改性納米金剛石涂層微鉆及其在厚銅高導(dǎo)熱PCB加工中應(yīng)用研究

羅春峰 張賀勇 王 駿

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，廣東 深圳 518116）

（廣東省高端印制板用精密微型鉆頭工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518116）

電源用印制電路板（PCB）一般具備良好的散熱性，對基材的導(dǎo)熱性及銅厚都有較高的要求，對厚銅高導(dǎo)熱材料的使用需求越來越多[1]]2]。厚銅高導(dǎo)熱PCB板材的機械鉆孔加工是十分困難的。板材中除了玻璃纖維、改性樹脂外，還填充著高比例的、粒徑大小不均勻的陶瓷顆粒，對刀具產(chǎn)生十分劇烈的磨損；此外，這種板材的銅箔層數(shù)多、銅層很厚，導(dǎo)致鉆孔加工時銅屑粘刀，排屑十分困難。

金剛石涂層由于具有超高硬度、高耐磨性、低的摩擦系數(shù)以及與被加工材料之間低的化學(xué)親和力，金剛石涂層微鉆逐漸成為最具發(fā)展?jié)摿Φ腜CB板材微孔加工工具[3][4]。

關(guān)于金剛石涂層應(yīng)用于PCB微型鉆頭的研究已有相關(guān)報道。武漢工程大學(xué)邢文娟[5]、謝鵬[6]等人先后制作了金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭并進行了在普通PCB上進行了鉆孔測試，加工壽命可達3 000孔。上海交通大學(xué)的Chengchuan Wang[7]等人通過優(yōu)化金剛石涂層結(jié)構(gòu)并制作了涂層PCB鉆頭，加工陶瓷填充PCB時鉆頭壽命達到了10 000孔。筆者以及同事[8]-[10]也進行過金剛石涂層微鉆在陶瓷填料PCB、高頻高速PCB以及高端封裝基板的加工應(yīng)用研究，鉆頭加工壽命較普通鉆頭提高了幾十甚至上百倍，且加工質(zhì)量明顯高于普通鉆頭。

以上報道均是關(guān)于金剛石涂層在加工普通或者高比例填料PCB鉆孔加工上應(yīng)用的研究，關(guān)于金剛石涂層鉆頭在厚銅高導(dǎo)熱PCB微孔加工上的應(yīng)用研究尚未見報道。

本文通過進行納米金剛石（SHD）涂層、改性納米金剛石（MDC）涂層以及無涂層鉆頭在厚銅高導(dǎo)熱PCB上的加工應(yīng)用測試研究，為鉆孔加工提供參考方案。

1 實驗方法

1.1 實驗用微鉆

三種實驗用PCB微鉆：無涂層鉆頭為深圳市金洲精工科技股份有限公司的超細晶粒硬質(zhì)合金鉆頭，鉆頭總長l=38.1mm，柄徑d=3.175 mm，鉆徑φ=0.45 mm，槽長L=6.0 mm；納米金剛石（SHD）涂層、改性納米金剛石（MDC）涂層鉆頭采用化學(xué)氣相沉積方法（CVD）制作。

1.2 樣品分析測試方法

采用日本電子JSM-6701F場發(fā)射掃描電子顯微鏡分析金剛石涂層表面微觀形貌；利用HT-1000型高溫摩擦磨損試驗機測試涂層和硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)，摩擦副形式為球盤摩擦，對磨材料是直徑6 mm的氧化鋁陶瓷球，滑動線速度0.4 m/s，載荷4.9 N。

實驗鉆孔測試用PCB板材為廣東生益科技的ST115G厚銅高導(dǎo)熱測試板，該板材的特點是板材內(nèi)部陶瓷填料高達60%～80%，層數(shù)高達16層，總厚3.70 mm，外層銅厚約35 μm（1 oz），內(nèi)層銅厚約105 μm（3 oz），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔測試板材結(jié)構(gòu)示意圖

實驗采用HITACHI ND-6Y220E型16萬轉(zhuǎn)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)格的無涂層鉆頭進行對比測試，實驗條件如表1所示。

表1 鉆孔測試實驗條件表

實驗采用Hole-AOI孔位精度檢測儀分析孔的孔位精度，采用奧林巴斯DSX1000超景深數(shù)碼顯微鏡評估鉆頭的磨損大小和孔壁質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的表征

