1、昆山百锐克金属科技有限公司Date：2015. 9. 01,高性能纳米涂层技术在 PCB 微钻上的 应用和成本效益概算,1.0 PVD产品技术背景及应用,物理气相沉积（Physical Vapor Deposition） PVD技术是近几十年逐步发展起来并被广泛看好的新型表面处理工艺。它通过不同的工艺路线，如真空磁控溅射、离子注入、电弧离子涂敷等方式把特定功能镀层覆盖在各式各样的基体材料表面，借以实现种种优异的特性：如超高硬度、超耐磨性、高韧性、高热传导性、高致密度、抗氧化、耐腐蚀、低摩擦系数、自润滑、超导电或高绝缘体等。,1.1 PVD 加工流程概述及微观结构,PVD镀膜的大致工艺流程如下：
2、（1）镀前清洗工艺：浸入粗清洗液，超声激励清洗剂脱油超声自来水清洗-超声去离子水漂洗脱水。 （2）涂层处理工艺：产品装卡上架抽真空系统加热（充入氩气，辉光放电）离子轰击充入氮气，涂层（按材质和膜层要求调节工作参数） 降温出炉。 （3）涂层性能测试与分拣包装,涂层炉丛剖面示意图,涂层炉横剖面示意图,1.1.1 PVD 镀膜涂层的微观切片结构,PVD 镀膜涂层在一万四千倍电子显微镜下的图象,硬质合金机体,同镀层相比较颗粒比较粗大,镀层厚2微米。相比合金基体，晶粒更细、更致密、表面更平整,1.2 PVD 功能镀膜涂层可实现的物理性能,硬度：2000 Hv 5000 Hv 摩擦係數（相对钢材）： 0.
3、450.15，最低可到0.05 自润滑 超耐磨性 表面光洁度高 高化学稳定性 绝缘性好 高导热性,与陶瓷类似,上述性能一般不能同时具备，应根据需要做权衡取舍,1.3 PVD 镀膜涂层的工业应用,大致可分为功能镀与装饰镀两类侧重于改善产品的一项或几项特定内在物理性能的涂层, 被称为功能涂层(工具镀) 研究表明PVD涂层可以提高这些产品的使用寿命310倍不等(依产品类别与涂层配方及工艺而不同)。着重改善提高产品的表面外观与耐磨性能的涂层应用被称做装饰镀,由于目前PVD工艺对加工工件尺寸的局限，PVD镀膜（涂层）工艺首先在工（机）具行业得到推广应用，常见的例子有：切削刀具、量刃具、精密模具、汽配零件
4、（齿轮、轴承、活塞、缸套）、医疗器械等。,1.3.1 功能镀（工具镀）,由于目前PVD工艺对加工工件尺寸的局限，PVD镀膜（涂层）工艺首先在工（机）具行业得到推广应用，常见的例子有：切削刀具、量刃具、精密模具、汽配零件（齿轮、轴承、活塞、缸套）、医疗器械等。,1.3.1 功能镀（工具镀）,1.3.2 装饰镀,装饰镀因技术门槛较低应用远比功能镀普及。PVD装饰镀已被普遍运用于多种行业，如手机、钟表、相机、电脑、眼镜架、家电、徽章、皮带扣、高档餐具等产品，主要是增强耐磨性、改善表面质量。,2.0 PCB 行业概况及其对微钻的性能要求,随着电子产业全球布局的变更，中国大陆已经超越日本成了 PCB 产
5、业的的第一重镇。机械钻孔是PCB生产过程中不可或缺的重要工序。微钻是PCB机械钻孔加工所需的关键耗材。目前全球每月消耗量已超过一亿支。,电子产品日趋轻薄短小和多功能化的发展方向导致封装密度越来越高，线路宽度越来越细，迫使PCB机械钻孔加工业不断进行技术创新，以适应孔径越来越小、基板材质标准越来越高的现实。,2.1 PCB 微钻面对的挑战,以高密度板（HDI板）、IC载板、多层板、高TG板和以无卤素基材为代表的难钻削材质的大量引入，使钻孔难度上升、效率降低。碳化钨材料等硬质合金资源逐渐稀缺而导致的成本攀升加大企业支出。微钻的改进已经成为PCB机械钻孔加工业技术革新的主要内容。降低微钻成本、提升微
