硬质与超硬涂层在印制电路板微型刀具上的应用（二）——硬质硬质HCN涂层在微型铣刀上的应用

陈 成 屈建国 张贺勇 骆金龙 罗春峰

（深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东 深圳 518116）

1 前言

加工印制电路板[1]（以下简称PCB）微型刀具主要的加工对象是铜箔、树脂及增强材料。存在的一些问题是，首先印制电路板中含有大量的树脂和增强材料的硬度和强度高，普通的微型刀具在加工过程中磨损速度快，磨损量大，刀具的寿命短；其次，微型刀具加工印制电路板时，切屑容易堵塞在刀具的排屑槽内，造成排尘不良，会严重降低孔壁质量；再次，印制电路板中含有铜箔，加工时铜屑易粘在PCB微型刀具的刃口上，在刃口形成积屑瘤，也会严重降低PCB加工质量。

为了提高PCB微型刀具的寿命及其加工质量，国内外很多企业都对微型刀具进行表面改性处理，如化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。化学气相沉积是利用气相物质在工件表面的化学反应形成固态薄膜的工艺方法，如直流辉光放电等离子体CVD、射频辉光放电等离子体CVD、电子回旋CVD等；物理气相沉积是在真空条件下，利用物理方法，将沉积物材料气化为原子、分子或离子化为离子，直接沉积到基体表面的方法，如离子束沉积法。

然而将常规刀具涂层制备工艺直接转移到微型刀具时，制备出的涂层与微型刀具基体的结合力低，涂层易脱落而失去了保护作用，导致刀具性能仍不够好，使用寿命也仍较短，这在PCB微型刀具上体现的尤其明显。常规涂层与微型刀具基体的结合力差，为了提高涂层与基体的结合力，在涂层制备之前，均会采用刻蚀工艺提高涂层的结合力。比如电弧离子镀[2]采用钛离子轰击净化提高涂层与基体的结合力，工作偏压800 V～1000 V，高能量、高密度的钛离子到达工件的主要是溅射作用，溅射作用大于沉积作用不会形成膜，可以形成“伪扩散层”，金属原子质量大，溅射净化效果好。另外，磁控溅射[3]采用氩离子轰击净化，向真空腔室充入氩气，真空保持在1Pa～3Pa，轰击电压1000 V～3000 V，发生辉光放电，产生氩等离子体轰击净化刀具基体。无论采用钛离子轰击或是氩离子轰击，离子能量均在几百到一千电子伏特，离子能量不足，不能完全清除基体表面的杂质，因而制备的涂层与基体的结合力仍然不够好，特别是在微型刀具上沉积涂层时，容易出现涂层脱落，露出硬质合金基体，即不能充分发挥涂层的耐磨保护作用。

针对上述问题，深圳金洲精工公司根据PCB硬质合金铣刀的特点，通过物理气相沉积方法，开发出一种硬度高达36.6 GPa、摩擦系数低至0.35的多层复合硬质HCN涂层，并摸索和开发出有针对性的涂层制备工艺，合理的避免和改善了上述的不足。

2 实验方法

2.1 实验材料

实验采用抛光处理的硬质合金块作为硬质HCN涂层力学性能测试样品的基材。实验铣削测试用PCB硬质合金铣刀为断屑型铣刀，深圳金洲精工产品型号为171RNφ1.0～7.0，全长l=38.1mm，柄径d=3.175mm，刃径φ=1.0mm，槽长L=7.0mm。实验铣刀采用超细晶粒的硬质合金材料制作。

2.2 涂层样品制作

涂层沉积设备为改进的适用于微型铣刀涂层生产的PVD设备，其制作流程如图1。

图1

2.3 涂层样品测试分析方法

实验采用安捷伦公司的纳米压痕仪（Nano Indenter G200）测量硬质HCN涂层的硬度和弹性模量。为了获得涂层的硬度与弹性模量随压入深度的变化，硬度测试时采用连续刚度测量技术， 连续刚度测量技术（Continuous Stiffness Measurements）已被列为中国纳米压痕测试国家标准，压痕初始载荷0.1 mN，最大载荷20 mN，采集频率45 Hz，选择10个不同位置的进行压痕实验。

实验采用瑞士CSM公司CPX平台NHT2-MST型微纳米力学测试系统测量涂层与基材的结合力。划痕实验采用直径10 μm的金刚石划针进行线性加载，初始载荷5 mN，最大载荷500 mN，加载速率990 mN/min，划痕速率1 mm/min。

采用旋转式摩擦磨损实验机测量硬质HCN涂层的摩擦系数。摩擦副是直径φ6 mm的Al2O3陶瓷球，加载载荷w=101 g，摩擦测试时间10 min，旋转半径r=2.5 mm，旋转速度v=120rpm。测试温度25±2℃，环境湿度45%±2%。

采用日本电子JSM-6701F场发射扫描电子显微镜分析涂层截面形貌以及铣刀后刀面磨损情况。

采用HITACHI NR-1S211E型8万转速钻机进行铣削加工，测试涂层铣刀的耐磨性能。实验选取相同型号规格的未涂层铣刀进行对比测试，铣削加工测试实验条件如表1。

表1 铣削加工测试实验条件

3 硬质HCN涂层的力学性能

3.1 硬质HCN涂层截面形貌

图2是硬质HCN涂层截面形貌的SEM图片。从图中可知，硬质HCN涂层组织细小、致密，无明显晶界、微裂纹、针孔等缺陷；涂层与硬质合金基材无明显的分界面，涂层和基体之间具有良好的结合力。

