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纳米技术在印制线路板微钻中的应用

时间: 2011-07-17 00:04 来源: 作者: 南美覆铜板厂有限公司 张家亮点击:
摘要:随着印刷线路板(PCB)向高密度互连方向的发展,PCB导通孔急速走向直径0.1mm的微小化,对钻头的要求越来越高。该文介绍了纳米技术在线路板用微钻中的发展前景和国内外趋势,以及纳米技术提高钻头性能的原理。
关键词:纳米技术;PCB;钻头;硬质合金

1 概述

随着电信业移动通讯的迅猛发展和个人电脑进入千家万户,要求印制线路板(PCB)导通孔的钻头直径也就越来越小。PCB导通孔的发展规律如下: 0.80mm → 0.50 mm → 0.40 mm → 0.30mm → 0.25mm → 0.20mm → 0.10mm →0.05mm,激光蚀孔的孔径大多在0.10mm左右。1997年世界上大批量生产的最小钻头的直径是0.35 mm。以日本为例,直径0.25 mm以下的钻头的消耗比率从1998年的12%增加到了1999年的21%,而到2002年,这一比率增加到43%。其他直径范围的钻头需求则持平。在亚洲一些地区,特别是我国台湾,也将出现类似的情况。对于直径小于0.15mm的孔而言,新开发的激光钻孔技术具有一定的优势。未来的线路板钻头面临着技术上更大的挑战,如在几何形状、钻心锥度和螺旋线角方面获得更大的精确度,改进涂层技术以延长钻头的使用寿命,以及改进心轴而获得更高的转速。

在IT行业,追求小型化与高度集成化已成为一种潮流。电子器件的小型化与高度集成化对硬质合金微加工工具提出了更高的要求。随着硬质合金晶粒度超细化,(PCB)硬质合金微钻的加工性能不断改善,要求合金的晶粒越细越好[1]。

纳米材料通常是指晶粒尺寸小于100nm的单晶体材料或多晶体材料。由于晶粒尺寸细小,使其晶体表面原子数量显著增大,甚至多于晶内原子数,晶界密度极大,从而表现出一系列不同于粗晶材料(微米级材料)的优异性能,如硬度强度双高,低密度,低弹性模量,超塑性等。自1984年德国科学家H·Gleiter首次成功研制出纳米晶体材料以来,世界科学家竞相对这一“21世纪新材料”开展大量研究,目前已成功制备出纳米陶瓷材料、纳米磁性材料、纳米金属材料、纳米半导体材料、纳米复合材料以及纳米催化剂材料,并在纳米催化剂材料方面实现了工业应用。纳米级硬质合金,最早由美国Rurgers大学于1989年率先研制结构硬质合金及其工艺,并于同年申请了专利。美国Nanodyne公司在该技术基础上用喷雾转化合成法工业规模生产出纳米WC-Co硬质合金复合粉末。此后,瑞典、德国、日本等国的大公司分别推出了各自的接近纳米结构的超细硬质合金。其中,以Sandvik公司T002的粒度为最细,其合金晶粒度已达到200nm。我国的两个硬质合金厂也分别推出了自己的接近纳米级的超细硬质合金,晶粒尺寸小于500nm,硬度和强度指标分别达到HRA93以上和4000MPa以上[2]。

纳米材料自问世以来,因其具有特异的性能,几乎渗透到各个学科和各个工程技术领域,引起了世界性的开发热潮。美国、日本、英国、德国等都有国家级的纳米材料研究计划和实验中心。硬质合金被誉为“工业的牙齿”。近几十年来,航空航天、汽车等行业使用材料的性能不断提高,轻质强韧材料的使用日渐增多,加工难度日益增大。同时,机加工行业为了降低成本和保护环境,逐渐推广干式切削技术,也使某些材料的加工难度增大。碳化钨是制备硬质合金的主要原料,纳米晶硬质合金是近年来发展起来的工具材料,它是以纳米级的WC粉末为基础原料,在添加适当粘结剂和晶粒长大抑制剂的条件下,生产出的具有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料。其性能比常规硬质合金明显提高,在难加工的金属材料刀具、电子行业的微型钻头、精密模具、医学等领域已呈现出越来越广泛的用途[3]。