6、钻钻孔品质、延长微钻使用寿命是PCB行业永恒的追求。,2.1.1 PCB行业的发展对微钻的要求,口径更小（0.03mm的钻针已问世，0.1mm的钻针已批量应用）硬度更高（应对高TG板、无卤素板、HDI板、IC载板等难切削材料）寿命更长（可以降低物耗成本，提高生产效率和产能）长细比更大（可以增加打孔层数）,2. 2 PVD 技术在微钻产品应用的尝试,基于生产的需求，自2005年以来，许多企业都在尝试把PVD涂层技术引入到微钻产品中以改进其性能。多数企业是直接引用装饰镀的设备和工艺，徒有其表，效果不佳。少数走功能镀的途径，取得了一定成效，但在产品性能稳定性和生产效率等方面还不完善，影响了应用推广。
7、,2.3 昆山百锐克金属科技有限公司在PVD涂层微钻上的工作,基于多年的技术积累，昆山百锐克金属科技有限公司针对PCB导通用微钻开发出具有优越性能的BRT-1A型纳米梯度超硬镀层，其硬度可达到3600Hv以上，而摩擦系数降低至0.2以内。 经多家 PCB 生产厂的批量使用后证实，BRT-1A型纳米梯度超硬镀层处理的微钻使用寿命较未镀层时可稳定提高4倍以上，不仅可以大幅提高生产效率、降低物耗成本，同时能够多方面改善钻孔品质。,2.3.1 昆山百锐克金属科技有限公司PVD镀膜微钻的优势,首翻期使用寿命提高 45 倍 （依钻咀基材和工艺而异），直接降低生产成本。 翻磨总次数可以增加，每次翻磨后的使用
8、寿命成倍提高，钻嘴的总寿命可提高4倍以上。 镀膜后钻咀摩擦系数大幅降低，排屑更顺畅，断钻率降低，可以提高钻床转速或降低功耗。 镀膜后钻咀表面光洁度提高，有助于改善孔壁粗糙度。 镀膜后钻咀摩擦系数大幅下降，发热量减少，有利于减轻钻孔电路板树脂焦渣现象。 有效减少因更换钻咀引起的钻机闲置时间 ，提高生产效率。 大幅减少钻咀研磨成本。 钻咀硬度大大提高，扩大了可加工的材质范围（即原先无法加工的材质现在可以加工）。,3.0 镀膜钻头性能展示,BRT-1A型镀层微钻的测试条件：实验所采用的微钻为昆芝公司出品的钨合金复合微钻，其结构如下图所示。钻头直径d=0.3mm，槽长L=5.5mm，钻头角130。,测
9、试用PCB印刷电子线路板材料号为 P2019009A0 双面板 铜厚：1/1OZ 板厚：1.5mm 二块一叠 (0.30),现场参数,测试条件：温度：22 湿度：51% 冷却温度：20 空压：7.3 MPa 吸尘负压：10 kPa 进刀速度 2.5 m/min 回刀速度 18 m/min 机型：德国 SCHMOLL 转速：18万转,3.1 切削刃耐磨情况,3.1.1 钻2000孔后刃面磨损情况对比图,镀膜钻头刃面完好毫无损伤,3.1.2 钻4000孔后刃面磨损情况对比图,镀膜钻头刃面仍然完好,3.1.3 钻6000孔后刃面磨损情况对比图,镀膜钻头刃面依然完好,3.1.4 钻8000孔后刃面磨损
10、情况对比图,镀膜钻头刃面依然完好,3.1.5 钻10000孔后刃面磨损情况对比图,镀膜钻咀10000孔后图片,有镀膜与无镀膜微钻侧刃磨损情况对比图,普通钻咀2500孔后图片,3.2 孔位精度测试,3.2.1 0.3涂层钻针钻6000孔后孔位精度状况,3.2.2 0.3涂层钻针钻10000孔后孔位精度状况,3.3 孔壁粗糙状况测试,3.3.1 钻6000孔后孔壁粗糙状况,6000孔后孔壁粗糙度 14 um,3.3.1 钻10000孔后孔壁粗糙状况,10000孔后孔壁粗糙度 15.4um,4.0 镀膜钻头刃磨后性能展示,4.1 镀膜钻头刃磨1次后性能展示,4.1.1 刃磨一次并加打5000孔后刃面
11、磨损情况,4.1.2 刃磨一次并加打5000孔后孔位精度状况,4.1.3 刃磨一次并加打5000孔后孔壁粗糙状况,刃磨一次并加打5000孔后孔壁粗糙度 18.2um,4.2 镀膜钻头刃磨2次后性能展示,4.2.1 刃磨二次并加打5000孔后刃面磨损情况,4.2.2 刃磨二次并加打5000孔后孔位精度状况,4.2.3 刃磨二次并加打5000孔后孔壁粗糙状况,刃磨二次并加打5000孔后孔壁粗糙度 12.6 um,4.3 镀膜钻头刃磨3次后性能展示,4.3.1 刃磨三次并加打5000孔后刃面磨损情况,4.3.2 刃磨三次并加打5000孔后孔位精度状况,4.3.3 刃磨三次并加打5000孔后孔壁粗糙状
