一種氮氧化鉻和類金剛石膜復合涂層pcb微細刀具的制作工藝的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種采用CrO2N+DLC即：氮氧化鉻+類金剛石膜復合涂層的PCB微細刀具的工藝，利用高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備，通過清洗干燥、拋研、預處理、沉積氮氧化鉻和類金剛石膜雙層涂層等步驟完成。使用CrO2N+DLC復合涂層的PCB微細刀具，既保持了硬質合金基體的韌性又具有高硬度、低摩擦系數和良好的潤滑性能和散熱性能，解決了PCB微鉆或銑刀經常出現的斷刀、粘刀、夾板、撕裂、拉毛等問題。
【專利說明】—種氮氧化鉻和類金剛石膜復合涂層PCB微細刀具的制作工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及PCB加工切削刀具領域，具體的是一種能夠提高PCB刀具使用壽命和工作效率的Cr02N+DLC即:氮氧化鉻+類金剛石膜復合涂層的PCB銑刀和微鉆(鉆針)。
【背景技術】
[0002]我國的PCB研制工作始于1956年，1963-1978年逐步擴大形成PCB產業。改革開放后20多年，由于引進國外先進技術和設備，單面板、雙面板和多層板均獲得快速發展，國內PCB產業由小到大逐步發展起來。中國由于下游產業的集中及勞動力土地成本相對較低，成為發展勢頭最為強勁的區域。2002年，成為第三大PCB產出國。2003年，PCB產值和進出口額均超過60億美元，首度超越美國，成為世界第二大PCB產出國。2006年中國已經取代日本，成為全球產值最大的PCB生產基地和技術發展最活躍的國家。 PCB產業的主要產品已由單面板、雙面板轉向多層板，而且正在從4~6層向6~8層以上提升。隨著多層板、HDI板、柔性板的快速增長，我國的PCB產業結構正在逐步得到優化和改善。
產量的提高和產品結構及質量和材料的優化就更迫切期待使用壽命長，切削性能好的PCB刀具。
[0003]目前大部分的PCB生產廠家使用數控鉆床，數控鉆床使用的是高工鋼的定柄鉆頭。印制板鉆孔用鉆頭一般都采用硬質合金，因為環氧玻璃布復銅箔板對刀具的磨損特別快。而硬質合金較高工鋼鉆頭耐磨，有一定強度，適于高速切削。但對于PCB板材而言耐磨仍然差，磨損快，壽命短，為了改善硬質合金鉆、銑刀具的性能，有的采用在碳化基體上沉積碳化鈦(TIC)或氮化鈦(TIN)，這些單層涂層雖然比較硬質合金光刀使用效果有所提高，但是仍然不能解決粘刀、夾板、撕裂、進出口(進刀口和出孔口)拉毛等問題。
[0004]采用CVD金剛石膜涂層，具有更高的硬度，也能夠克服上述弊端，但是由于金剛石膜涂層必須經過酸、堿脫鈷處理，而且金剛石膜涂層腔室溫度700-900°，由于PCB銑刀和微鉆直徑只有0.1-3.3mm，致使涂層后的微細刀具雖然提高了鉆頭的硬度與耐磨性，但是韌性差，非常脆，特別容易斷刀。
【發明內容】
[0005]為了解決以上技術問題，本發明的目的是提供一種Cr02N+DLC復合涂層PCB微鉆或銑刀的制作工藝。因為DLC涂層工藝工作溫度只有80-200°，而且涂層Cr02N+DLC工藝中不需要進行酸、堿脫鈷處理，不會損傷基體的Co和W，能夠保持硬質合金原有的性能。使用即:氮化鉻加類金剛石膜復合涂層的PCB銑刀和微鉆(鉆針)既保持了硬質合金基體的韌性又發揮了氮化 鉻加類金剛石膜復合涂層的高硬度、低摩擦系數和良好的潤滑性能和散熱性能，本發明的復合涂層PCB刀具圓滿的解決了斷刀、粘刀、夾板、撕裂、進出口拉毛等問題。顯著的提高了使用壽命和加工質量，降低生產成本，提高生產效率。
[0006]上述目的通過以下技術方案實現:基于本發明的目的，本發明使用一種名稱為“高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備”的涂層設備并發明新的工藝方法。