日本UNION工具公司最近决定大幅度提高PCB用硬质合金钻头的产量。该公司已投入大量资金扩大在中国台湾和美国的UNION分公司,增添新型设备,提高生产能力。近年来,欧美国家和台湾地区个人计算机和信息机器用的PCB需求激增,加工线路板用的钻头需求量也随之增加,UNION决定扩大台湾分公司的生产车间,以扩大其分公司的生产能力。

2 PCB工业的迅猛发展对钻头的要求

2.1 PCB钻头折断机理

覆铜板加工工艺如树脂含量、固化度、填料种类和添加比例等,对钻孔有一定的影响。可以说,在覆铜板配方的同时就形成了对钻头的因果关系,在板材的组成成分中,增强材料如玻璃纤维与钻孔紧密相连。CEM系列问世的原因之一,是适应了钻孔的要求。

改善电子布的钻孔性能已成为国外电子布生产厂家的一个重要研究课题。电子布对钻孔的影响可以归纳为:首先是布的结构(如用纱设计、密度等),其次是表面处理,再次是玻璃成分和物理加工,最后是减少玻璃纤维中的气泡以改善孔壁质量。

它们的主要方法是使电子布与树脂表面更加韧性化(采用新型偶联剂处理),适当降低玻璃纤维组份中的SiO2含量或采用新型加工技术。国外研制成功一种新型加工技术,被称为“过烧布”又称作“脆化布”。它是在电子布的后处理工序中进行热清洗时,用更高的温度和更长的时间,对电子布进行过烧处理,以便适当降低电子布的抗张强度,使布性变脆,其强度约比普通布低20%~80%。用这种“过烧布”制作的PCB,用细钻头进行钻孔加工时的钻头磨损性、孔壁粗糙度及小孔弯曲度等性能良好,而且可以增加钻孔时的重迭片数,有利于提高生产效率和降低生产成本,实现PCB的微型化和高密度化。据介绍,日本东纺的开纤布和起毛布相对而言有比较好的钻孔加工性,E玻璃、D玻璃和NE玻璃的钻孔性(mm)分别为0.010、0.050、0.012。其钻孔性是用0.4mm直径的钻头,以60000r/min的钻速和1600mm/min的进钻速度,在1.6 mm厚FR-4板上钻8000个孔之后,测量钻头的磨耗量(mm)来进行评定[4]。

随着CO2气体激光为中心的激光钻孔机的制造技术进步,以及加工微细孔径工艺的不断进展,对环氧树脂/玻璃布基材的激光加工技术也在不断开发研究之中。所遇到的难题是通孔形状质量差、孔径尺寸精度低、电镀导通孔加工质量达不到要求等问题。这些问题的出现,也使得此项开发工作难于有所进展。另一方面,在以电子产品小型、轻量化为主流的发展中,积层多层板、高多层板的内芯板(以环氧/玻璃布制成的基板),在机械钻孔加工上也提出了对微细孔径加工性的更高要求。原来一般多层板钻孔孔径最小为0.35mm,现向着0.25mm方向发展,并且有的PCB厂家正在开发钻孔孔径0.10mm的新技术。在上述激光、机械钻孔加工技术的发展下,基板材料中的玻璃纤维分布不均一,成为影响微细孔径加工的突出问题。当前,要求改善玻璃布性能的呼声不断高涨。日本某公司在此背景下,以提高激光加工性、机械钻微细孔加工性为目标,成功开发了新型玻璃布。

特别是在激光加工情况下,由于玻璃纤维和树脂在热特性(包括热分解温度、热传导等)上的不同,会造成通孔孔径尺寸、开口径尺寸不同位置上的偏差。特别是在有高密度安装要求的PCB,它们都采用了极薄玻璃布作增强绝缘层。这些极薄玻璃布是使用极细纱织成。“笼形孔隙”在薄型基板中存在,更使微细通孔加工性下降。可以得出这样一个结论:制造高密度布线的PCB,基板材料所用的玻璃布必须改善它的玻璃纤维分布不均一问题。这是提高微细孔径加工性的关键。这种新型玻璃布为解决它的织造结构纤维不均一分布问题,采用了均一扁平化开纤加工(简称MS加工)[5]。

