[发明专利]微型钻头表面改性用多元多层硬质薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可沉积于微型钻头表面的多元多层硬质薄膜材料及其制备方法。

背景技术

随着计算机、手机等微电子行业向微型化快速发展，与微型化密切相关的微电子线路板(PCB：Printed Circuit Board)的加工日趋高速、自动化、精密化、小型化，这就要求对微电子线路板进行精细加工的专用微型钻头能在高温、高速、高磨损、强腐蚀等苛刻条件下进行长期、稳定、高速的切削。PCB板的材质主要为覆铜的玻璃纤维增强层状复合材料，一般为几层到十几层。PCB微型钻头通用直径为0.10～2.0mm，在进行PCB板加工时，其转速可达16万转/分钟，由于钻速高，微钻直径小，排屑难，整个钻孔过程温度高，且PCB材料对微型钻头基材的腐蚀性极强，使微型钻头很容易因扩散、粘结、热电磨损而失效。一方面微型钻头磨损会降低孔的尺寸精度及其寿命；另一方面，磨损产生的热量会导致线路板材料中低熔点组元的熔化以及复合材料层之间的分离，在孔出口处产生拉毛、钉头等缺陷，严重时则会导致电路板报废。

针对目前PCB加工的苛刻条件，人们采用了两种解决途径：一种是改进硬质合金材质，但材质的改进对微型钻头性能和寿命提高有限；另一种是在微型钻头表面涂镀一层或多层约几个微米厚的陶瓷薄膜，利用钻头表层陶瓷薄膜的耐磨性、抗高温氧化、低摩擦系数等性能，不仅可将微型钻头的寿命延长几倍，还可显著提高PCB加工的效率和钻孔质量，大大降低PCB的加工成本。

中国专利公开号CN 1786253A和CN 1864900A报道了采用英国Teer公司的非平衡磁控溅射技术在微型钻头表面制备的CrTiAlN膜层。该膜层具有良好的硬度和耐磨性，可有效降低微型钻头的磨损速率，延长其使用寿命。但CrTiAlN膜层摩擦系数较大，约0.4～0.8，在高速切削时，容易和被加工的PCB材料粘结，产生高的热量甚至会造成低熔点材料熔化或半熔化，以致降低了PCB的加工质量，如钉头增大、孔位精确度下降等。为了在延长微型钻头使用寿命的同时，保证PCB的加工质量，这就要求微型钻头表面强化膜层不仅具有良好的硬度、膜/基结合力、韧性、耐高温等特性，还要具有减摩耐蚀等特性，显然单一膜层难以达到这一要求。此外，随着微型钻头的直径越来越小以及结构逐渐由整体式硬质合金转为焊接式(柄为高速钢，工作部位为硬质合金)，由于沉积温度一般为300～500℃，常规单一的硬质薄膜制备技术容易造成微型钻头变形，进而导致PCB板加工孔位精确度低，难以满足高精密微电子行业的发展需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有薄膜制备技术存在的缺点和不足，提供一种多元多层硬质薄膜CrTiAlCN+DLC(DLC即类金刚石)材料。该材料显微硬度高、膜/基结合力高、摩擦系数低、良好的耐磨、耐蚀等性能，提高微型钻头使用寿命，同时解决钻削时“孔位精确度”、“孔壁粗糙度”、“钉头”等性能指标超标的问题。

本发明的另一个目的是提供一种多元多层硬质薄膜材料CrTiAlCN+DLC的制备方法，该方法沉积温度为100～200℃，膜层细腻，适宜于整体式和焊接式硬质合金微型钻头的表面改性。

本发明是通过以下技术方案实现的：多元多层硬质薄膜材料依次由基材1、金属过渡层2、金属氮化物过渡层3、硬质耐磨层4、自润滑层5构成。

所述的基体材料1为Φ0.1～2.0mm的整体式或焊接式硬质合金微型钻头。

所述的金属过渡层2为Cr，金属氮化物过渡层3为CrN，硬质耐磨层4为CrTiAlCN，自润滑层5为DLC。

多元多层硬质薄膜材料的制备方法是采用Cr、Ti、Al靶在达到本底真空：5.0×10^-3Pa，温度：100～200℃，工件架转速：2～10rpm条件下，依次包括以下步骤：

①炉内压强：0.2～1.0Pa，Ar气流量：150sccm，离子源：2Kw，偏压：800V，轰击清洗基材30min；

②炉内压强：0.2～0.4Pa，Ar气流量：100～150sccm，磁控Cr靶功率：2.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属过渡层Cr：5～15min；

③炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～150sccm，N₂：10～50sccm，磁控Cr靶功率：5.0～10Kw，离子源：0.5Kw，偏压：50～150V，沉积金属氮化物过渡层CrN：15～30min；