一种Ta-C类金刚石涂层制备方法及其应用

摘要

本申请涉及PCB钻孔领域，具体公开了一种Ta‑C类金刚石涂层制备方法及其应用。一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:S1.清洗基材；S2.采用磁过滤真空阴极电弧技术，将基材放入真空环境中，然后通入氩气，开偏压，基材偏压为550~650V，进行离子轰击，时间1600~1900s；S3.关氩气，抽真空，再通入氩气，然后以碳靶为靶材，基材偏压300~500V，碳靶电流为60~70A，沉积200~350s；S4.梯度式降低基材偏压至30~60V，然后继续沉积1800~2100s；S5.冷却，得到类金刚石涂层。本申请的制备方法具有提高微径刀具的使用寿命，降低生产成本的优点。

权利要求

1.一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:S1.清洗基材；

S2.采用磁过滤真空阴极电弧技术，将基材放入真空环境中，然后通入氩气，氩气的通入流量为100 150sccm，真空室压力0.0001 0.0003mbar，开偏压，基材偏压为550 650V，进~ ~ ~行离子轰击，时间1600 1900s；

~

S3.关闭氩气，抽真空至真空度达到0.0001 0.0003mbar，然后再通入氩气，氩气的通入~流量为5 10sccm，调节基材至偏压350 400V，待真空度达到0.042 0.050mbar，以碳靶为靶~ ~ ~材，碳靶电流60 70A，沉积250 350s；

~ ~

S4. 在S3步骤的基材上将偏压调整为200 205V，沉积250 260s，然后将基材偏压调整~ ~为95 105V，沉积770 780s，然后将基材偏压调整为40 45V，然后继续沉积1900 1950s；

~ ~ ~ ~

S5.冷却，得到类金刚石涂层。

2.一种Ta‑C类金刚石涂层，其特征在于，基于权利要求1所述的制备方法制备而成，所述类金刚石涂层的厚度为0.1 0.3μm。

~

3.一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，其特征在于，所述PCB微径刀具的表面覆盖有权利要求1所述的制备方法制备而成的Ta‑C类金刚石涂层，所述PCB微径刀具为微径钻头或微径锣刀，所述PCB微径刀具用于对PCB钻孔。

说明书

一种Ta‑C类金刚石涂层制备方法及其应用

技术领域

[0001] 本申请涉及PCB钻孔领域，更具体地说，它涉及一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法及在PCB微径刀具的应用。

背景技术

[0002] PCB是印刷电路板的简称，是电子元器件的支撑体，也是所有电子信息产品不可缺少的基本构成要件，随着移动电话、笔记本式电脑等产品的小型化和高速化，对PCB板的精细化制作越发被重视，尤其是在处在5G时代的今天，5G产品对于信号的完整性、板材可加工性及可靠性都有了很多新的要求，以满足通讯基站、天线、无线通讯设备的设计性能要求。

[0003] 在印制电路板的制造工艺中，一个关键的步骤是钻通孔，通孔即在各层间的电气连接通道和器件的固定或定位孔。由于5G产品要求的特殊性，PCB板的布线密度越来越高，通孔的孔径也越来越小，这就需要钻通孔所用的刀具例如微径钻头和微径锣刀的尺寸更小，一般PCB板专用微径钻头的尺寸在¢0.1‑0.25mm之间，微径锣刀的尺寸在¢0.8‑2.0mm之间。

[0004] 由于微径钻头和微径锣刀的尺寸小，使得其使用寿命较短，在钻孔600个左右就会因为磨损过度而需要更换，而企业生产PCB板需要钻大量的通孔，频繁更换微径刀具会拖慢生产进度，而且增大生产成本。

发明内容

[0005] 为了提高微径刀具的使用寿命，降低生产成本，本申请提供一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法及其应用。

[0006] 第一方面，本申请提供一种类金刚石涂层的制备方法，采用如下的技术方案：

[0007] 一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:

[0008] S1.清洗基材；

[0009] S2.采用磁过滤真空阴极电弧技术，将基材放入真空环境中，然后通入氩气，真空室压力0.0001 0.0003mbar，开偏压，基材偏压为550 650V，进行离子轰击，时间1600~ ~ ~1900s；

[0010] S3.关氩气，抽真空，再通入氩气，然后以碳靶为靶材，基材偏压300 500V，碳靶电~流为60 70A，沉积200 350s；
~ ~

[0011] S4.梯度式降低基材偏压至30 60V，然后继续沉积1800 2100s；~ ~

[0012] S5.冷却，得到类金刚石涂层。

[0013] 通过采用上述技术方案，在基材上覆盖Ta‑C类金刚石涂层，Ta‑C类金刚石涂层以sp3键为主，sp3键含量高于70%，使得涂层的结构稳定性高。

[0014] 通过S2步骤对基材进行蚀刻，增大Ta‑C类金刚石涂层与基材的接触面积，提高涂层与基材的结合力，S4步骤的梯度式降低基材偏压，有助于提高Ta‑C类金刚石涂层中sp3键的比例，使得涂层的硬度更高，耐磨性能更好，从而提高基材的耐磨损能力，使得基材的尺寸可以做得更小的同时，基材的使用寿命能够提高，适合用于需多次对PCB板钻孔的微径刀具。

