[0001] 本发明属于钻孔工具技术领域， 尤其涉及一种刀具复合涂层、 刀具和刀具复合 涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 随着印制电路板企业的发展， 特别是在整个经济增速放缓的情况下， 各个企业 求， 如增加微型 PCB刀具的加工孔数， 提升微型 PCB刀具加工的板材厚度等。 但 是印制电路板加工存在较大的难题， 首先印制电路板中含有大量的树脂和增强 材料， 印制电路板的硬度和强度高， 普通的微型 PCB刀具在加工印制电路板的过 程中磨损速度快， 磨损量大， PCB刀具的寿命短； 其次， 微型 PCB刀具加工印制 电路板吋， 切屑容易堵塞在 PCB刀具的排屑槽内， 造成排尘不良， 会严重降低印 制电路板的孔壁质量； 再次， 印制电路板中含有铜箔， PCB微型 PCB刀具加工印 制电路板吋， 铜屑易粘在 PCB微型 PCB刀具的刃口上， 在刃口形成积屑瘤， 也会 严重降低 PCB微型 PCB刀具加工印制电路板的质量。 由于未涂层 PCB刀具提升幅 度有限， 急需将涂层材料运用到 PCB微型 PCB刀具上， 以大幅度提升 PCB微型 PC B刀具的加工性能。

[0003] 为了提高 PCB微型 PCB刀具的寿命及其加工印制电路板的质量， 国内外很多企 业都对微型 PCB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， 同吋该技术已经广泛运用在钢铁等金属加工上 ， 可以提升未 涂层 PCB刀具的寿命达 2倍以上。 然而将这些方法直接转移到微型 PCB刀具吋， 存在较多问题。 首先将常规 PCB刀具涂层工艺直接转移到微型 PCB刀具吋， 制备 出的涂层与微型 PCB刀具基体的结合力低， 涂层易脱落而失去了保护作用； 其次 微型 PCB刀具刃径极小， 在微型 PCB刀具上制备涂层吋， 刃口容易出现尖端放电 ， 造成刃口严重烧伤。 再次涂层表面液滴多， 表面摩擦系数高， 在加工 PCB板材 吋， 容易出现排尘不良， 刃口粘铜等问题， 钻孔质量欠佳， 刀具使用寿命短。 技术问题 [0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足， 提供了一种刀具复合涂层、 刀具 和刀具复合涂层的制备方法， 其既能大大减少钻头加工的断针率， 又能将钻头 的使用寿命提高至 4至 10倍， 同吋可保证钻孔质量， 大幅度提升 PCB的加工效率 ， 降低生产成本

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明的技术方案是： 一种刀具复合涂层， 包括核心层和顶层； 所述核心层是 MeAlX复合层且厚度为 0.1至 ΙΟμηι; 所述顶层为四面体非晶碳膜层且厚度 0.01至 1 Ομηΐ; 其中 Me代表 Ti、 Cr、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zr等金属元素以及非金 属元素 Si中的至少一种， X代表 N、 C、 B中的一种或两种或三种， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.30≤A1/(A1+Me)≤0.80。

[0006] 可选地， 所述刀具复合涂层还包括至少一层中间层， 所述中间层包括打底层和 过渡层中的任意一层， 或者， 所述中间层包括层叠设置的打底层和过渡层； 所 述打底层为 Me层且厚度为 0.01至 ΙΟμηι; 所述过渡层为 MeX层且厚度为 0.01至 15μ m°

[0007] 可选地， 所述四面体非晶碳膜层由为 C元素组成的四面体非晶碳膜层， 由 40% 至 90%的 sp3键碳原子为骨架构成。

[0008] 本发明还提供了一种刀具， 所述刀具包括刀具基体， 所述刀具基体的部分表面 或全部表面设置有上述的刀具复合涂层。

[0009] 本发明还提供了一种刀具复合涂层的制备方法 ， 包括以下步骤：

[0010] (1) 制备核心层： 将所述刀具要放入物理气相沉积设备， 于刀具上沉积形成 MeAlX核心层并得到半成品， 其中， 所述 Me代表 Al、 Ti、 Cr、 V、 Mn、 Fe、 Co 、 Ni、 Cu、 Zr等金属元素以及非金属元素 Si中的至少一种， X代表 N、 C、 B中的 一种或两种或三种， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.30≤A1/(A1+Me)≤0.80。