在PCB微孔加工过程中,轴向力和扭矩随着进给量和钻孔深度的增加而增大,主要原因与排屑状态有关。随着钻孔深度的增加,切屑排出困难,在这种情况下,切削温度升高,树脂材料熔化并牢固地将玻璃纤维和铜箔碎片粘结,形成坚韧的切削体。这种切削体与PCB母体材料具有亲和性,一旦产生这种切削体,切屑的排出便停止,轴向力急剧增大,扭矩也急剧增大,从而造成微孔钻头的折断。

PCB用微孔钻头的折断机理如下:PCB用微孔钻头的折断形态有压曲折断、扭转折断和压曲扭转折断,一般来说多为压曲折断和扭转折断并存;微孔钻头的折断机理主要是切屑堵塞,它们是造成钻削扭矩增大的关键因素。

2.2 PCB微钻的磨损机理

研究结果表明,PCB微钻的磨损主要是由于PCB材料中经溴化环氧树脂所释放出的高温分解产物对微钻材料WC-Co硬质合金中的Co粘结剂的化学侵蚀所造成的。在300℃左右,这种侵蚀反应已比较明显。降低硬质合金中的Co含量,可有效降低这种化学磨损。在钻进速度低于150mm/min时,化学磨损不再是磨损的主要形式,而磨擦磨损(即合金晶粒的剥落)成为了磨损的主要形式。

2.3 对PCB微钻材料的基本要求

通过以上分析,可以综合得出PCB生产技术对PCB微钻材料的基本要求:

1)较高的耐磨性与断裂韧性;

2)较高的热导率;

3)硬质合金中WC晶粒越细越好;

4)具有较好的抗化学侵蚀性能;

5)较好的加工性能等。

其中,合金晶粒度与热导率是最关键的因素。这是因为合金韧性与耐磨性与合金晶粒度密切相关。合金热导率直接影响被加工材料与钻具接触表面的温度,即对钻具的工作条件有直接的影响。在相关的研究中发现,硬质合金的热导率随合金晶粒减小而降低。因此,对传统的超细硬质合金而言,高热导率与高耐磨性两者之间是不可能同时兼顾的。如果立足在热导率与耐磨性这二种特性上来界定纳米硬质合金的晶粒度范围,则只能以合金的导热特性发生突变时的合金晶粒度的临界值来划分才是科学的,只有合金晶粒度小于或等于这一临界值的合金才属于纳米合金。如果仅从合金的韧性与硬度来考虑,晶粒度为0.2 μm的硬质合金可以属于纳米材料的范畴。

PCB硬质合金微钻的理想材质应具备“三高”的特性,即高耐磨性、高韧性和高热导率。显然,普通硬质合金无法同时具备以上性能。纳米棒强化的新概念硬质合金既具有纳米材料的特性,又具有纤维材料的特性,能实现高耐磨性、高韧性和高热导率的完美结合,是新一代PCB微钻的理想材质。

3 国内外纳米硬质合金的研究现状和发展趋势

在超细或纳米晶硬质合金方面,目前世界上只有少数国家能生产出兼具高硬度(HRA>90)和高强度(>3200MPa)的合金。制造这种合金的主要困难来自其原料的制备及合金的生产工艺。许多国家都对超细及纳米碳化钨粉等原料及其硬质合金生产工艺进行了研究。Sandvik硬质合金的分类见表1。