[0015] 优选的，在S2步骤中，氩气的通入流量为100 150sccm。~

[0016] 通过采用上述技术方案，上述氩气通入流量有助于控制对基材的蚀刻程度，从而提高Ta‑C类金刚石涂层与基材的结合力。

[0017] 优选的，在S3步骤中，氩气的通入流量为5 10sccm。~

[0018] 通过采用上述技术方案，上述氩气通入流量有助于Ta‑C类金刚石涂层沉积更加均匀，从而提高Ta‑C类金刚石涂层的硬度和耐磨性。

[0019] 优选的，S3步骤具体为，关闭氩气，抽真空至真空度达到0.0001 0.0003mbar，然后~再通入氩气，氩气的通入流量为5 10sccm，调节基材偏压350 400V，待真空度达到0.042~ ~ ~
0.050mbar，以碳靶为靶材，碳靶电流60 70A，沉积250 350s。
~ ~

[0020] 通过采用上述技术方案，调节至合适的氩气氛围再进行碳沉积，使得类金刚石涂层与基材的结合力更高，从而进一步提高涂层的硬度和耐磨性。

[0021] 优选的，S4步骤具体为：在S3步骤的基材上将偏压调整为180 250V，沉积200~ ~350s，然后将基材偏压调整为70 150V，沉积600 900s，然后将基材偏压调整为40 60V，然后~ ~ ~
继续沉积1800 2100s。
~

[0022] 通过采用上述技术方案，实现梯度式降低基材偏压，控制类金刚石涂层的形成速率在合适的范围，从而提高类金刚石涂层的结构稳定性。

[0023] 优选的，S4步骤具体为：在S3步骤的基材上将偏压调整为200 205V，沉积250~ ~260s，然后将基材偏压调整为95 105V，沉积770 780s，然后将基材偏压调整为40 45V，然后~ ~ ~
继续沉积1900 1950s。
~

[0024] 通过采用上述技术方案，进一步控制类金刚石涂层的形成速率，sp3键的比例进一步提高，约束纳米石墨晶的形成，sp3 键更加不易向sp2 键转化，从而使得类金刚石涂层在高温下仍能保持稳定，即耐热性更佳。

[0025] 第二方面，本申请提供一种Ta‑C类金刚石涂层，采用如下的技术方案：

[0026] 一种Ta‑C类金刚石涂层，所述类金刚石涂层的厚度为0.1 0.3μm。~

[0027] 通过采用上述技术方案，上述涂层厚度较小，可以不增加基材过多的厚度的同时，给基材提供较高的硬度和耐磨性能。

[0028] 第三方面，本申请提供一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，采用如下的技术方案：

[0029] 一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，所述PCB微径刀具的表面覆盖有Ta‑C类金刚石涂层，所述PCB微径刀具为微径钻头或微径锣刀，所述PCB微径刀具用于对PCB钻孔。

[0030] 通过采用上述技术方案，PCB微径刀具涂覆有Ta‑C类金刚石涂层，可以提高PCB微径刀具的表面硬度和降低表面摩擦系数，且Ta‑C类金刚石涂层适合于PCB微径刀具这类尺寸小的基材，从而提高PCB微径刀具的使用寿命，降低成本。

[0031] 综上所述，本申请具有以下有益效果：

[0032] 1、由于本申请在基材上覆盖Ta‑C类金刚石涂层，Ta‑C类金刚石涂层以sp3键为主，sp3键含量高于70%，使得涂层的结构稳定性高；通过S2步骤对基材进行蚀刻，增大Ta‑C类金刚石涂层与基材的接触面积，提高涂层与基材的结合力；S4步骤的梯度式降低基材偏压，有助于提高Ta‑C类金刚石涂层中sp3键的比例，使得涂层的硬度更高，耐磨性能更好，从而提高基材的耐磨损能力，使得基材的尺寸可以做得更小的同时，基材的使用寿命能够提高，适合用于需多次对PCB板钻孔的微径刀具。

[0033] 2、本申请采用控制类金刚石涂层的形成速率的方法，使得类金刚石涂层在高温下仍能保持稳定，即耐热性更佳。

附图说明

[0034] 图1为本申请提供的表面覆盖有类金刚石涂层PCB微径刀具。

[0035] 标记说明：1、基材；2、Ta‑C类金刚石涂层。

具体实施方式

[0036] 以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

[0037] 清洗液由除蜡水和除油剂按体积比1:2配制而成，除蜡水和除油剂均选购自广东红日星实业有限公司，除蜡水型号RS‑86b，除油剂型号ITN‑709。实施例