[0011] (2) 制备四面体非晶碳膜层： 将所述半成品放入物理气相设备中， 于所述核 心层上沉积四面体非晶碳膜层。

[0012] 可选地， 在制备所述核心层之前， 所述制备方法还包括以下步骤： [0013] (1) 制备打底层： 将刀具基体放入电弧离子镀设备中， 采用电弧离子镀技术 在刀具基体表面沉积由 Me形成的打底层， 得到第一半成品；

[0014] (2) 制备过渡层： 在电弧离子镀设备中， 通入含 N、 C、 B中至少一种元素的 气体， 电弧离子镀设备所用靶材为 Me靶材， 采用电弧离子镀技术在所述第一半 成品的打底层上沉积形成 MeX过渡层并得到第二半成品， 其中， 所述 X代表 N、 C、 B中的一种或两种或三种。

[0015] 可选地， 所述打底层的厚度为 0.01至 ΙΟμηι; 所述过渡层的厚度为 0.01至 15μηι _; 所述核心层的厚度为 0.1至 ΙΟμηι; 所述四面体非晶碳膜层的厚度为 0.01至 10μηι。

[0016] 可选地， 在制备打底层的步骤中， 当真空达到 5.0xl0-3Pa， 幵启强流金属蒸汽 真空电弧离子源， 进行 Me离子注入， Me离子注入到刀具基体的表面以下； 再通 过电弧离子镀技术在第一半成品的表面沉积 Me过渡层， 电弧离子镀的弧电流 50 至 100A， 脉冲偏压峰值 -100至 -500 V， 占空比 10%至 80%。

[0017] 可选地， 在制备过渡层步骤中， 通入含 N、 C、 B中至少一种元素的气体， 采用 电弧离子镀技术在打底层上沉积 MeX过渡层， 所用靶材为纯金属 Me靶材， 气体 的流量为 50至 500sccm， 电弧离子镀的弧电流 50至 100A， 脉冲偏压峰值 -100至 -50 0 V, 占空比 10%至 80%。

[0018] 可选地， 在制备核心层步骤中， 所述所述物理气相沉积设备中纯金属靶材或者 合金靶材电流为 5至 10Α， 离子源功率为 1.0至 3.0Kw， Ar气体流量为 50至 300sccm ， 含N、 C、 B中至少一种元素的气体流量 50至 300sccm， 脉冲负偏压峰值 -50至 -2 00V, 占空比 10%至 80<¾。

发明的有益效果

有益效果

[0019] 本发明所提供的一种刀具复合涂层、 刀具和刀具复合涂层的制备方法， 其通过 在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出硬度高 、 摩擦系数低、 结合力好、 耐高 温性好的多层纳米复合涂层， 可以保证微钻在高速加工普通 FR-4、 无卤素、 HT G、 柔性板以及封装基板等 PCB材料吋， 既能大大减少断针率， 又能将微钻的使 用寿命提高至 4至 10倍， 同吋可保证钻孔质量， 大幅度提升 PCB的加工效率， 降 低生产成本。 对附图的简要说明

附图说明

[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案 ， 下面将对实施例中所需要使用 的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实 施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的前提下， 还可以 根据这些附图获得其他的附图。

[0021] 图 1是本发明实施例提供的刀具复合涂层的平面� �意图；

[0022] 图 2是本发明实施例提供的刀具复合涂层中四面� �非晶碳膜层的纳米硬度随压 入深度的变化曲线图；

[0023] 图 3是本发明实施例提供的刀具复合涂层中核心� � （MeAlX涂层） 的纳米硬度 随压入深度的变化曲线图；

[0024] 图 4是本发明实施例提供的刀具复合涂层中四面� �非晶碳膜层的拉曼光谱分析 图。

本发明的实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例 ， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明， 并不用于限定本发明。

[0026] 需要说明的是， 当元件被称为 "固定于"或"设置于"另一个元件， 它可以直接在 另一个元件上或者可能同吋存在居中元件。 当一个元件被称为是 "连接于"另一个 元件， 它可以是直接连接到另一个元件或者可能同吋 存在居中元件。