圖2是SHD涂層與MDC涂層的微觀形貌SEM圖片。由圖可知， MDC涂層比SHD涂層晶粒更加細小，表面更加光滑。

圖2 SHD涂層與MDC涂層微觀形貌圖

圖3是采用球盤法測試的硬質(zhì)合金（WCCo）、SHD涂層以及MDC涂層的摩擦系數(shù)。在摩擦系數(shù)穩(wěn)定階段，硬質(zhì)合金與氧化鋁球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)約為0.55， SHD涂層的摩擦系數(shù)約為0.17，而MDC涂層的摩擦系數(shù)低至0.1左右。由于MDC涂層具有比SHD涂層更加細小的晶粒和更加光滑的表面，因此它具有更低的摩擦系數(shù)。

圖3 三種鉆頭與氧化鋁球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)圖

2.2 涂層微鉆加工應(yīng)用

2.2.1 微鉆斷刀情況

實驗發(fā)現(xiàn)，普通無涂層鉆頭和MDC涂層鉆頭在測試過程中沒有出現(xiàn)斷刀情況，而SHD涂層鉆頭在加工8～15孔后均出現(xiàn)了斷刀情況（見表2所示）。為了研究SHD涂層鉆頭斷刀原因，在顯微鏡下觀察了3種鉆頭分別加工1孔后槽內(nèi)塞塵情況，其中一支的結(jié)果如圖4所示。普通無涂層鉆頭加工1孔后槽內(nèi)無基本殘留粉屑，僅殘留有少量未排出的條狀銅屑；SHD涂層鉆頭在加工1孔后，排屑槽內(nèi)殘留大量樹脂粉屑和條狀銅屑；而MDC涂層鉆頭在加工1孔后，排屑槽內(nèi)非常干凈，無任何粉屑或銅屑殘留。由此可以推斷，SHD涂層鉆頭在加工十幾孔后出現(xiàn)斷刀的現(xiàn)象是由于切屑無法順利排出導(dǎo)致的。

圖4 不同鉆頭加工1孔后排屑槽內(nèi)塞塵情況圖

表2 鉆頭鉆孔測試斷刀情況表

MDC涂層鉆頭之所以具有優(yōu)異的切屑排出性能，主要是因為涂層表面具有超納米結(jié)構(gòu)的金剛石，它具有極低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的化學(xué)惰性，不會與切屑發(fā)生粘連，并且保證了切屑的順利排出。

2.2.2 微鉆磨損

圖5為其中1支無涂層鉆頭與MDC涂層鉆頭分別加工100孔與5 000孔后的后刀面磨損圖片。從磨損圖來看，無涂層鉆頭加工50孔后磨損已經(jīng)很大，加工至100孔后，后刀面磨損十分嚴重，磨損擴展到第二后刀面；而MDC涂層鉆頭在加工5 000孔后，后刀面磨損仍然較小。

圖5 無涂層鉆頭與MDC涂層鉆頭后刀面磨損圖

本實驗中普通硬質(zhì)合金微型鉆頭采用超細晶硬質(zhì)合金制作，其基體硬度接近HV 2 000，但由于被加工板材內(nèi)部填充了高比例的陶瓷填料，因而普通未涂層鉆頭的磨損十分劇烈。據(jù)報道采用CVD方法獲得的金剛石涂層硬度可達HV 0.058500～10 000[11]， MDC涂層由于采用同樣的技術(shù)制作，也具有類似的力學(xué)特性，即超高硬度，它賦予涂層鉆頭切削刃很高的耐磨損性能，所以在加工5 000孔壽命時，后刀面的磨損依然較小。

2.2.3 孔位精度

圖6是孔位箭靶圖與孔位精度Cpk值。從圖中可以看出，普通無涂層鉆頭加工箭靶圖上的散點比較嚴重，完全不能滿足孔位精度要求。MDC涂層鉆頭加工至5 000孔時，孔位精度Cpk值仍達到3.254，說明孔位精度十分優(yōu)秀，完全符合加工要求。

圖6 普通無涂層鉆頭與MDC涂層鉆頭孔位精度（±50 μm）

2.2.4 孔壁質(zhì)量

圖7是孔壁質(zhì)量圖片。無涂層鉆頭加工100孔時，孔口毛刺十分嚴重；而MDC涂層鉆頭加工5 000孔，孔壁平整，孔口毛刺很小。

圖7 普通無涂層鉆頭與MDC涂層鉆頭孔壁質(zhì)量圖

圖8是孔內(nèi)釘頭情況，從表中可以看出，普通無涂層鉆頭分別加工50孔、100孔時，釘頭寬度均約為銅厚1.40倍；MDC涂層鉆頭分別加工1 000孔、5 000孔時，孔內(nèi)幾乎無釘頭現(xiàn)象。由此可見MDC涂層具有十分優(yōu)異的釘頭控制能力。