表1 Sandvik硬质合金的分类

美国Nanodyne公司的制粉和合金生产技术被认为是目前最有发展前途的工艺。该公司用喷雾转化和碳热工艺生产WC粒度小于50 nm的纳米结构WC-Co硬质合金粉末,即以可溶性盐的混合溶液经喷雾干燥后得到的混合物,在流化床反应器中进行气相还原碳化生产纳米级WC-Co复合粉。这种复合工艺有利于晶粒度的均匀分布,并可避免脏化。为便于压制,纳米粉末通常制备成50μm的大颗粒,然后用传统的热等静压(HIP)设备进行快速烧结致密化,用VC和Cr3C4晶粒长大抑制剂可使合金的平均晶粒度小于0.25 μm,在特殊的烧结条件下,可降至0.15μm。用这种合金制作的PCB钻头的寿命比微晶硬质合金制作的钻头高2倍~3倍。该公司已在北卡罗莱纳州建立采用该技术的WC-Co粉末生产车间,1998年秋季投产,年生产能力为450 t。

瑞典山特维克1997年推出的T002超细晶粒WC合金,晶粒度为0.25 μm,硬度达HRA 93.8,强度达4300MPa。该公司开发出了晶粒度为0.2μm的WC合金微型钻头,据称该公司是世界上唯一制造、销售这种新型高性能硬质合金钻头的厂家。该公司还制造出了双烧结的硬质合金钻头,外部为超细晶材料,以提高耐磨性;芯部为粗晶材料,具有较高的强度[7]。

纳米晶硬质合金的高硬度与高韧性的组合,使得它的使用寿命得以大幅度提高,在相同的切削刃X=75°,切速Vc=18m/min,切深Cp= 1.0 mm,走刀量L= 0.1mm,切削同一硬度(肖氏硬度86)的冷硬铸铁时,纳米晶硬质合金的寿命比标准晶有非常大的提高。用纳米结构的WC-Co粉末制取的钻头,在用于加工PCB方面,其切削刃的耐磨性能是普通微钴硬质合金钻头的2倍~3倍。对于加工具有两相性质(液相和固相)的复合材料时,如竹木材料,因含多酚化合物(即大侧柏酸),对刀具的腐蚀较严重,而超细晶硬质合金则显示了较强的耐蚀、耐磨性。美国RTW公司用(商品名称为Nanocarb)纳米WC-Co复合粉制造加工PCB的钻头,与标准型硬质合金钻孔对比,在同样钻孔500h后,标准型钻头磨损0.0017mm,而Nanocarb钻头仅磨损0.0009mm。

最近10年来,国际上在硬质合金超细原料与超细硬质合金的研究方面取得了令人瞩目的进展。美国Nanodyne公司采用喷雾转换化系列专利技术,已能以大规模工业生产WC-Co纳米复合粉;美国OMG公司于1998年购买了世界五大化学公司之一——美国Dow公司的快速碳热还原专利技术,已能以大工业规模高效率、低成本地生产0.2μm的超细WC粉。由于超细硬质合金生产用的原料问题已基本解决,目前,一些国际知名的硬质合金生产企业已能以工业规模生产代表硬质合金世界最先进水平的0.2μm的超细硬质合金。Sandvik于1999年5月在新闻发布会上隆重推出了晶粒度为0.2μm的新型纳米硬质合金PN90,从而在国际上开创了工业规模生产0.2μm超细硬质合金的先河。随后,Konrad Fried richs KG硬质合金工厂(世界最著名的硬质合金挤压棒生产企业)也推出了牌号为KFK55SF special、晶粒度为0.2μm的超细硬质合金。用这种合金可以制造直径为 0.1 mm的PCB微钻[6]。

纳米硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的PCB纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较,钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。卫晞等[6]在用日本东芝公司的G2、D30、EM10、F几种牌号的晶粒尺寸约为200nm的硬质合金刀具切削冷硬铸、CrWMn等材料时发现,与普通的硬质合金相比,其磨损量大大降低,耐用度明显提高,其中F的耐用度最高提高了18倍。