[0027] 还需要说明的是， 本发明实施例中的左、 右、 上、 下等方位用语， 仅是互为相 对概念或是以产品的正常使用状态为参考的， 而不应该认为是具有限制性的。

[0028] 如图 1所示， 本发明实施例提供的一种刀具复合涂层， 包括核心层 3和顶层 4; 所述核心层 3是 MeAlX复合层且厚度为 0.1至 ΙΟμηι; 所述顶层 4为四面体非晶碳膜 层且厚度 0.01至 ΙΟμηι; 其中 Me代表 Ti、 Cr、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zr等金 属元素以及非金属元素 Si中的至少一种， X代表 N、 C、 B中的一种或两种或三种 ， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.30≤A1/(A1+Me)≤0.80。 [0029] 优选地， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.40≤A1/(A1+Me)≤0.75。

[0030] 更优选地， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.45≤A1/(A1+Me)≤0.75。

[0031] 本实施例中， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比满足 0.50≤A1/(A1+Me)≤0.70。

[0032] 具体地， 所述刀具复合涂层还包括至少一层中间层， 所述中间层包括打底层 1 和过渡层 2中的任意一层， 即打底层 1和过渡层 2均可以直接沉积于刀具基体， 或 者， 所述中间层包括层叠设置的打底层 1和过渡层 2， 即可以包括打底层 1-过渡层 2-打底层 1-过渡层 2依次层叠的结构。

[0033] 具体地， 所述打底层 1为 Me层且厚度为 0.01至 ΙΟμηι; 所述过渡层 2为 MeX层且 厚度为 0.01至 15μηι。

[0034] 优选地， 打底层 1的厚度可为 0.05至 ΙΟμηι, 例如， 0.1至 10μηι。

[0035] 优选地， 过渡层 2的厚度可为 0.05至 ΙΟμηι, 例如， 0.1至 10μηι。

[0036] 具体地， 所述四面体非晶碳膜层由为 C元素组成的四面体非晶碳膜层 (ta-c结构 的类金刚石)， 由 40%至 90%的 sp3键碳原子为骨架构成。

[0037] 具体地， 四面体非晶碳膜层 （ Ta-C) 的 拉曼光谱分析图， 如图 4。

[0038] 通过拉曼光谱分析， 确定 Ta-C膜的 ID和 IG值， ID表示 Diamond峰强度， 波数在 1300至 1400 (例如 1340或左右） ； IG表示 Graphite峰强度， 波数在 1500至 1600 ( 例如 1580或左右） 。 ID峰的强度在一定程度上代表着 Sp3键的含量。 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。

[0039] 通过在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出硬 度高、 摩擦系数低、 结合力好、 耐高温性好的多层纳米复合涂层， 涂层不易脱落， 可以保证微钻在高速加工普 通 FR-4、 无卤素、 HTG、 柔性板以及封装基板等 PCB材料吋， 既能大大减少断 针率， 又能将刀具的使用寿命提高至 4至 10倍， 同吋可保证钻孔质量， 刃口不会 出现尖端放电的现象， 排尘良好， 刃口不易粘铜， 大幅度提升 PCB的加工效率， 降低生产成本。

[0040] 本发明实施例还提供了一种刀具， 其特征在于， 所述刀具包括刀具基体， 刀具 基体可为陶瓷基体或金属基体， 刀具基体的刃径可以为 0.02至 0.5mm。 所述刀具 基体的部分表面或全部表面设置有上述的刀具 复合涂层。

[0041] 本发明实施例还提供了一种刀具复合涂层的制 备方法， 包括以下步骤： [0042] (1) 制备核心层 3: 将所述刀具要放入物理气相沉积设备 （高频脉冲磁控溅射 设备） ， 于所述刀具上沉积形成 MeAlX核心层 3并得到半成品， 其中， 所述 Me代 表 Ti、 Cr、 V、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zr等金属元素以及非金属元素 Si中的至 少一种， X代表 N、 C、 B中的一种或两种或三种， 所述 MeAlX中 A1含量的原子比 满足 0.30≤A1/(A1+Me)≤0.80。

