽命是未涂層鉆頭的3倍以上。

隨著5G通訊時代的到來，PCB板材將朝著高頻高導熱方向發(fā)展，加工難度將顯著增加，面對客戶提出的增層提效新需求，現(xiàn)有的HAC涂層已經(jīng)不能滿足客戶需求。針對此問題，深圳市金洲精工科技股份有限公司根據(jù)PCB微鉆的工作特點，開發(fā)了一種硬度達（36±2）GPa、摩擦系數(shù)為0.3的NB涂層，并摸索和開發(fā)出有針對性的微鉆涂層工藝，基本滿足客戶的需求。

本文通過物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）方法，在PCB微鉆上沉積硬質(zhì)NB涂層，對涂層的性能進行了分析，并進行了實際加工測試，分析了鉆孔后的刃面磨損、孔質(zhì)量和微鉆的使用壽命。

1 實驗方法

1.1 實驗樣品制備

實驗鉆孔測試用的微型鉆頭為深圳市金洲精工科技股份有限公司生產(chǎn)的UC型微鉆，總長L＝38.1mm，柄徑d＝3.175 mm，鉆徑φ＝0.2 mm，槽長L＝4.0 mm。實驗采用改進型國產(chǎn)PVD設備進行涂層樣品的制備。NB涂層微鉆制備流程（如圖1）。

圖1 NB涂層微鉆制備流程圖

1.2 涂層性能分析

本實驗主要是采用瑞士CSM公司的微米劃痕儀對涂層的硬度，以及涂層與基材的結合力進行測量。結合力測量采用直徑0.1 mm的金剛石劃針進行劃痕實驗，初始載荷0.03 N，最大載荷28 N，加載速率55.94 N/min，劃痕速率為1.5 mm/min。

采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實驗機測量硬質(zhì)NB涂層的摩擦系數(shù)。摩擦實驗時采用的是直徑φ6 mm的Al2O3陶瓷球，測試加載載荷w＝101 g，測試時間10 min，旋轉(zhuǎn)速度v ＝120 rpm；實驗溫度為（25±2）℃，濕度為45%±2%。采用日本電子JSM-6710F場發(fā)射掃描電子顯微鏡對涂層形貌和側(cè)刃磨損情況進行分析。采用HITACHI ND-6Y220E型16萬轉(zhuǎn)速的鉆機進行鉆孔加工實驗，并選取相同規(guī)格的無涂層鉆頭進行對比測試，實驗條件（見表1）。

2 硬質(zhì)NB涂層性能表征

2.1 硬質(zhì)NB涂層形貌

圖2為硬質(zhì)NB涂層截面形貌及表面形貌的SEM圖片。從截面形貌圖可知，硬質(zhì)NB涂層呈現(xiàn)明顯的柱狀晶結構，無明顯微裂紋、針孔等缺陷。從表面形貌圖可知，NB涂層表面質(zhì)量良好，無明顯大液滴。

2.2 硬質(zhì)NB涂層硬度及摩擦系數(shù)

圖3為硬質(zhì)NB涂層與硬質(zhì)合金基體硬度及摩擦系數(shù)結果圖。從圖3（a）可知，硬質(zhì)NB涂層硬度為35 GPa，遠大于硬質(zhì)合金基體的硬度20 GPa。摩擦系數(shù)是采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損機測量的，經(jīng)公式μ＝f/w計算得到硬質(zhì)NB涂層的摩擦系數(shù)μ＝0.3。采用相同的方法測得硬質(zhì)合金基材的摩擦系數(shù)為0.5，硬質(zhì)NB涂層的摩擦系數(shù)降低了40%左右。

2.3 硬質(zhì)NB涂層與硬質(zhì)合金基體的結合強度

圖4為硬質(zhì)NB涂層與硬質(zhì)合金基材的結合力測試結果。從劃痕圖可知，在劃痕測試中隨著載荷的加大，未出現(xiàn)涂層與基體剝落的情況，說明涂層與基體結合力良好。這一點與圖3左上角壓痕圖一致，未出現(xiàn)明顯的裂紋。

表1 鉆孔測試實驗條件

圖2 硬質(zhì)NB涂層截面形貌以及表面形貌圖

圖3 硬質(zhì)NB涂層與硬質(zhì)合金硬度及摩擦系數(shù)表征結果

圖4 硬質(zhì)NB涂層與基體結合力測試結果

3 硬質(zhì)NB涂層在PCB微鉆上的應用

3.1 硬質(zhì)NB涂層微鉆磨損性能及鉆孔品質(zhì)