[0038] 实施例1

[0039] 一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，包括基材1和涂覆于基材1表面的类金刚石涂层2，其中基材1为PCB微径刀具中的PCB微径钻头，PCB微径钻头的刀刃径为0.2mm。

[0040] 一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:

[0041] S1.将基材放入清洗液中，超声8min，超声频率28kHz。

[0042] S2.采用直角弯管形磁过滤直流真空阴极电弧沉积设备，将基材放入真空室中，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为100sccm，再进行离子轰击，基材偏压550V，时间1600s；

[0043] S3.关氩气，抽真空，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为5sccm，通入氩气的同时以碳靶为靶材，基材偏压300V，碳靶电流60A，沉积200s；

[0044] S4.在S3步骤的基材上将偏压调整为180V，沉积200s，然后将基材偏压调整为70V，沉积600s，然后将基材偏压调整为30V，然后继续沉积1800s；

[0045] S5.冷却，待真空室温度降至100℃以下后，通入大气，将基材取出，基材上得到Ta‑C类金刚石涂层，Ta‑C类金刚石涂层的厚度为0.1μm。

[0046] 实施例2

[0047] 一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，包括基材1和涂覆于基材1表面的类金刚石涂层2，其中基材1为PCB微径刀具中的PCB微径钻头，PCB微径钻头的刀刃径为0.2mm。

[0048] 一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:

[0049] S1.将基材放入清洗液中，超声8min，超声频率28kHz。

[0050] S2.采用直角弯管形磁过滤直流真空阴极电弧沉积设备，将基材放入真空室中，待真空度达到0.0003mbar后，通入氩气，氩气流量为150sccm，再进行离子轰击，基材偏压650V，时间2100s；

[0051] S3.关氩气，抽真空，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为10sccm，通入氩气的同时以碳靶为靶材，基材偏压500V，碳靶电流70A，沉积350s；

[0052] S4.在S3步骤的基材上将偏压调整为250V，沉积350s，然后将基材偏压调整为150V，沉积900s，然后将基材偏压调整为60V，然后继续沉积2100s；

[0053] S5.冷却，待真空室温度降至100℃以下后，通入大气，将基材取出，基材上得到Ta‑C类金刚石涂层，Ta‑C类金刚石涂层的厚度为0.29μm。

[0054] 实施例3

[0055] 一种Ta‑C类金刚石涂层在PCB微径刀具的应用，包括基材1和涂覆于基材1表面的类金刚石涂层2，其中基材1为PCB微径刀具中的PCB微径钻头，PCB微径钻头的刀刃径为0.2mm。

[0056] 一种Ta‑C类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:

[0057] S1.将基材放入清洗液中，超声8min，超声频率28kHz。

[0058] S2.采用直角弯管形磁过滤直流真空阴极电弧沉积设备，将基材放入真空室中，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为120sccm，再进行离子轰击，基材偏压600V，时间1700s；

[0059] S3.关氩气，抽真空，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为10sccm，通入氩气的同时以碳靶为靶材，基材偏压400V，碳靶电流65A，沉积250s；

[0060] S4.在S3步骤的基材上将偏压调整为250V，沉积350s，然后将基材偏压调整为150V，沉积900s，然后将基材偏压调整为60V，然后继续沉积2100s；

[0061] S5.冷却，待真空室温度降至100℃以下后，通入大气，将基材取出，基材上得到Ta‑C类金刚石涂层，Ta‑C类金刚石涂层的厚度为0.22μm。

[0062] 实施例4

[0063] 本实施例与实施例3的区别仅在于，在本实施例中，Ta‑C类金刚石涂层的厚度为0.23μm。S3步骤具体为：关闭氩气，抽真空至真空度达到0.0001mbar，然后再通入氩气，氩气的通入流量为5sccm，然后将基材偏压调节至350V，待真空度达到0.042mbar，以碳靶为靶材，碳靶电流65A，沉积250s。

[0064] 实施例5

[0065] 本实施例与实施例3的区别仅在于，Ta‑C类金刚石涂层的厚度为0.22μm。S3步骤具体为：关闭氩气，抽真空至真空度达到0.0003mbar，然后再通入氩气，氩气的通入流量为10sccm，然后将基材偏压调节至基材偏压400V，待真空度达到0.050mbar，以碳靶为靶材，碳靶电流65A，沉积350s。

