硬质与超硬涂层在印制电路板微型刀具上的应用（三）--超硬SHC涂层在挠性板微钻上的应用

骆金龙;陈成;张贺勇;罗春峰

【摘要】无人机控制系统通过物理气相沉积方法，在挠性印制电路板微钻上沉积超硬SHC涂层，对涂层的硬度、结合强度等力学性能进行了研究，并进行了超硬SHC涂层微钻与未涂层微钻对比加工测试。实验结果表明，超硬SHC涂层的硬度高，与硬质合金基材结合良好，涂层的摩擦系数低；在本实验中，超硬SHC涂层钻头加工柔性PCB板材时，使用寿命是未涂层钻头的2倍。%Super hard SHC coating is deposited on micro-drills for printed circuit boards drilling by physical vapor deposition, the mechanical properties such as hardness and coating-substrate adhesion of super hard SHC coating are studied, and a comparative drilling test between super hard SHC coated drills and uncoated drills has been done. The results show that the hardness and elastic modulus of super hard SHC coating and the adhesion with substrate are very good. It was also found that the service life of super hard SHC coated drills was 2 times than uncoated ones when drillingfiexible printed circuit boards in this paper.

【期刊名称】《印制电路信息》

【年(卷),期】2014(000)011

【总页数】4页(P39-41,54)

【关键词】挠性印制电路板;超硬SHC涂层;物理气相沉积

【作者】骆金龙;陈成;张贺勇;罗春峰

【作者单位】自熟粉丝机深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东深圳 518116;深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东深圳 518116;深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东深圳 518116;深圳市金洲精工科技股份有限公司，广东深圳 518116

【正文语种】中文

【中图分类】TN41

1 前言

目前， PCB的孔径越来越小（φ0.1mm），布线密度越来越密（L/S≤0.1mm/0.1mm），微钻加工速度越来越快[1]。有的研究表明，涂覆有金刚石涂层的微钻在加工PCB板时，可以数倍甚至数十倍地提高PCB微钻的寿命[2]，但由于目前金刚石涂层微钻的生产成本较高，在普通PCB板加工领域并没有得到广泛的应用。种艳琳[3]-[4]、何天禄[5]等人先后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术，开发出用于PCB微钻的CrAlTiN涂层，可以提高微钻3倍的使用寿命。但是在FPC板材上，此涂层明显不适应，出现了钉头超标，排尘不良，孔位差等情况。

FPC（Flexible Printed Circuit）挠性板，或称软板。是指以PI（聚酰亚胺）或PET（聚脂）薄膜为基材，通过蚀刻在铜箔上形成线路而制成的一种具有高可靠性，绝佳挠曲性的印刷电路。文章通过物理气相沉积（Physical Papor Deposition, PVD）方法，在硬质合金PCB微钻上沉积超硬SHC涂层，对涂层的力学性能进行了研究，并进行了超硬SHC涂层微钻与未涂层微钻对比加工测试，分析了钻孔后的刀面磨损情况，孔位分布情况，缠胶情况，孔内情况和微钻的使用寿命。

2 实验过程

2.1 实验材料

实验钻孔测试用PCB 微钻为深圳金洲精工公司生产的STFP型微钻，全长l=38.1mm，柄径d=3.175mm，钻径φ=0.150mm，槽长L=1.8mm。实验微钻采用超细晶粒碳化钨钴硬质合金材料制作。

2.2 涂层样品制作

涂层沉积设备为改进的适用于微型钻头涂层生产的PVD设备。涂层工艺如图1。

十二水磷酸氢二钠图1

2.3 涂层样品测试分析方法

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的纳米硬度、杨氏弹性模量以及涂层与基材的结合力。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多循环加载模式（Continuous Multi Cycle, CMC）。压痕初始载荷0.1 mN，最大载荷5 mN，单点20次循环，采集频率10 Hz。划痕实验采用直径10μm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超硬SHC涂层的摩擦系数。摩擦副是直径φ6mm的Al2O3陶瓷球，加载载荷w=520 g，摩擦测试时间10min，旋转半径r=2.5 mm，旋转速度v=120 r/min。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钻头后刀面磨损情况。测试参数如表1。

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表1 钻孔测试实验条件实验机台 HITACHI ND-6Y220E型16万转速钻机加工板材新扬1MIL1/3OZ双面无胶ED基材,10块一叠加工参数进给22mm/s；转速160k rpm；回刀300mm/s盖、垫板 0.5mm酚醛盖板，0.8mm酚醛垫板加上2.5mm木浆垫板

3 超硬SHC涂层结构与性能研究

3.1 超硬SHC涂层形貌分析

图2是超硬SHC涂层截面形貌的SEM图片。从图A和B中可知，超硬SHC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,且表面极为光滑。由图C和D可知，涂层刀具表面及其光滑，涂层对刀具表面无任何损伤。无明显大液滴存在。

图2 超硬SHC涂层形貌分析

图3 为拉曼光谱分析，由图可知超硬S H C涂层的sp3含量高达75%。样品A：ID/IG=2124/731=2.9(sp3)%=74.3%；样品B：ID/IG=2247/681=3.3(sp3)%=76.7%。其中：ID：表示Diamond峰强度，波数在1340左右；IG：表示Graphite峰强度，波数在1580左右。ID峰的强度一定程度上代表着sp3键的含量，以下sp3含量仅具有参考意义。本拟合方法采用高斯函数拟合，峰与横坐标的面积代表sp2或者sp3键成分含量。[6][7]

图3 拉曼光谱分析

3.2 超硬SHC涂层硬度与弹性模量

图4是超硬SHC涂层的硬度与弹性模量随着压头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60 nm时，涂层硬度达到最大值60 GPa，此值就是超硬SHC涂层的硬度值；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50 nm时达到最大值610.8 GPa，此值即为超硬SHC涂层的弹性模量。

图4 超硬SHC涂层的纳米硬度与弹性模量随压入深度的变化曲线

3.3 超硬SHC涂层的结合力

图5是超硬SHC涂层与硬质合金基材的结合力测试结果。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，在247Mn时，涂层出现轻微剥落。

图5 超硬SHC涂层与基材的结合力测试结果

3.4 超硬SHC涂层摩擦系数

实验采用旋转式摩擦磨损实验机测量超硬SHC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μ=f/w计算得到超硬SHC涂层的摩擦系数μ=0.116。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，超硬SHC涂层的摩擦系数降低了287.9%以上。

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4 超硬SHC涂层钻头在软板上的加工性能研究

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