图2 硬质HCN涂层截面形貌

3.2 硬质HCN涂层硬度与弹性模量

实验取两个样品分析硬质HCN涂层硬度和弹性模量，分别用红色线条和蓝色线条表示，如图3和图4；图3是硬质HCN涂层的硬度平均值随着压入深度的变化曲线，图4是硬质HCN涂层的弹性模量平均值随着压入深度的变化曲线。从图中可知，随着压入深度的增加，涂层的纳米硬度逐渐增大，当压入深度约为20 nm时，涂层硬度达到最大值，此值即为硬质HCN涂层在该压痕处的纳米硬度H=（36.73±2.35）GPa；随着压入深度继续增加时，压痕响应由于受到衬底的影响，由此造成了硬度的下降。涂层的弹性模量出现了与纳米硬度相似的变化曲线，弹性模量在压入深度为20 nm时达到最大值，此值即为硬质HCN涂层在该压痕处的弹性模量E=（535.89±42.75）GPa。

图3 硬质HCN涂层的纳米硬度随压入深度的变化曲线

图4 硬质HCN涂层的弹性模量随压入深度的变化曲线

3.3 硬质HCN涂层与硬质合金基体的结合强度

图5是硬质HCN涂层与硬质合金基材的结合力图谱。由图示的曲线可知，在划痕测试过程中，随着正向载荷的增加，摩擦力与摩擦系数逐渐增大，但正向载荷增加到394 mN时，摩擦力与摩擦系数出现突变，同时声发射信号也出现波动，这说明涂层与基材结合力达到394 mN，涂层与基体结合力良好。

图5 硬质HCN涂层与基材的结合力图谱

3.4 硬质HCN涂层摩擦系数

实验采用旋转式摩擦磨损实验机测量硬质HCN涂层的摩擦系数。取摩擦平稳时的摩擦应变ε=7.5，经公式摩擦力f=3.44ε与摩擦系数没μ=f/w计算得到硬质HCN涂层的摩擦系数μ=0.35。采用同样方法测得硬质合金基材的摩擦系数为0.45。与硬质合金相比，硬质HCN涂层的摩擦系数降低了22%以上。

4 硬质HCN涂层在PCB板材上的运用

4.1 硬质HCN涂层硬质合金铣刀耐磨性能

图6和图7为硬质HCN涂层硬质合金铣刀加工3 m后的切削刃和后刀面磨损照片。可以看出，硬质HCN涂层硬质合金铣刀在加工3 m孔后，切削刃和后刀面的磨损仍然很小，虽然硬质合金铣刀刃口有一定的磨损，但是在后刀面与槽内仍然没有涂层脱落现象，仍然完整的保持着耐磨保护作用；这说明硬质HCN涂层不仅有着很高的耐磨损性能，而且与硬质合金铣刀基材结合十分牢固，充分发挥了硬质HCN涂层高硬度，低摩擦系数的性能。

图6 二次元拍摄的宏观磨损图

图7 扫描电镜拍摄的微观磨损图

4.2 硬质HCN涂层硬质合金铣刀加工寿命

图8为硬质HCN涂层硬质合金铣刀和未涂层铣刀的加工PCB板材的寿命结果。结果显示，未涂层硬质合金铣刀加工生益S1170板材时，铣刀使用寿命为6.5 m，而相同型号规格的硬质HCN涂层硬质合金铣刀，在相同的加工条件下，其使用寿命高达17.7 m，寿命提高到原来的2.7倍。

图8 硬质HCN涂层硬质合金铣刀与未涂层硬质合金铣刀加工寿命

出现这种现象的原因在于硬质HCN涂层的纳米硬度高达36.7 GPa，而摩擦系数低至0.35，同时划痕实验证实了硬质HCN涂层与硬质合金基材具有良好的结合强度。铣削时硬质HCN涂层的高硬度保证了涂层硬质合金铣刀的耐磨性，硬质合金铣刀不易磨损；低摩擦系数保证硬质合金铣刀铣削时排屑良好，排屑通道不会被阻塞，降低了摩擦阻力，从而降低了铣削时的扭矩；良好的涂层与基材结合强度保证涂层硬质合金铣刀在铣削时一直处在涂层的保护下工作。上述三种因素综合作用，从而使硬质HCN涂层硬质合金铣刀表现出很好的耐磨性能，大大提升了硬质合金微型铣刀的使用寿命。

5 结论

采用PVD方法和特定生产工艺制备的硬质HCN涂层，组织细小、致密，无明显晶界、微裂纹、针孔等缺陷。硬质HCN涂层的硬度高达36.7 GPa，弹性模量为535.8 GPa，摩擦系数低至0.35，涂层与硬质合金基材结合良好。硬质HCN涂层铣刀加工PCB板材时，耐磨性能远高于未涂层铣刀，在相同的加工条件下，硬质HCN涂层铣刀的使用寿命是未涂层铣刀的2.7倍，大幅提升了硬质合金微型铣刀的使用寿命。

[1]陈海斌,付连宇,罗春峰. PCB用微钻技术的趋势研究[J]. 印制电路信息, 2008(8)：34-37.

[2]黄美东,孙超,林国强,董闯,闻立时. 脉冲偏压电弧离子低温沉积硬质薄膜的力学性能[J]. 金属学报,2003(5)：516-520.种艳琳,蒋白灵,白力静. 闭合场非平衡磁控溅射

[3]离子CrAlTiN镀层在PCB用微钻中的应用[J]. 表面技术,2006(2)：65-68.