圖5為不同研次NB涂層微鉆與未涂層微鉆加工刃面磨損圖。從磨損圖可知，未涂層微鉆加工相應后，其后刀面磨損較嚴重，刃面幾乎呈三角形形狀，而NB涂層微鉆刃面磨損非常嚴重，刃面呈明顯的三角形形狀。此現(xiàn)象是由于NB涂層微鉆微鉆刃面經(jīng)過磨尖后，刃面無涂層，而其加工孔限是未涂層微鉆的兩倍以上導致的。

圖6為不同研磨次數(shù)硬質(zhì)NB涂層微鉆與未涂層微鉆鉆孔前后外徑曲線圖。從新針外徑曲線圖可知，未涂層微鉆加工4000孔后，外徑減小了3 μm，鉆頭呈現(xiàn)明顯的倒錐結構；而NB涂層微鉆加工8000H外徑只減小了2 μm，仍然呈現(xiàn)明顯的順錐結構，且研磨一次、研磨二次、研磨三次的規(guī)律與新針一致。

圖7為不同研磨次數(shù)硬質(zhì)NB涂層微鉆與未涂層微鉆加工的孔位精度圖。從圖7（a）可知，硬質(zhì)NB涂層微鉆隨著研磨次數(shù)的增加，其孔位精度略有下降的趨勢，但總體仍然保持在一個較高的水平。對于白刀而言，從圖7（b）可知，未涂層微鉆隨著研磨次數(shù)的增加，其孔位精度也呈現(xiàn)下降的趨勢。針對具體某研次，由于未涂層鉆頭在鉆孔過程中刀具外徑磨損較大，會呈現(xiàn)明顯的倒錐結構，因此其在鉆孔過程很容易受到橫向力的作用，整體孔位精度是會低于硬質(zhì)NB涂層刀具（如圖7）。

圖5 不同研次硬質(zhì)NB涂層微鉆與未涂層微鉆加工刃面磨損圖

圖6 不同研次硬質(zhì)NB涂層微鉆與未涂層微鉆鉆孔前后外徑曲線圖

3.2 硬質(zhì)NB涂層微鉆加工壽命

圖8為未涂層微鉆和硬質(zhì)NB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S1141板材時，鉆頭總壽命為11500孔，而相同型號的硬質(zhì)NB涂層微鉆，其總壽命高達32000孔，總壽命提高了2.78倍；且疊板數(shù)從原來的3塊增加至現(xiàn)在的4塊，效率提升了1.33倍（如圖8）。

圖7 不同研次微鉆加工孔位精度圖

圖8 未涂層微鉆與硬質(zhì)NB涂層微鉆加工壽命圖

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于硬質(zhì)NB涂層的納米硬度高達35 GPa，而摩擦系數(shù)低至0.3，與此同時NB涂層與硬質(zhì)合金基材具有良好的結合強度。鉆孔時硬質(zhì)NB涂層的高硬度以及低摩擦系數(shù)保證了涂層微鉆側(cè)刃耐磨性能；側(cè)刃外徑變化小，刀具穩(wěn)定性好，在鉆孔過程中容易受到橫向力影響較??；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。上述多種種因素綜合作用，從而使硬質(zhì)NB涂層微鉆表現(xiàn)出很好的耐磨性能，不僅大幅度提升了硬質(zhì)合金微型鉆頭的使用壽命，且保證了良好的鉆孔品質(zhì)。

4 結論

本文采用了傳統(tǒng)的物理氣相沉積方法制備的硬質(zhì)NB涂層，組織致密，無明顯微裂紋、針孔等缺陷，其硬度高達35 GPa，摩擦系數(shù)低至0.3，且涂層與硬質(zhì)合金基材結合良好。在本實驗中，硬質(zhì)NB涂層鉆頭在加工S1141板材時，其耐磨性能遠高于未涂層鉆頭，在相同的加工條件下，硬質(zhì)NB涂層鉆頭的使用壽命是未涂層鉆頭的2.67倍，大大提升了硬質(zhì)合金微型鉆頭的使用壽命，并能很好的保證鉆孔質(zhì)量。其加工的疊板數(shù)由原來的3塊增加至4塊，效率提升了30%，能夠有效降低PCB機械鉆機生產(chǎn)的成本。