張賀勇 陳 成 駱金龍 羅春峰 付連宇
(深圳市金洲精工科技股份有限公司,廣東 深圳 518116)
印制電路板(PCB)材料是一種由金屬、合成樹脂和玻璃纖維組成的層狀復(fù)合材料。這種復(fù)合材料對硬質(zhì)合金加工工具的磨損性較強(qiáng)。隨著歐盟RoHS指令的實施,無鹵和無鉛環(huán)保PCB板應(yīng)運(yùn)而生,這種硬而脆的PCB板材對微型鉆頭的磨損更加嚴(yán)重,使微鉆的壽命大約降低30%[1]。與此同時,移動電話、平板電腦等智能通訊終端產(chǎn)品的PCB上安裝元件的小型化,推動了PCB小型化的發(fā)展,使得PCB的孔徑越來越?。é?.1 mm),布線密度越來越密(L/S≤0.1 mm/0.1 mm),微鉆加工速度越來越快[2]。因此,對于PCB機(jī)械鉆孔而言,所面臨的是以無鹵素基材為代表的難鉆削材料的引進(jìn)和PCB單位面積小孔徑通孔密度增加以及線路板層數(shù)遞增等多重嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)。
針對這種狀況,國內(nèi)外學(xué)者和業(yè)內(nèi)外人士通過提高微鉆材料的綜合力學(xué)性能、改進(jìn)微鉆的結(jié)構(gòu)設(shè)計或者通過微鉆表面強(qiáng)化等方式來提高微鉆的使用性能。其中,通過氣相沉積的方法在微鉆表面沉積高硬度、耐磨性好、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低的涂層技術(shù)是一項最有前景的技術(shù)。已有的研究表明,涂覆有金剛石涂層的微鉆在加工PCB板時,可以數(shù)倍甚至數(shù)十倍地提高PCB微鉆的壽命[3],但由于目前金剛石涂層微鉆的生產(chǎn)成本較高,在普通PCB板加工領(lǐng)域并沒有得到廣泛的應(yīng)用。種艷琳[4][5]、何天祿[6]等人先后采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù),開發(fā)出用于PCB微鉆的CrAlTiN涂層,可以提高微鉆3倍的使用壽命。但是由于磁控濺射技術(shù)金屬離子的離化率較低,涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度很難達(dá)到微鉆的使用要求。
針對上述問題,深圳金洲精工公司根據(jù)PCB微鉆的工作特點(diǎn),開發(fā)出一種硬度高達(dá)38 GPa、摩擦系數(shù)低至0.255的多層復(fù)合硬質(zhì)HAC涂層,并摸索和開發(fā)出有針對性的微鉆涂層沉積工藝,合理的避免和改善了上述的不足。
以下通過物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)方法,在PCB微鉆上沉積硬質(zhì)HAC涂層,對涂層的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了硬質(zhì)HAC涂層微鉆與未涂層微鉆對比加工測試,分析了鉆孔后的刀面磨損情況和微鉆的使用壽命。
實驗鉆孔測試用PCB微鉆為深圳金洲精工公司生產(chǎn)的UC型微鉆,全長l=38.1 mm,柄徑d=3.175 mm,鉆徑φ=0.30 mm,槽長L=5.0 mm。實驗微鉆采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材料制作。
涂層沉積設(shè)備為改進(jìn)的適用于微型鉆頭涂層生產(chǎn)的PVD設(shè)備。涂層樣品制作流程如圖1。
圖1
實驗采用瑞士CSM公司CPX平臺NHT2-NST型微納米力學(xué)測試系統(tǒng)測量涂層的納米硬度、楊氏彈性模量以及涂層與基材的結(jié)合力。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)多循環(huán)加載模式(Continuous Multi Cycle,CMC)。壓痕初始載荷0.1 mN,最大載荷30 mN,單點(diǎn)20次循環(huán),采集頻率10 Hz。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)HAC涂層的摩擦系數(shù)。摩擦副是直徑φ6mm的Al2O3陶瓷球,加載載荷w=101g,摩擦測試時間10min,旋轉(zhuǎn)半徑r=2.5 mm,旋轉(zhuǎn)速度v=120 r/min。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鉆頭后刀面磨損情況。
采用HITACHI ND-6Y220E型16萬轉(zhuǎn)速鉆機(jī)進(jìn)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)格的未涂層鉆頭進(jìn)行對比測試,實驗條件如表1所示。
表1 鉆孔測試實驗條件
圖2是硬質(zhì)HAC涂層截面形貌的SEM圖片。從圖中可知,硬質(zhì)HAC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)HAC涂層截面形貌