[0043] (2) 制备四面体非晶碳膜层： 将所述半成品放入物理气相设备中， 于所述核 心层 3上沉积四面体非晶碳膜层； 其中所述物理气相设备中碳靶电流可为 10至 50 A， 脉冲负偏压峰值可为 -50至 -200V, 占空比可为 30%至 50%。

[0044] 具体地， 在制备所述核心层 3之前， 所述制备方法还包括以下步骤：

[0045] (1) 制备打底层 1 : 将刀具基体放入电弧离子镀设备中， 采用电弧离子镀技术 在刀具基体表面沉积由 Me形成的打底层 1， 得到第一半成品；

[0046] (2) 制备过渡层 2: 在电弧离子镀设备中， 通入含 N、 C、 B中至少一种元素的 气体， 电弧离子镀设备所用靶材为 Me靶材， 采用电弧离子镀技术在所述第一半 成品的打底层 1上沉积形成 MeX过渡层 2并得到第二半成品， 其中， 所述 X代表 N 、 C、 B中的一种或两种或三种。 再在过渡层 2上制备核心层 3。

[0047] 具体地， 所述打底层 1的厚度为 0.01至 ΙΟμηι; 所述过渡层 2的厚度为 0.01至 15μηι ； 所述核心层 3的厚度为 0.1至 ΙΟμηι; 所述四面体非晶碳膜层的厚度为 0.01至 10μ m。

[0048] 具体地， 在制备打底层 1的步骤中， 当真空达到 5.0xl0-3Pa， 幵启强流金属蒸汽 真空电弧离子源， 进行 Me离子注入， Me离子注入到刀具基体的表面以下； 再通 过电弧离子镀技术在第一半成品的表面沉积 Me过渡层， 电弧离子镀的弧电流 50 至 100A， 脉冲偏压峰值 -100至 -500 V， 占空比 10%至 80%。

[0049] 具体地， 在制备过渡层 2步骤中， 通入含 N、 C、 B中至少一种元素的气体， 采 用电弧离子镀技术在打底层上沉积 MeX过渡层 2， 所用靶材为纯金属 Me靶材， 气 体的流量为 50至 500sccm， 电弧离子镀的弧电流 50至 100A， 脉冲偏压峰值 -100至- 500 V， 占空比 10%至 80%。

[0050] 具体地， 在制备核心层 3步骤中， 所述物理气相沉积设备中纯金属靶材或者合 金靶材电流为 5至 10Α， 离子源功率为 1.0至 3.0Kw， Ar气体流量为 50至 300sccm ， 含N、 C、 B中至少一种元素的气体流量 50至 300sccm， 脉冲负偏压峰值 -50至 -2

00V, 占空比 10%至 80<¾。

[0051] 具体地， 制备所述制备打底层 1前， 对所述刀具基体进行喷砂钝化处理， 再采 用超声波清洗机清洗喷砂后的刀具基体， 并装夹在复合涂层设备中， 将温度设 定为 300至 500°C进行加热烘烤。

[0052] 具体制备流程可以参考如下：

[0053] 本发明制备技术方案是：

[0054] (1) 对微型 PCB刀具的硬质合金基体 （刀具基体） 表面进行喷砂钝化处理， 去除 PCB刀具表面的杂质和刃口毛刺等。

[0055] (2) 采用超声波清洗机清洗喷砂后的刀具基体， 并装夹在复合涂层设备中， 将温度设定为 300至 500°C进行加热烘烤。

[0056] (3) 当真空达到 5.0xl0-3Pa， 幵启强流金属蒸汽真空电弧离子源 （MEVVA源

) ， 进行 Me离子注入， 这些离子在高达五千伏至八千伏的电场下， 注入到待加 工的微型 PCB刀具工件的表面， 并扎根在硬质合金表面下一定深度， 可以显著提 升涂层与基体的结合力。

[0057] (4) 采用电弧离子镀技术在微型 PCB刀具表面沉积 Me金属打底层 1， 电弧离子 镀的弧电流 50至 100A, 脉冲偏压峰值 -100至 -500 V， 占空比 10%至 80%。

