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Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多元多層薄膜在微型鉆頭上的應(yīng)用性能
發(fā)布時(shí)間：2020-10-12
微電子線路板(PCB)精細(xì)加工用的微型鉆頭(0.10~1.00mm)需要在高溫、高速、高磨損、強(qiáng)腐蝕等苛刻條件下進(jìn)行長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高速切削。鉆孔時(shí)鉆速高、孔徑小、排屑難、溫度高，且線路板材料對(duì)微型鉆頭的腐蝕性極強(qiáng)，微型鉆頭很容易因擴(kuò)散、粘結(jié)、熱電磨損而失效。目前主要有2種解決途徑：一是改進(jìn)硬質(zhì)合金材質(zhì)，這對(duì)微鉆的性能和壽命的提高有限；另一種是在傳統(tǒng)硬質(zhì)合金鉆頭表面鍍制一層或多層硬質(zhì)薄膜。常規(guī)的金屬氮化物摩擦系數(shù)較大(與鋼對(duì)磨摩擦系數(shù)大于0.2)，長(zhǎng)時(shí)間高速切削時(shí)摩擦熱量高，會(huì)造成線路板低熔點(diǎn)材料熔化或半熔化，以致降低線路板的質(zhì)量，甚至造成不良品。類金剛石膜摩擦系數(shù)低，但300以上開始石墨化，耐磨性能急劇下降，微電子線路板加工時(shí)不能有效地保護(hù)微鉆基體。因此，單一膜層難以達(dá)到微型鉆頭的使用要求。
CrTiAlN膜硬度高，耐熱性能好，而CrTiAlCN膜摩擦系數(shù)低。針對(duì)微型鉆頭的使用工況，本工作首次設(shè)計(jì)了Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多層膜，利用梯度過(guò)渡提高膜層結(jié)合力，且CrTiAlN可對(duì)CrTiAlCN起到良好的支撐作用。將多靶反應(yīng)磁控濺射與陽(yáng)極層流型矩形氣體離子源輔助技術(shù)相結(jié)合，在WC硬質(zhì)合金和微型鉆頭上分別沉積Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多層膜，研究了多層膜的結(jié)構(gòu)、形貌及鉆削性能。
1、試驗(yàn)
1.1 基體前處理
基體分別為WC硬質(zhì)合金(牌號(hào)YG6，尺寸20mm*20mm*5mm)和UNION TOOL UC 0.3*5.5微型鉆頭(牌號(hào)為YG6的硬質(zhì)合金)。鍍膜前清洗流程：5%金屬清洗劑超聲除油(60~80℃，60min)->去離子水沖洗->去離子水超聲清洗(室溫，10min)->去離子水沖洗->脫水->烘干。
1.2 多層薄膜的制備
采用中頻反應(yīng)磁控濺射，并結(jié)合陽(yáng)極層流型矩形氣體離子源進(jìn)行多元多層梯度硬質(zhì)薄膜的沉積。沉積裝置為北京丹普表面技術(shù)有限公司的AS600DMTG型PVD多功能離子鍍膜機(jī)，有6個(gè)尺寸為720mm*120mm的非平衡磁控濺射靶(UBM)和2個(gè)長(zhǎng)720mm的陽(yáng)極層流型氣體離子源(IBS)，6個(gè)UBM分別裝上不同靶材，通過(guò)控制靶電流來(lái)控制薄膜的成分。反應(yīng)氣體經(jīng)離子源離化射出，采用純度為99.99%的高純氬、高純氮及高純甲烷。
基材裝進(jìn)真空室后抽真空至5*10的-3Pa，通氬氣至0.1Pa，用離子源結(jié)合偏壓濺射清洗基材表面后依次沉積Cr，CrN，CrTiAlN，CrTiAlCN，沉積工藝參數(shù)見表1。
1.3 測(cè)試分析
用PHI700型納米掃描俄歇系統(tǒng)分析多層膜成分。用CM200FEG型透射電子顯微鏡(TEM)及JSM5910型掃描電鏡(SEM)觀察多層膜的表面形貌。膜層的顯微硬度用MH-5D型顯微硬度計(jì)測(cè)量，采用維氏壓痕，載荷0.25N，保荷15s。采用HH-3000型薄膜結(jié)合強(qiáng)度劃痕試驗(yàn)儀測(cè)量膜/基結(jié)合力，最大載荷100N，加載速度100N/min，劃痕速度4mm/min。采用MS-T3000型球盤摩擦磨損試驗(yàn)儀在大氣環(huán)境下測(cè)試膜層摩擦性能，載荷3N，旋轉(zhuǎn)半徑20mm，轉(zhuǎn)速400r/min，測(cè)試時(shí)間120min。5個(gè)直徑0.3mm的鉆頭沉積多層薄膜后，鉆削厚1.5mm的4層覆銅的玻璃纖維增強(qiáng)層復(fù)合板，收集斷針數(shù)據(jù)，進(jìn)行自動(dòng)光學(xué)檢查(AOI)孔位量測(cè)、切片，測(cè)試鉆頭斷針、批鋒、塞孔、孔位精度、孔粗，鉆削參數(shù)見表2。