圖3是硬質(zhì)HAC涂層的硬度與彈性模量隨著壓頭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54 nm時,涂層硬度達(dá)到最大值38.9 GPa,此值就是硬質(zhì)HAC涂層的硬度值;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42 nm時達(dá)到最大值516.8 GPa,此值即為硬質(zhì)HAC涂層的彈性模量。
圖3 硬質(zhì)HAC涂層的納米硬度與彈性模量隨壓入深度的變化曲線
圖4是硬質(zhì)HAC涂層與硬質(zhì)合金基材的結(jié)合力測試結(jié)果。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,但是并沒有出現(xiàn)突變,同時聲發(fā)射信號也沒有出現(xiàn)波動,這說明涂層與基材結(jié)合力很好,沒有出現(xiàn)涂層剝落的現(xiàn)象,這一點(diǎn)在劃痕形貌中得以證實,劃痕形貌中未見涂層脫落的情況。
圖4 硬質(zhì)HAC涂層與基材的結(jié)合力測試結(jié)果
實驗采用旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損實驗機(jī)測量硬質(zhì)HAC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)μ= f/w計算得到硬質(zhì)HAC涂層的摩擦系數(shù)μ= 0.255;采用同樣方法測得硬質(zhì)合金基材的摩擦系數(shù)為0.44,結(jié)果見圖5。與硬質(zhì)合金相比,硬質(zhì)HAC涂層的摩擦系數(shù)降低了42 %以上。
圖5 硬質(zhì)HAC涂層與硬質(zhì)合金摩擦系數(shù)
圖6為未涂層微鉆與硬質(zhì)HAC涂層微鉆加工2 000孔的后刀面磨損照片。從磨損圖來看,未涂層微鉆加工2 000孔后,后刀面磨損十分嚴(yán)重,幾乎只剩下三角形形狀;而硬質(zhì)HAC涂層微鉆,在加工2 000孔后,后刀面磨損十分輕微,后刀面及槽內(nèi)未見涂層脫落現(xiàn)象。
圖6 微鉆加工2000孔磨損SEM圖
圖7為硬質(zhì)HAC涂層微鉆加工4 000孔與8 000孔后的后刀面磨損照片??梢钥闯?,硬質(zhì)HAC涂層微鉆在加工4 000孔后,后刀面的磨損任然很小,即使是在加工8 000孔后,雖然微鉆后刀面有一定的磨損,但是仍然保持著完整連續(xù)的保護(hù)涂層。在后刀面與槽內(nèi)仍然沒有涂層脫落現(xiàn)象。這說明硬質(zhì)HAC涂層不僅有著很高的耐磨損性能,而且其與微鉆基材有著十分優(yōu)異結(jié)合性能。
圖7 硬質(zhì)HAC涂層微鉆加工
圖8為未涂層微鉆和硬質(zhì)HAC涂層微鉆的鉆孔加工總壽命結(jié)果。結(jié)果顯示,未涂層微鉆加工生益S1155無鹵素板材時,鉆頭總壽命為7 900孔,而相同型號規(guī)格的硬質(zhì)HAC涂層微鉆,在相同的加工條件下,其總壽命高達(dá)22 500孔,總壽命提高到原來的2.8倍。
圖8 未涂層微鉆與硬質(zhì)HAC涂層微鉆加工壽命圖
出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于硬質(zhì)HAC涂層的納米硬度高達(dá)38.9 GPa,而摩擦系數(shù)低至0.255,同時劃痕實驗證實了硬質(zhì)HAC涂層與硬質(zhì)合金基材具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。鉆孔時硬質(zhì)HAC涂層的高硬度保證了涂層微鉆的耐磨性,微鉆不易磨損;低摩擦系數(shù)保證微鉆鉆孔時排屑良好,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(qiáng)度保證涂層微鉆在鉆孔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)HAC涂層微鉆表現(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。
采用PVD方法和特定生產(chǎn)工藝沉積的硬質(zhì)HAC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)HAC涂層的硬度高達(dá)38.9 GPa,彈性模量為516.8 GPa,摩擦系數(shù)低至0.255,涂層與硬質(zhì)合金基材結(jié)合良好。在本實驗中,硬質(zhì)HAC涂層鉆頭加工典型無鹵素板材時,耐磨性能遠(yuǎn)高于未涂層鉆頭,在相同的加工條件下,硬質(zhì)HAC涂層鉆頭的使用壽命是未涂層鉆頭的2.8倍,大大提升了硬質(zhì)合金微型鉆頭的使用壽命,從而能夠有效地降低PCB機(jī)械加工生產(chǎn)的成本。
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