[0066] 实施例6

[0067] 本实施例与实施例5的区别仅在于，类金刚石涂层的厚度为0.20μm。S4步骤具体为：在S3步骤的基材上将偏压调整为200V，沉积250s，然后将基材偏压调整为95V，沉积770s，然后将基材偏压调整为40V，然后继续沉积1950s。

[0068] 实施例7

[0069] 本实施例与实施例5的区别仅在于，类金刚石涂层的厚度为0.20μm。S4步骤具体为：在S3步骤的基材上将偏压调整为205V，沉积260s，然后将基材偏压调整为105V，沉积780s，然后将基材偏压调整为45V，然后继续沉积1900s。

[0070] 对比例

[0071] 对比例1

[0072] 本对比例与实施例3的区别仅在于，在本对比例中，S2步骤具体为：

[0073] S2.采用直角弯管形磁过滤直流真空阴极电弧沉积设备，将基材放入真空室中，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为120sccm，再进行离子轰击，基材偏压400V，时间1700s。

[0074] S3步骤具体为：

[0075] S3.关氩气，抽真空，待真空度达到0.0001mbar后，通入氩气，氩气流量为10sccm，通入氩气的同时以碳靶为靶材，基材偏压600V，碳靶电流65A，沉积250s。

[0076] 对比例2

[0077] 本对比例与实施例3的区别仅在于，在本对比例中，S4步骤具体为：

[0078] 在S3步骤的基材上将偏压直接调整为60V，然后继续沉积2100s。

[0079] 性能检测试验

[0080] 根据YB/T 4286‑2012《金属材料薄板和薄带摩擦系数试验方法》，测试涂层摩擦系数，其中摩擦系数越小代表耐磨性越好，测试结果如表1所示。

[0081] 根据GB/T4342‑1991《金属显微维氏硬度试验方法》，测试涂层硬度，测试结果如表1所示。

[0082] 在氩气保护下，将带钻头用类金刚石涂层的钨合金放入管式炉中，加热至800℃，保温30min，冷却后取出，再根据GB/T4342‑1991《金属显微维氏硬度试验方法》，测试高温后涂层硬度，并计算高温处理后涂层硬度的衰减率，计算公式为涂层硬度衰减率=（未经高温处理的涂层硬度‑高温处理的涂层硬度）/未经高温处理的涂层硬度，涂层硬度衰减率越小代表涂层的耐热性越好，测试结果如表1所示。

[0083] 取覆盖有本申请制得的Ta‑C类金刚石涂层的PCB微径钻头，并取不覆盖类金刚石涂层的PCB微径钻头以作为空白组，对PCB板进行钻孔，PCB板厚度为1.0mm，记录PCB微径钻头磨损前总共的钻孔数，测试结果如表2所示。

[0084] 表1

[0085]  摩擦系数 涂层硬度/HV 高温后涂层硬度/HV 涂层硬度衰减率/%
实施例1 0.24 4551 4014 11.81
实施例2 0.22 4566 4035 11.64
实施例3 0.20 4559 4023 11.76
实施例4 0.17 4681 4154 11.26
实施例5 0.16 4676 4139 11.48
实施例6 0.13 4768 4477 6.10
实施例7 0.13 4789 4496 6.12
对比例1 0.48 3880 3394 12.52
对比例2 0.46 3727 3271 12.24

[0086] 表2

[0087]   钻孔数/个实施例1 4570
实施例2 4536
实施例3 4684
实施例4 5492
实施例5 5562
实施例6 6086
实施例7 6012
空白组 623
对比例1 2735
对比例2 2588

[0088] 根据表1和表2可知，结合实施例3与空白组，采用Ta‑C类金刚石涂层覆盖微径钻头，可以使微径钻头的钻孔数量增多，即微径钻头的使用寿命增加，说明覆盖Ta‑C类金刚石涂层后，微径钻头表面耐磨损性能更高。

[0089] 结合实施例3与对比例1‑2，类金刚石涂层的耐磨性、硬度和钻孔数均有所提高，说明控制蚀刻基材表面的过程、控制类金刚石涂层与基材表面初步覆盖时的过程以及实施梯度式降低基材偏压的方法，可以促进类金刚石涂层与基材表面结合力提高，提高类金刚石涂层的结构稳定性，从而提高耐磨性能和硬度。

[0090] 结合实施例4‑5与实施例3，耐磨性、硬度和钻孔数均有所提高，说明在沉积类金刚石涂层时，调节合适的氩气氛围，可以使类金刚石涂层与基材的结合力更高，从而获得良好硬度和耐磨性的涂层。

[0091] 结合实施例6‑7与实施例5，涂层的耐磨性、硬度、钻孔数和耐热性均有所提高，说明在沉积类金刚石涂层时，进一步控制基材偏压梯度式降低的过程，可以使类金刚石涂层形成的结构更加稳定，从而获得良好耐磨性、硬度和耐热性的涂层。

[0092] 本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。