据国内某硬质合金厂产品介绍,其PCB微钻的最小直径为0.05mm,至于采用的加工技术还尚未透露,特存以备考。

4 纳米硬质合金强化技术

4.1 纳米技术提高PCB微钻性能的机理

纳米技术是近年来发展迅速的一门新兴技术。当材料的晶粒尺寸达到纳米级,就会产生许多特异性能。由于纳米材料具有较大界面,界面上的原子排列相当混乱,在外力变形条件下极易迁移,因此使材料表现出良好的韧性与延展性。纳米刀具材料的显微结构物相具有纳米级尺度,由于尺寸效应的作用,晶界面积增大,抗裂纹扩张阻力提高,从而可获得优异的力学性能(如断裂韧性、抗弯强度、硬度等),表现出良好的切削性能。由于生产工艺不成熟、价格昂贵以及烧结过程中纳米晶粒容易发生疯长等原因,迄今世界上还没有一家公司实现100nm粒度硬质合金材料的工业化规模生产。因此,纳米硬质合金材料的工业化应用还有待时日。但是人们发现,在细晶粒硬质合金基体中加入纳米颗粒,也可使硬质合金基体材料的硬度、韧性等综合性能有较大提高。因此,采用纳米复合强化是改善细晶粒硬质合金材料性能的有效途径。纳米复合强化机理主要是因为弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒具有弥散增韧作用。当在基质材料中加入高弹性模量的第二相粒子(纳米颗粒)后,这些粒子在基质材料受到拉伸作用时将阻止横向截面收缩,而要达到与基体相同的横向收缩,就增大纵向拉应力,这样就可使材料消耗更多能量,起到增韧效果。同时,高弹性模量颗粒对裂纹可起到“钉扎”作用,使裂纹发生偏转和绕道,从而耗散裂纹前进的动力,起到增韧作用。此外,弥散在硬质合金基体材料中的纳米颗粒可抑制硬质合金晶粒在烧结过程中的长大,综合提高硬质合金材料的机械性能。

研究发现,当材料颗粒小到大约5 nm时,材料的性能会发生突变。因此,对微钻材料所要求的三高,即高韧性、高耐磨性与高热导率可通过纳米硬质合金来实现。尽管Nanodyne公司在实验室已成功地制备了晶粒度为0.15μm的硬质合金,但是目前采用含晶粒长大抑制剂的纳米复合粉为原料,工业规模仅能生产晶粒度小于0.4μm的硬质合金。目前,用超细或纳米原料,采用传统的抑制合金晶粒长大的方法很难制备晶粒度小于0.2μm的硬质合金,这一基本观点,在国际上已形成共识。

通常硬质合金切削工具是用微米级WC-Co粉末制造。随着对硬质合金工具性能要求的不断提高,研究人员发现,要提高产品的硬度、耐磨性和耐蚀性,需要增加WC的含量;要提高产品的强度、韧性和加工性能,需要增加Co的含量,这在提高硬度和强度之间产生了矛盾。为此人们已经开始采用更细的粉末。因为研究表明,当WC晶粒尺寸减小到亚微米以下时,材料的硬度、韧性、强度、耐磨性能都得到了提高,同时,达到完全致密化所需的温度越低。尤其是纳米WC材料能够在提高硬度的前提下,显著地提高材料的韧性。在纳米WC基硬质合金生产中,寻找有效抑制晶粒长大的新方法(包括粉末制备、抑制剂、烧结工艺)正成为当今世界硬质合金领域研究的一个热点[8]。

4.2 超硬纳米复合材料的力学性能

用等离子感应化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)方法制成的由氯化物、硼化物或碳化物组成的各种超硬纳米复合材料,具有异乎寻常的综合力学性能:其维氏显微硬度高达40GPa~100GPa、弹性回复超过90%,在高应变下仍有高的裂纹形成和生长抗力,这种复合材料还有良好的高温稳定性。对超硬纳米复合材料的力学性能测量是根据Hertzian弹性响应对其压痕曲线分析得到的。根据传统的断裂机理将其按比例缩小到纳米晶和纳米裂纹,并引入材料制备时可能产生的低浓度缺陷,就可以充分理解纳米复合材料展现的高性能。