[0007]所述的高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備，是本發明人研制的新原理涂層設備。它包括涂層室、行星旋轉工件架、磁過濾弧源、分子泵、真空系統，所述涂層室為立式圓柱形，整體雙層水冷式結構，所述涂層室前部設有進料門，所述涂層室的頂部設有管狀加熱器、熱電偶接口，所述涂層室的底部設有進氣口和行星旋轉工件架，所述行星旋轉工件架底部連接有驅動系統，所述涂層室的側壁安裝有磁過濾弧源，所述涂層室的后部安裝有分子泵和真空系統。
[0008]所述磁過濾弧源由引弧電極、陰極支架、靶材、推弧電磁線圈、聚焦電磁線圈、彎頭組成，所述靶材安裝在陰極支架上，所述引弧電極和所述陰極支架外接引弧電源，所述推弧電磁線圈和所述聚焦電磁線圈安裝在所述引弧電極和陰極支架產生電弧處的外圍。
[0009]進一步的，所述彎頭為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭，所述錐度彎頭的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈，在錐度彎頭內形成強度為O~20 mT的彎曲磁場。
[0010]該設備充分利用弧源中的觸發電極和石墨陰極之間產生真空電弧放電，激發高離化率的碳等離子體，采用磁過濾線圈過濾掉弧源產生的大顆粒和中性原子，可使到達襯底的幾乎全部是碳離子，可以用較高的沉積速率制備出無氫膜，采用此技術可以獲得Sp3鍵含量高達70%、硬度高達~4500HV0.025的無氫碳膜，其性質與多晶金剛石膜(CVD)相近。
[0011]本發明利用自制的高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備，采取如下工藝方法:
第一步:微細銑刀(微鉆)防折斷:將銑刀插入高密度海綿插板中，防止細微的切削刃在操作中折斷；
第二步:脫脂清洗:將插滿銑刀的海綿插板置于超聲波清洗機中使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進行脫脂清洗；` 第三步:物理方式預處理:將銑刀置于噴沙設備，用W5金剛石微粉噴射銑刀切削刃部，刻蝕工件表面；
第四步:使用超聲波清洗機，加入丙酮和無水乙醇按照3:7的重量比配制而成的清洗液再次清洗干燥；
第五步:工件裝入“DLC沉積設備”腔室銑刀專用夾具；
所述專用夾具:系固定于星形旋轉掛架上的內孔等于刀柄直徑的插管；
第六步:通入Ar至約IPa，對工件加負偏壓-150V~-600V，溫度控制在85~200°C，電弧電流為50A~70A，將Ar電離并對工件產生離子轟擊作用，去除工件表面微觀雜質及刻蝕活化表面的作用，提高沉積結合力，時間60min ；
第七步:按體積比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，對工件涂層面形核，為涂層所需致密的打底層和工作層編織構架，形核時間為60min ；
第八步:按體積比2:2:3的比例通入N和O2，開啟2個弧靶，陰極采用99.9%金屬Cr靶材，沉積氮化鉻過渡層NO2Cr,弧源電流35A，時間:4h，涂層NO2Cr厚度15~20 μ m ;
第九步:按體積比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、開啟8個磁過濾弧源陰極采用99.9%石墨靶材，沉積DLC涂層，弧源電流30A，時間:4h，涂層DLC厚度10~15μπι。
[0012]本發明的積極效果在于:本發明Cr02N+DLC復合涂層PCB鉆、銑刀具主要性能指標:DLC膜層硬度值約為HV4500 ;涂層為致密的DLC薄膜，其結構為典型的非晶結構；薄膜表面平整，無缺陷；DLC涂層摩擦系數約為0.13 ;涂層附著力達到37N;涂層厚度均達到10微米。使用Cr02N+DLC復合涂層，既保持了硬質合金基體的韌性又發揮了復合涂層的高硬度、低摩擦系數和良好的潤滑性能、耐腐蝕性能和散熱性能，解決了斷刀、粘刀、夾板、撕裂、進出口拉毛等問題，顯著的提高了使用壽命和加工質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1為高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備的俯視圖。