12、况,刃磨三次并加打5000孔后孔壁粗糙度 17.78 um,4.5 镀膜钻头刃磨5次后性能展示,4.5.1 刃磨五次并加打5000孔后刃面磨损情况,4.5.2 刃磨五次并加打5000孔后孔位精度状况,4.5.3 刃磨五次并加打5000孔后孔壁粗糙状况,刃磨五次并加打5000孔后孔壁粗糙度 15.24 um,5.0 结论分析,无镀层微钻在钻2500孔后出现明显崩刃，必须翻磨。 镀膜微钻在钻10000孔后磨损在可控范围内，甚至在经过五次翻磨后刃面仍能满足要求。 无镀层微钻每次翻磨后钻孔寿命不足2000孔且逐次递减，一般翻磨不超过3次 镀层微钻每次翻磨后钻孔寿命超过5000孔且基本保持稳定 镀层微钻
13、的成孔质量明显优于未镀层微钻，即使在翻磨后依然如此。,5.1 情况汇总,5.2 原因分析,因为镀膜涂层的硬度（影响切削力）和致密度（影响耐磨性）远高于无镀层微钻，所以其首翻期寿命大大超过普通微钻。涂层表面光洁度高、摩擦系数小则有利于顺畅排屑和提高成孔质量，间接提高了寿命。 翻磨后涂层微钻端刃面的镀层虽己被磨去，但侧刃和排屑槽的膜层基本完好，顺畅排屑和成孔质量高的优势依然。这是它每次翻磨后钻孔寿命高于普通微钻的主要原因。 无镀层微钻的翻磨次数主要受限于侧刃磨损和成孔质量，镀层微钻翻磨次数主要受限于有效刃长（侧刃磨损轻微） 镀层微钻的摩擦系数小、排屑顺畅使钻孔断针率大大下降（如果计算等效断针率更加
14、可观），有利于提高寿命。,镀层微钻与普通微钻相比： 首翻期寿命是普通微钻的3倍以上 可翻磨次数约是普通微钻的2倍 总钻孔寿命（计入翻磨寿命）是普通微钻的3- 4倍 成孔质量明显优于普通微钻,5.3 结论,5.4 成本效益概算,采用普通钻针，每月需要耗费 3.0 80万 240万（元） 改用镀膜微钻，每月仅需购买 : 80万 4 = 20万 （支）至 80万3 = 26.66万（支）， 月钻针采购成本:（2.30 + 3.0） 20 106万（元）至 (2.30 + 3.0) X 26.66万 = 141.3万 （元） 月钻针采购节省成本开支：240万 -106万 =134万（元）至 240 万
15、- 141.3万=98.7万 （元） 降低幅度达 41%- 55.8%！,5.4.1 钻针购置费用的节省,以拥有一百台钻床的PCB厂为例，粗略估计每月需要消耗微钻80万支（每支翻磨3次因素），每支钻头进价3元；镀膜涂层费用2.30元/支（含17%增值税）；微钻每次翻磨成本 0.1元。,原80万支钻针每支翻磨三次，共需支出月钻针翻磨费用 80万3 0.1 24万（元） 月镀膜微钻10万每支翻磨三次，共需支出钻针翻磨费用 20万3 0.1 6万（元）至 26.66万 X 3 X 10.1 =8万 （元） 月节省翻磨费用 24万 6万= 18万（元）至 24万 8万= 16万（元） 月总成本减少金额：122万 至 159.3 万 （元）,5.4.2 钻针翻磨费用的节省,因为镀膜钻针切削效率高，可以提高转速和进刀速度，相应提高了生产效率。在厂房、设备、人员不变的情况下等同提高了产能，也就是节约了人工、水电和固定资产折旧。 在钻同等钻孔数时，可以减少3/4的停机更换钻嘴的时间。 在钻同等钻孔数条件下，可减少一半以上的翻磨工作量。 因断针率下降，减少了因此需要停机处理的时间。 因成孔质量提高，减少了返工和修板的损失。 可以钻以前无法加工的材料（越难钻的材料优势越明显） ,5.4.3 镀膜钻针的隐形收益,谢谢！,