圖8 普通鉆頭與MDC涂層鉆頭加工ST115G板孔內(nèi)釘頭情況圖

圖9是孔口毛刺情況，普通無涂層鉆頭加工該ST115G板材50孔后，孔口毛刺最大達到37.536 μm，加工至100孔后，隨著鉆頭刃口的磨損加劇，刃口切削能力顯著下降，導(dǎo)致孔口毛刺最高達41.561 μm，這將會給后工序毛刺除去工序帶來極大加工難度，已經(jīng)無法滿足加工要求。而MDC涂層鉆頭加工1 000孔后孔口毛刺最大5.876 μm，加工至5 000孔時孔口毛刺也不超過9.358 μm。由于MDC涂層具鉆頭切削刃始終處于鋒利的狀態(tài)，有效避免了嚴重的孔口毛刺產(chǎn)生。

圖9 普通鉆頭與MDC涂層鉆頭加工ST115G板孔口毛刺情況圖

MDC涂層的硬度極高，摩擦系數(shù)低至0.1左右，并且涂層與硬質(zhì)合金基材具有良好的結(jié)合強度。鉆孔加工時MDC涂層的高硬度保證了涂層鉆頭的耐磨性，鉆頭不易磨損；光滑的表面加上自身的低摩擦系數(shù)保證鉆頭鉆孔時排屑良好，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(jié)合強度保證涂層鉆頭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MDC涂層鉆頭在加工厚銅高導(dǎo)熱陶瓷填料板時表現(xiàn)出很好的耐磨性能，大大提升了硬質(zhì)合金微型鉆頭的使用壽命和加工品質(zhì)。

2.2.5 微鉆加工壽命

根據(jù)以上測試結(jié)果可知， SHD涂層由于槽內(nèi)塞塵嚴重導(dǎo)致易于斷刀，無法用于厚銅高導(dǎo)熱ST115G板的鉆孔。普通無涂層鉆頭加工50孔，孔位精度Cpk僅為0.312，并且孔口毛刺最大達到37.536 μm，孔位精度和孔口毛刺均不能滿足加工要求。

MDC涂層鉆頭加工5 000孔磨損較小，孔位精度Cpk=3.254，幾乎無釘頭問題，孔口毛刺不超過9.358 μm，加工品質(zhì)可以滿足要求。由此可知，MDC涂層鉆頭加工實驗板材壽命至少可達到5 000孔。

3 結(jié)論

實驗分析測試了SHD涂層和MDC涂層微觀形貌與摩擦系數(shù)；研究了普通無涂層、SHD涂層以及MDC涂層φ0.45鉆頭用于加工厚銅高導(dǎo)熱板ST115G的加工品質(zhì)，得出以下結(jié)論：

（1）改性納米金剛石MDC涂層具有比納米金剛石SHD涂層更加細小的晶粒和更加光滑的表面，它的摩擦系數(shù)低至0.1。

（2）普通無涂層鉆頭加工50孔，孔位精度Cpk僅為0.576，并且孔口毛刺最大達到37.536 μm，孔位精度和孔口毛刺均不能滿足加工要求。從鉆頭批量加工方面來講，普通無涂層鉆頭基本上無法用于此類厚銅高導(dǎo)熱板材的加工應(yīng)用。

（3）納米金剛石SHD涂層由于槽內(nèi)塞塵嚴重導(dǎo)致易于斷刀，也無法用于厚銅高導(dǎo)熱ST115G板的加工。

（4）改性納米金剛石MDC涂層鉆頭加工厚銅高導(dǎo)熱ST115G板可達5000孔壽命，該壽命條件下后刀面磨損較小，孔位精度Cpk=3.254，幾乎無釘頭問題，孔口毛刺不超過9.358 μm，加工品質(zhì)可以很好地滿足加工要求。

（5）改性納米金剛石MDC涂層有效地解決了厚銅高導(dǎo)熱板加工面臨的鉆頭加工壽命短、加工品質(zhì)無法得到保證等一系列難題，極大地提升了硬質(zhì)合金微型鉆頭在厚銅高導(dǎo)熱陶瓷填料PCB板加工中的使用壽命，能夠有效地降低厚銅高導(dǎo)熱板鉆孔加工生產(chǎn)的成本。