[0014]圖2為高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備的左視圖。
[0015]圖3為磁過濾弧源的結構示意圖。
[0016]圖4為本發明的工藝流程圖。
[0017]附圖中:1一磁過濾弧源，2—涂層室，3—真空系統，4一機架，5—分子泵，6—行星旋轉工件架，7—進料門，8—熱電偶接口，9一管狀加熱器，10—驅動系統，11一進氣口，12—陰極支架，13—引弧電極，14 一推弧電磁線圈，15—靶材，16—彎頭，17—彎曲弧電磁線圈，18—聚焦電磁線圈。
【具體實施方式】
[0018]如圖1、圖2所示，一種高附著力高硬度低摩擦系數類金剛石膜的涂層設備，包括涂層室2、行星旋轉工件架6、磁過濾弧源1、分子泵5、機架4。
[0019]涂層室2固定安裝在機架4上，涂層室2采用立式圓柱形結構Φ900 X 900mm,不銹鋼材質，整體雙層水冷式結構，前開門結構，便于更換樣品、靶材15及日常維護。真空室整體焊接后進行熱處理消除焊接應力防止焊后變形。涂層室2前部開有進料門7和觀察窗，涂層室2的頂部設有管狀加熱器9、熱電偶接口 8、充氣閥及預留CF35法蘭接口。所述涂層室2的后部安裝有分子泵5和真空系統3。
[0020]涂層室2的底部設有進氣口 11和行星旋轉工件架6，所述行星旋轉工件架6底部連接有驅動系統10，所述行星旋轉工件架6是由直流電機將旋轉動力傳遞給行星齒輪機構(行星齒輪機構由太陽齒輪、行星齒輪和內齒輪組成)，驅動與行星齒輪連接的工件掛架作自轉，同時又驅動與內齒輪連接的大圓盤作公轉，從而實現工件在沉積過程中“自轉”和“公轉”保證工件全方位，均勻的沉積DLC膜層。行星旋轉工件架6是專為大批量、產業化生產設計的，工位多，基片裝載范圍大，旋轉速度為O~20RPM可調，裝載量:以Φ 130件計算，可裝2000件/爐。
[0021]涂層室2的側壁安裝有多個磁過濾弧源1，如圖3所示，所述磁過濾弧源I由引弧電極13、陰極支架12、靶材15、推弧電磁線圈14、聚焦電磁線圈18、彎頭16組成。所述靶材15安裝在陰極支架12上，所述引弧電極13和所述陰極支架12外接引弧電源，該引弧電源具有能夠識別電弧的燃燒或熄滅狀態環節，根據需要而發出引弧脈沖，進行啟動時的自動引弧和熄弧后自動再引弧。所述推弧電磁線圈14和所述聚焦電磁線圈18安裝在所述引弧電極13和陰極支架12產生電弧處的外圍。推弧電磁線圈14可以使電弧引燃后迅速過渡到陰極的表面，也可以防止電弧引燃后向水冷陰極支架12根部燃燒。聚焦電磁線圈18產生的推動力將電弧推向前方，適當調節推弧電磁線圈14和聚焦電磁線圈18的線圈電流，還可以控制陰極斑點在陰極表面運動的范圍，使陰極進行均勻刻蝕，得到一個穩定燃燒的冷等離子體電弧。兩線圈均可產生O~40 mT的電磁場。
[0022]如圖3所示，所述彎頭16為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭16，所述錐度彎頭16，所述錐度彎頭16的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈17，在錐度彎頭16內形成強度為O~20 mT的彎曲磁場，起到彎曲電弧過濾中性粒子等宏觀粒子團的作用。
[0023]采用自制的“高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備”，以臺灣某公司委托加工的PCBO0.55mm銑刀(以下簡稱“銑刀”)為例，規格:鉆石槽型(Diamond cut)
0.55 ~2.70 ;刃部直徑 Φ0.55mm ;槽長(L) (Flute length) 2.7mm ;總長38.1mm。Cr02N+DLC復合涂層的制備工藝如下:
1、微細銑刀防斷裂:為防止Φ0.55mm細微的切削刃在操作中斷裂，必須將銑刀插入厚度為20-25mm高密度海綿插板中。
[0024]2、脫脂清洗:將插滿銑刀的海綿插板置于超聲波清洗機中使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進行脫脂清洗；