分析表明,超硬涂层材料展现的高模量和高硬度表明它是理想的高强材料。根据弹性形变,超硬纳米复合材料也有塑性形变,塑性性能为加载卸载曲线间的面积,因纳米晶中无位错,因而塑性变形必定来自非晶区的局域切变,但是SEM并未在纳米复合材料中看到形变带,加上材料的高稳定性,充分证明,由压痕测量得到的塑性硬度和估算的残留塑性形变,代表这一材料的真实性能。众所周知,原子之间的键的断裂应变可达到20%。这种纳米裂纹的应力浓度因子非常小,可避免小裂纹突然发展。因此纳米复合材料能够经受比传统硬材料大得多的应变。由于纳米裂纹的应力浓度因子很小,故其扩展应力很高,而且在三维纳米复合材料中纳米裂纹的扩展包含裂纹平面的大量偏离和分叉,这又再次阻止纳米裂纹的连接生长。最后,由于热力学自旋偏离使系统“自生”的缺陷浓度很低。因此,纳米复合材料具有很高的裂纹形成与扩展阻力。

4.3 纳米硬质合金的制备

纳米粉体的制备方法很多,理论上说,任何能制造精细晶粒尺寸多晶体的方法都可以用来制造纳米粉体。如果有相变发生,则在晶粒形成过程中要增大形核率,减少生长速率。通常有物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体沉积、机械合金化等方法。而对于合成硬质合金这样的金属粉体而言,通常有如下方法[7][9]。

4.3.1 气体沉积法

气相沉积是在容器里将金属或合金蒸发气化后,与反应气体合成,生成纳米级粉体。蒸发方式可采用电阻加热、高频感应,等离子体电子束或激光。该方法具有粉末细(5 nm~10nm),杂质元素含量少等优点。缺点是生产效率低,设备投资较大。

4.3.2 化学法

化学法的基本原理是选一种或多种可溶性盐类,按材料组成配制成溶液,使各元素里离子或分子态,通过沉淀,水解,喷雾干燥使金属离子沉淀或结晶,再加热脱水或热解而制得纳米粉体。该法的优点是容易控制组分,如硬质合金可以配比成任意Co含量W-Co复合盐,设备简单。但粉体可选择性不大,且易于团聚。

4.3.3 喷雾转换工艺

喷雾转换工艺是目前工业化批量生产WC-Co纳米复合粉的主要方法。该法由美国大学研制成功。采用该工艺生产纳米WC-Co粉,粒度达到20 μm~40μm。该工艺采用偏钨酸铵水溶液与氯化钴混合形成原始溶液,经雾化干燥形成化学成分均匀、细小的钨和钴盐混合物,再将混合粉体在溶化床中还原和碳化而得到纳米相WC-Co粉体。

5 结束语

切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。据统计,国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80%~85%,而在国内这一比例则高达90%。刀具是切削加工中不可缺少的工具,无论是普通机床,还是先进的数控机床(NC)、加工中心(MC)和柔性制造系统(FMC),都必须依靠刀具完成切削加工。刀具的发展对提高生产率和加工质量具有直接影响。材料、结构和几何形状是决定刀具切削性能的三要素,其中刀具材料的性能起着关键性作用。国际生产工程学会(CIRP)在一项研究报告中指出:“由于刀具材料的改进,允许的切削速度每隔10年几乎提高1倍”。刀具材料已从20世纪初的高速钢、硬质合金发展到现在的高性能陶瓷、超硬材料等,耐热温度已由500℃~600℃提高到1 200℃以上,允许切削速度已超过1000mm/min,使切削加工生产率在不到100年时间内提高了100多倍。因此可以说,刀具材料的发展历程实际上反映了切削加工技术的发展史。

硬质合金是一种或多种高硬度、高模量的碳化物(通常是WC和TiC等)与过渡族的金属或其合金(通常是Fe、Co、Ni等)组成的复合材料。该材料的这种复合结构使其具有高硬度、高耐磨性,又具有较高的强韧性。开始,硬质合金主要是用于拉丝模和其它耐磨零件的制造。后来由于其性能不断提高,又在金属切削领域得到了广泛的应用,一直到现在,80%的硬质合金都用于金属切削刀具的制造。硬质合金中WC的晶粒尺寸越小,粘结相Co的平均自由程越短,则合金的硬度和强度越高。而当WC的晶粒尺寸降低到100nm左右时,其硬度和强度将会有很大的突破。在难加工金属材料,如航空材料中的高温合金的加工、电子工业中印制电路板的钻孔、木材以及复合地板的加工、点阵打印机的针头、玻璃的精密切割、纺织品切割等,都需要强度和硬度更高的超细晶粒或纳米晶粒硬质合金刀具完成。80年代中后期各国先后开发出超细晶粒硬质合金。