2、結(jié)果與討論
2.1 多層膜的結(jié)構(gòu)、形貌及性能
WC硬質(zhì)合金基體上沉積的多元多層梯度膜的俄歇成分深度分布曲線見圖1，斷面TEM形貌見圖2。結(jié)合圖1分析，圖2中第1，2層為CrCrN過(guò)渡層，厚約350nm；第3，4層為CrTiAlN層，厚約650nm；第5，6層為CrTiAlCN層，厚約500nm；多層膜總厚度約為1.50um。由圖2也可看到，膜層的多元多層結(jié)構(gòu)貫穿到基體孔隙，這有利于提高基體耐蝕性。通過(guò)梯度過(guò)渡的方式，可顯著提高膜/基結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)得膜/基結(jié)合力大于80N，達(dá)到甚至大于陰極電弧離子鍍TiN等硬質(zhì)薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。測(cè)得膜/基復(fù)合顯微硬度為2631HV，與鋼對(duì)磨的摩擦系數(shù)為0.113，硬度及摩擦系數(shù)明顯優(yōu)于用此法制備的類金剛石膜。
2.2 鍍膜鉆頭的形貌及鉆削性能
2.2.1 不同部位形貌
微型鉆頭鍍多元梯度膜后，微鉆刃型保持完好，刃口角度沒有改變，鉆尖表面基本沒有改變。這是微鉆能夠?qū)嶋H應(yīng)用的基本保證，若鉆頭幾何角度發(fā)生變化，容易導(dǎo)致高速鉆削過(guò)程中鉆頭折斷。
圖3為鍍多元梯度膜后微型鉆頭的斷面SEM形貌。
測(cè)得同一鉆頭鍍多元梯度膜后刃面部位的膜層約厚1.35um，排屑槽部位的膜層約厚1.34um，而隨爐平面樣膜層厚度為1.50um。也就是說(shuō)同一鉆頭不同部位所沉積的膜層厚度基本一致；刃部膜層比平面樣薄，這主要是各部位與靶之間的距離不同而造成的。膜層不同部位的均勻性，將保證高速鉆削時(shí)鉆頭原有的動(dòng)平衡不變，不產(chǎn)生額外的微跳動(dòng)，可以確保良好的孔精度及減少斷針。
2.2.2 鉆削性能
5個(gè)鉆頭鍍多層膜后鉆削的孔壁粗糙度及孔位精度制程能力指數(shù)(CPK)見表3。由表3可知：5個(gè)鉆頭鍍多層膜后，在鉆削中均無(wú)斷針、批鋒、塞孔現(xiàn)象，CPK達(dá)到技術(shù)指標(biāo)(1.33以上)，孔壁粗糙度也滿足技術(shù)指標(biāo)，使用壽命提高1倍多，鉆孔品質(zhì)能滿足實(shí)際要求。
圖4為鍍膜和未鍍膜的微型鉆頭鉆削6000個(gè)孔之后的鉆尖SEM形貌。鍍膜鉆頭鉆削后，在刃口處膜層均勻磨損，刃型保持良好(見圖4a)；未鍍膜的鉆頭刃口磨損嚴(yán)重，刃型已發(fā)生變化，完全不能保證鉆孔質(zhì)量(見圖4b)。因此，多層薄膜對(duì)微鉆有非常明顯的保護(hù)作用，有利于提高鉆孔質(zhì)量。
在微鉆表面沉積多元梯度膜，多層結(jié)構(gòu)能減少膜層中貫穿到基體的孔隙，提高基體耐蝕性；膜層硬度高、耐磨損，能有效地保護(hù)基體，提高其使用壽命；膜層極低的摩擦系數(shù)，能減少鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，增加排屑的順暢性，解決斷針、批鋒、塞孔等問(wèn)題，滿足孔位精度、孔壁粗糙度等的技術(shù)要求。
3、結(jié)論
(1)WC硬質(zhì)合金沉積Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多元多層梯度膜，顯微硬度為2631HV，膜基結(jié)合力大于80N，摩擦系數(shù)為0.113。
(2)微鉆鍍膜后刃型完好，刃口角度沒有改變，同一鉆頭不同部位沉積的膜層厚度一致。
(3)微鉆鍍膜后使用壽命提高1倍以上，且解決了斷針、批鋒、塞孔等問(wèn)題，滿足孔位精度、孔壁粗糙度等的技術(shù)要求。
文章來(lái)源：廣州有色金屬研究院材料表面工程研究所
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