[0058] (5) 通入 CH4、 N2混合气体， 采用电弧离子镀技术在金属打底层 1上面沉积 M eX过渡层 2， 所用靶材为 Me靶材， 气体的流量为 50至 500s _C cm， 电弧离子镀的弧 电流 50至 100A, 脉冲偏压峰值 -100至 -500 V， 占空比 10%至 80%。

[0059] (6) 采用物理气相设备沉积 MeAlX核心层 3， 物理气相沉积设备中纯金属靶材 或者合金靶材电流为 5至 10A， 离子源功率为 1.0至 3.0Kw， Ar气体流量为 50至 300 sccm

， 含N、 C、 B中至少一种元素的气体流量 50至 300sccm， 脉冲负偏压峰值 -50至 -2

00V, 占空比 10%至 80<¾。

[0060] (7) 采用物理气相技术制备四面体非晶碳膜， 碳靶电流可为 10至 50A， 脉冲负 偏压峰值可为 -50至 -200V, 占空比可为 30%至 50%

[0061] (8) 冷却取样。 [0062] 本发明采用强流金属蒸汽真空电弧离子源 （MEVVA源） 产生的 Me等离子体进 行离子注入和清洗， 改变微型 PCB刀具表面的物理化学性能。 首先， 离子源产生 的高能离子撞击 PCB刀具表面吋， 高能离子对 PCB刀具产生强烈的溅射作用， 可 以清除吸附在 PCB刀具表面的气体、 液体和粉尘等杂质， 为硬质涂层的沉积提供 极其洁净的表面， 增强微型 PCB刀具与后续的硬质涂层的结合力； 其次， 高能离 子在 PCB刀具基体表面产生强烈的碰撞和级联碰撞， 部分高能离子取代 PCB刀具 基体原有的原子， 改变 PCB刀具表面的化学成分， 在表面形成一层混合界面， 该 混合界面既提高了 PCB刀具表面的强度、 硬度等力学性能， 同吋也可以增强硬质 涂层与 PCB刀具基体的结合力；

[0063] 本发明采用电弧离子镀技术沉积金属 Me打底层 1与 MeX过渡层 2， 主要是利用 了阴极电弧离子镀离化率高的特点， 能够进一步提高涂层与基材的结合力； 利 用高频脉冲磁控溅射技术沉积 MeAlX核心层 3， 主要是利用高频脉冲磁控溅射技 术沉积的涂层表面光滑的优势， 克服了阴极电弧技术沉积涂层表面"液滴"的缺� �� ， 能够适用于微型 PCB刀具。 利用物理气相技术制备四面体非晶碳膜， 提升了四 面体非晶碳膜与基体的结合力， 使得四面体非晶碳膜的厚度可以增加到 5μηι。

[0064] 通过本发明提供的方法制备 Me/MeX/MeAlX/四面体非晶碳膜形成的刀具复合 涂层， 顶层 4的四面体非晶碳膜的纳米硬度可以高达 40至 80GPa， 如图 2是四面体 非晶碳膜层的纳米硬度随压入深度的变化曲线 ； 核心层 3MeAlX的纳米硬度高达 30至 45GPa， 如图 3是核心层 3 (MeAlX涂层） 的纳米硬度随压入深度的变化曲线 ， 同吋与硬质合金基材的结合力大于 130N， 摩擦系数低于 0.1。 涂覆有该复合涂 层的微型刀具， 加工普通 PCB板材吋， 寿命提升 4至 10倍。

[0065] 本发明实施例所提供的一种刀具复合涂层、 刀具和刀具复合涂层的制备方法， 其通过在硬质合金微型刀具的钻身表面沉积出 硬度高、 摩擦系数低、 结合力好 、 耐高温性好的多层纳米复合涂层， 可以保证微钻在高速加工普通 FR-4、 无卤 素、 HTG、 柔性板以及封装基板等 PCB材料吋， 既能大大减少断针率， 又能将微 钻的使用寿命提高至 4至 10倍， 同吋可保证钻孔质量， 大幅度提升 PCB的加工效 率， 降低生产成本。

[0066] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的 精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换或改进等， 均应包含在本发明的保 护范围之内。