随着超细硬质合金生产水平的不断提高,直径为0.2 mm~0.25 mm的PCB硬质合金微钻已能工业规模生产。日本已能生产直径仅为0.1mm的硬质合金微钻。

PCB材料是一种由金属、塑料、合成树脂、陶瓷和玻璃纤维等所组成的层状复合材料。这种材料对硬质合金加工工具的磨蚀性极强。工具磨损会产生热量,如果散热条件不好,会导致PCB材料中低熔点组元的熔化与复合材料层与层之间的剥离。因此,为了防止加工过程中造成PCB材料的破坏,应该尽可能地降低工具的磨损,同时改善工具的散热条件。

纳米硬质合金是解决材料中强度(韧性)和硬度这对矛盾的唯一途径。尽管真正的纳米(小于100nm)硬质合金仍处于实验阶段,但目前已实现“产业化”的“准纳米级”硬质合金已现出良好的端倪。如株洲硬质合金厂生产的0.4μm级的超细硬质合金已经达到硬度HRA≥93.5,强度σ≥4000MPa的双高性能。这类超细合金已成功应用于集成电路微钻(直径小于0.1mm)、打印针、难加工材料切削工具、高精度工模具等。可以预见,具有良好塑性的真正意义上纳米硬质合金的产生,将会对硬质合金的观念和应用带来一场革命。可弯曲的高耐磨性的纳米硬质合金可以毫不费力地加工成复杂的型材模具,可使金属型材的拉、拔、轧的加工效率成倍提高;HRA达93以上的纳米级硬质合金凿岩钻头可大幅度提高矿的掘进和石油钻井的速度,且钻头使用寿命成倍提高。随着配套设备(主要是转速)的改善,微钻的直径可以达到几十个甚至几个微米,为制造大规模集成电路的钻孔节约更多的费用。此外,一些拥有特殊性质的纳米W、Mo化合物可以用于化工方面的催化剂,还可用于光、磁、声、电等功能材料领域。正是由于纳米材料的许多优异的性能和广泛的应用前景,系统研究和开展纳米硬质合金和纳米W、Mo化合物,对振兴我国钨业,将我国的钨资源优势转化成产业优势具有十分深远的意义。

纳米硬质合金的研究与开发可归纳为如下几个特点。第一、研究和开发还处在初级阶段,工艺与技术还有待完善,批量生产和性能的超常突破还有待深入研究。第二、有关添加晶粒抑制剂的报道文献较多,也较深入,但有关超微粉的低温烧结的报道不多,也不详细。第三、根据WC/Co粉的纳米尺度来推断产品的晶粒度的理论已起步。第四、纳米晶硬质合金的研究打破了常规硬质合金的一些规律,即随着硬度的提高,强度和韧性仍然较高。

综上所述,在信息经济时代的21世纪初,随着全球经济的迅猛发展和互连网时代的来临得到推广应用,传统产业必将得到改造和调整。如何进一步改进硬质合金制造技术,不断开发高性能的新型的超细和纳米级硬质合金粉末,从而更进一步提高硬质合金产品的性能,增加其高科技含量,以适应PCB飞速发展的需要,是我们急待努力思考和积极面对的问题。纳米技术在印制线路板的“牙齿”——线路板微钻中的应用非常值得业内专家关注。

参考文献:
[1] 林金堵.PCB导通孔微小化技术与发展[A].2003(春季)国际PCB论坛论文集[C].上海:2003,3.
[2] 刘舜尧,张春友.纳米硬质合金开发与应用[J].矿

作者简介:张家亮,工程师,湖南邵阳人。主要从事印制线路板用覆铜箔层压板的研究和制造工作,发表专业论文50余万字。 (end)

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