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系統識別號 U0002-2607200715014700
中文論文名稱 以表面鍍層延長碳化鎢鑽針壽命之研究
英文論文名稱 Study of improving the tool life of WC drill by various protective coatings
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 林育靖
研究生英文姓名 Yu-Ching Lin
學號 694341990
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-30
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-宋健民
委員-馬廣仁
委員-左培倫
委員-劉道恕
中文關鍵字 鑽針  表面鍍層  非平衡磁控濺鍍法  磨耗  壽命 
英文關鍵字 drill  coating  unbalanced magnetron sputtering  wear  tool life 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 近年來機電產品朝向微小化、多樣性和大量生產的方向發展。隨著鑽孔微小化,印刷電路板上的鑽孔將是高密度分佈和高深寬比,鑽孔製程的費用勢必提高,因此在成本的考量下,如何提高鑽針壽命及鑽孔品質將是一個重要的研究課題。本文使用非平衡磁控濺鍍法在碳化鎢鑽針上鍍上硬質膜,藉由表面鍍層的方式提高鑽針耐磨耗性和潤滑性,以達到提高鑽針壽命和鑽孔品質的目標。實驗採用直徑0.3mm鑽針,轉速155Krpm,進給率3.5m/min,疊合2個雙面銅箔電路板鑽100-11000孔,最後用場發射電子顯微鏡觀察鑽針與鑽孔的情形。實驗結果發現,鑽針主要受到摩擦磨耗和黏著磨耗影響,而產生磨耗的位置主要在鑿刃和切刃外側邊二個地方,因為鑿刃是最先接觸材料並承受切削力,因而產生磨耗;切刃外側邊則是產生最大切削速度的位置,磨耗會隨著切削速度增加而增加。本研究實驗結果顯示,未鍍膜鑽針的壽命在1500-2000孔左右,其鑽孔在500孔後產生嚴重變形。氧化鋁鈦鍍膜(厚度0.5μm)鑽針鑽到11000孔時,以電子顯微鏡觀察發現鑿刃和切刃外側邊只產生些微磨耗,與未鍍膜鑽針相比明顯提高五倍的壽命;就PCB鑽孔而言,其鑽孔比起未鍍膜鑽針所鑽的孔明顯要改善許多,鑽孔並未產生嚴重變形,鑽孔壁也相當平滑。
英文摘要 As the trend of industrial is fast moving towards miniaturization, diversity, high efficiency and high throughput, the devices to be mounted onto a PCB are increasingly densely packed so are the holes needed to keep all elements in place. To effectively and economically generate so many holes of small diameter and high aspect ratio, the drilling process has to be done in a high speed manner and the tool life has to be kept as long as possible. This study aimed to improve the tool life and the quality of the obtained holes by applying various hard coatings on the drills. The results showed that tool life could be effectively improved from 2500 hits to around 11000 hits at 155Krpm and 3.5m/min when proper hard coating was applied. It was found that wear of drill was resulted mainly from abrasive wear and adhesion wear. It was also showed in the research that while non-coated drills suffered serious deformation after 500 hits those coated with TixAl2O3 could finish 11000 hits with very limited wear land on the drills.
論文目次 目 錄
中文摘要………………………………………………………………… I
英文摘要……………………………………………………………….. II
致謝……………………………………………………………………. III
目錄……………………………………………………………………IV
圖目錄………………………………………………………………… VII
表目錄…………………………………………………………………. X
第一章 緒論……………………………………………………………. 1
1-1 前言…………………………………………………………… 1
1-2 研究動機與實驗目的……………………………………….... 4
第二章 文獻回顧與理論基礎…………………………………………. 7
2-1 鑽針………………………………………………………….... 7
2-1-1 切削刀具的演進....…………………………………… 7
2-1-2 鑽針介紹…………………………………………….... 8
2-1-3 鑽尖角與間隙角與鑽腹對於鑽孔的影響.................... 9
2-1-4 刀具磨耗…………………………...………………... 11
2-1-5 鑽針磨耗型態……………………………………….. 13
2-2 印刷電路板………………………………………………….. 15
2-2-1 印刷電路板分類…………………………………...... 16
2-2-2 印刷電路板鑽孔…………………………………….. 18
