Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多元多層薄膜在微型鉆頭上的應用性能
發布時間：2020-10-12
微電子線路板(PCB)精細加工用的微型鉆頭(0.10~1.00mm)需要在高溫、高速、高磨損、強腐蝕等苛刻條件下進行長期、穩定、高速切削。鉆孔時鉆速高、孔徑小、排屑難、溫度高，且線路板材料對微型鉆頭的腐蝕性極強，微型鉆頭很容易因擴散、粘結、熱電磨損而失效。目前主要有2種解決途徑：一是改進硬質合金材質，這對微鉆的性能和壽命的提高有限；另一種是在傳統硬質合金鉆頭表面鍍制一層或多層硬質薄膜。常規的金屬氮化物摩擦系數較大(與鋼對磨摩擦系數大于0.2)，長時間高速切削時摩擦熱量高，會造成線路板低熔點材料熔化或半熔化，以致降低線路板的質量，甚至造成不良品。類金剛石膜摩擦系數低，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不能有效地保護微鉆基體。因此，單一膜層難以達到微型鉆頭的使用要求。
CrTiAlN膜硬度高，耐熱性能好，而CrTiAlCN膜摩擦系數低。針對微型鉆頭的使用工況，本工作首次設計了Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多層膜，利用梯度過渡提高膜層結合力，且CrTiAlN可對CrTiAlCN起到良好的支撐作用。將多靶反應磁控濺射與陽極層流型矩形氣體離子源輔助技術相結合，在WC硬質合金和微型鉆頭上分別沉積Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多層膜，研究了多層膜的結構、形貌及鉆削性能。
1、試驗
1.1 基體前處理
基體分別為WC硬質合金(牌號YG6，尺寸20mm*20mm*5mm)和UNION TOOL UC 0.3*5.5微型鉆頭(牌號為YG6的硬質合金)。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
采用中頻反應磁控濺射，并結合陽極層流型矩形氣體離子源進行多元多層梯度硬質薄膜的沉積。沉積裝置為北京丹普表面技術有限公司的AS600DMTG型PVD多功能離子鍍膜機，有6個尺寸為720mm*120mm的非平衡磁控濺射靶(UBM)和2個長720mm的陽極層流型氣體離子源(IBS)，6個UBM分別裝上不同靶材，通過控制靶電流來控制薄膜的成分。反應氣體經離子源離化射出，采用純度為99.99%的高純氬、高純氮及高純甲烷。
基材裝進真空室后抽真空至5*10的-3Pa，通氬氣至0.1Pa，用離子源結合偏壓濺射清洗基材表面后依次沉積Cr，CrN，CrTiAlN，CrTiAlCN，沉積工藝參數見表1。
1.3 測試分析
用PHI700型納米掃描俄歇系統分析多層膜成分。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型顯微硬度計測量，采用維氏壓痕，載荷0.25N，保荷15s。采用HH-3000型薄膜結合強度劃痕試驗儀測量膜/基結合力，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儀在大氣環境下測試膜層摩擦性能，載荷3N，旋轉半徑20mm，轉速400r/min，測試時間120min。5個直徑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層復合板，收集斷針數據，進行自動光學檢查(AOI)孔位量測、切片，測試鉆頭斷針、批鋒、塞孔、孔位精度、孔粗，鉆削參數見表2。
2、結果與討論
2.1 多層膜的結構、形貌及性能
WC硬質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。結合圖1分析，圖2中第1，2層為CrCrN過渡層，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，膜層的多元多層結構貫穿到基體孔隙，這有利于提高基體耐蝕性。通過梯度過渡的方式，可顯著提高膜/基結合強度，測得膜/基結合力大于80N，達到甚至大于陰極電弧離子鍍TiN等硬質薄膜的結合強度。測得膜/基復合顯微硬度為2631HV，與鋼對磨的摩擦系數為0.113，硬度及摩擦系數明顯優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。這是微鉆能夠實際應用的基本保證，若鉆頭幾何角度發生變化，容易導致高速鉆削過程中鉆頭折斷。
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，將保證高速鉆削時鉆頭原有的動平衡不變，不產生額外的微跳動，可以確保良好的孔精度及減少斷針。
2.2.2 鉆削性能
5個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(CPK)見表3。由表3可知：5個鉆頭鍍多層膜后，在鉆削中均無斷針、批鋒、塞孔現象，CPK達到技術指標(1.33以上)，孔壁粗糙度也滿足技術指標，使用壽命提高1倍多，鉆孔品質能滿足實際要求。
圖4為鍍膜和未鍍膜的微型鉆頭鉆削6000個孔之后的鉆尖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重，刃型已發生變化，完全不能保證鉆孔質量(見圖4b)。因此，多層薄膜對微鉆有非常明顯的保護作用，有利于提高鉆孔質量。
在微鉆表面沉積多元梯度膜，多層結構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，能有效地保護基體，提高其使用壽命；膜層極低的摩擦系數，能減少鉆削過程中產生的熱量，增加排屑的順暢性，解決斷針、批鋒、塞孔等問題，滿足孔位精度、孔壁粗糙度等的技術要求。
3、結論
(1)WC硬質合金沉積Cr/CrN/CrTiAlN/CrTiAlCN多元多層梯度膜，顯微硬度為2631HV，膜基結合力大于80N，摩擦系數為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、塞孔等問題，滿足孔位精度、孔壁粗糙度等的技術要求。
文章來源：廣州有色金屬研究院材料表面工程研究所
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