3、物理方式預處理:將銑刀置于噴沙設備，用W5金剛石微粉噴射銑刀切削刃部，刻蝕工件表面；
4、使用超聲波清洗機再次清洗干燥，清洗液為:丙酮+無水乙醇(3:7配比)； 5、工件裝入“DLC沉積設備”腔室銑刀專用夾具；專用夾具系固定于星型旋轉掛架上的內孔等于刀柄直徑的插管中；
6、通入Ar至約IPa，對工件加負偏壓-150V~-600V，溫度控制在85~200°C，電弧電流為50A~70A，將Ar電離并對工件產生離子轟擊作用，去除工件表面微觀雜質及刻蝕活化表面的作用，提高沉積結合力，時間60min ；
7、按體積比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，對工件涂層面形核，為涂層所需致密的打底層和工作層編織構架，形核時間為60min ；
8、按體積比2:2:3的比例通入N和O2，開啟2個弧靶，陰極采用99.9%金屬Cr靶，沉積氮氧化鉻過渡層N02Cr，弧源電流30A，時間:4h，涂層NCr厚度15~20 μ m ;
9、按體積比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、開啟8個磁過濾弧源，陰極采用99.9%石墨靶材，沉積DLC涂層，弧源電流25A，時間:4h，涂層DLC厚度10~15 μ m ;
10、清洗、檢測、打標、包裝。
[0025]經檢測，本發明Cr02N+DLC復合涂層PCB鉆、銑刀具主要性能指標如下:DLC膜層硬度值約為HV4500 ;涂層為致密的DLC薄膜，其結構為典型的非晶結構；薄膜表面平整，無缺陷；DLC涂層摩擦系數約為0.13 ;涂層附著力達到37N ;涂層厚度均達到10微米。使用Cr02N+DLC即:氮化鉻加類金剛石膜復合涂層的PCB銑刀和微鉆，既保持了硬質合金基體的韌性又發揮了氮化鉻加類金剛石膜復合涂層的高硬度、低摩擦系數和良好的潤滑性能和散熱性能，本發明的復合涂層PCB刀具圓滿的解決了斷刀、粘刀、夾板、撕裂、進出口拉毛等問題。顯著的提高了使用壽命和加工質量，降低生產成本，提高生產效率。
【權利要求】
1.一種氮氧化鉻和類金剛石膜復合涂層PCB微細刀具的制作工藝，其特征在于其工藝步驟為: 第一步:防折斷:將微鉆或銑刀插入高密度海綿插板中，防止細微的切削刃在操作中折斷； 第二步:脫脂清洗:將插滿微鉆或銑刀的海綿插板置于超聲波清洗機中使用帕卡瀨津脫脂劑FC-4360進行脫脂清洗； 第三步:物理方式預處理:將微鉆或銑刀置于噴沙設備，用W5金剛石微粉噴射銑刀切削刃部，刻蝕工件表面； 第四步:使用超聲波清洗機，加入丙酮和無水乙醇按照3:7的的重量比配制而成的清洗液，再次將微鉆或銑刀清洗干燥； 第五步:將微鉆或銑刀裝入“高真空多弧靶高離化磁過濾等離子體DLC沉積設備”腔室內的專用夾具； 所述專用夾具:系固定于星形旋轉掛架上的內孔等于刀柄直徑的插管； 第六步:通入Ar至約IPa，加負偏壓-150V~-600V，溫度控制在85~200°C，電弧電流為50A~70A，將Ar電離并對工件產生離子轟擊作用，去除微鉆或銑刀表面微觀雜質及刻蝕活化表面的作用，提高沉積結合力，時間60min ； 第七步:按體積比2:2:1的比例通入N和C、H至2~5Pa，對微鉆或銑刀涂層面形核，為涂層所需致密的打底層和工作層編織構架，形核時間為60min ； 第八步:按體積比2:2的比例通入N和O2，開啟2個弧靶，陰極采用純度為99.9%金屬Cr靶材，沉積氮氧化鉻過渡層NO2Cr,弧源電流35A，時間:4h，涂層厚度15~20 μ m ; 第九步:按體積比2:2:1的比例通入N和Ar、CH4、開啟8個磁過濾弧源，陰極采用純度為99.9%石墨靶材，沉積DLC涂層，弧源電流30A，時間:4h，涂層DLC厚度10~15 μ m。
【文檔編號】C23C14/06GK103741099SQ201310736145
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月29日 優先權日:2013年12月29日
【發明者】陳遠達, 王勝云, 何靜 申請人:湖南中航超強金剛石膜高科技有限公司