2-2-3 印刷電路板鑽孔問題……………………………….. 19
2-2-4 印刷電路板相關文獻……………………………….. 20
2-3 表面鍍層…………………………………………………….. 24
2-3-1 化學氣相沉積……………………………………….. 25
2-3-2 物理氣相沉積……………………………………….. 25
2-3-3 非平衡磁控濺鍍法………………………………….. 26
2-4 鍍膜簡介…………………………………………………….. 29
2-4-1 陶瓷鍍膜…………………………………………….. 29
2-4-2 陶瓷鍍膜相關文獻………………………………….. 30
2-4-3 類鑽碳鍍膜………………………………………….. 31
2-4-4 類鑽碳相關文獻…………………………………….. 34
2-4-5 碳化鎢碳鍍膜……………………………………….. 35
2-4-6 二硫化鉬鍍膜……………………………………….. 36
2-5 影像處理判定磨耗………………………………………….. 37
2-5-1 影像處理流程……………………………………….. 37
2-5-2 影像處理相關文獻………………………………….. 37
第三章 實驗規劃與設備……………………………………………... 39
3-1 實驗流程圖………………………………………………….. 39
3-2 實驗規劃…………………………………………………….. 40
3-2-1 鑽針規劃…………………………………………….. 40
3-2-2 鍍膜規劃…………………………………………….. 41
3-2-3 鑽孔參數規劃……………………………………….. 42
3-2-4 PCB…………………………………………………… 44
3-3 場發射電子顯微鏡………………………………………….. 45
3-4 磨耗比判定方式…………………………………………….. 46
第四章 結果與討論……...…………………………………………… 47
4-1 磨耗機制…………………………………………………….. 47
4-1-1 鑽針磨耗機制……………………………………….. 48
4-1-2 磨耗對PCB鑽孔的影響…………………………….. 49
4-2 表面鍍層…………………………………………………….. 53
4-3 鑽針鑽孔試驗……………………………………………….. 56
4-3-1 未鍍膜鑽針鑽孔試驗……………………………….. 56
4-3-2 氮化鋁鈦(TiAlN)鍍膜鑽針鑽孔試驗……………….. 58
4-3-3 碳化鎢碳(WC-C)鍍膜鑽針鑽孔試驗………………. 62
4-3-4 類鑽碳(DLC)鍍膜鑽針鑽孔試驗…………………… 64
4-3-5 氧化鋁鈦(TixAl2O3)鍍膜鑽針鑽孔試驗…………….. 66
4-4 鑽針與鑽孔綜合比較……………………………………….. 68
4-4-1 4000孔鑽針與鑽孔綜合比較………………………... 68
4-4-2 5000孔鑽針與鑽孔綜合比較………………………... 69
4-4-3 6000孔鑽針與鑽孔綜合比較………………………... 70
4-4-4 6000孔以上鑽針與鑽孔綜合比較…………………... 71
第五章 結論與未來展望……………………………………………... 73
5-1 結論………………………………………………………….. 73
5-2 未來展望…………………………………………………….. 75
第六章 參考文獻……………………………………………………... 76
附錄一 未鍍膜鑽針SEM圖…………………………………………. 79
附錄二 TiAlN(0.2μm)鍍膜鑽針SEM圖……………………………. 81
附錄三 TiAlN(0.4μm)鍍膜鑽針SEM圖……………………………. 83
附錄四 TiAlN(1.0μm)鍍膜鑽針SEM圖…………………………….. 85
附錄五 WC-C(1.8μm)鍍膜鑽針SEM圖…………………………….. 88
附錄六 DLC(1.8μm)鍍膜鑽針SEM圖……………………………… 91
附錄七 TixAl2O3(0.5μm)鍍膜鑽針SEM圖………………………….. 94
附錄八 未鍍膜、TiAlN(0.2μm、0.4μm)PCB斷面SEM圖…………. 96



圖 目 錄
圖1-1 全球及我國PCB市場規模預估……………………………….. 1
圖1-2 2000-2005年印刷電路板產品市場佔有率分析……………….. 2
圖1-3 比較不同材質的硬度(上圖),比較不同材質的摩擦係數(下圖)……………………………………………………………………….. 5
圖2-1 鑽針示意圖……………………………………………………... 9
圖2-2 鑽尖角對於鑽孔的影響………………………………………. 10
圖2-3 有無間隙角之比較……………………………………………. 10
圖2-4 刀具磨耗曲線圖………………………………………………. 12
圖2-5 鑽針磨耗型態示意圖…………………………………………. 14
圖2-6 印刷電路板成品圖……………………………………………. 15
圖2-7 印刷電路板以製造流程區分示意圖…………………………. 17
圖2-8 PCB鑽孔示意圖………………………………………………. 18
圖2-9 釘頭示意圖……………………………………………………. 20
圖2-10 影像處理流程圖……………………………………………... 21
圖2-11 Edge Position Angle與表粗關係圖…………………………... 22
圖2-12 損壞因子判斷示意圖及方程式……………………………... 23
圖2-13 磁控濺鍍示意圖……………………………………………... 27
圖2-14 磁控濺鍍、非平衡磁控濺鍍、閉合場非平衡磁控濺鍍示意圖………………………………………………………………………. 27
圖2-15 DLC用於披覆各類產品:DLC披覆的剃刀片(上圖左)、光碟模(上圖中)、高爾夫球頭(上圖右)、鑽石碟修整器(下圖左)、微切刀(下圖中)及人工關節(下圖右)…………………………… 32
圖2-16 DLC鍍膜的鑽針……………………………………………… 33
圖2-17 DLC的硬度與其附著強度為魚與熊掌,難以兼得………….. 34
圖2-18 鍍MoS2 潤滑層可大幅提高鑽針的壽命…………………… 36
圖2-19 影像處理流程圖……………………………………………... 37
圖2-20 刀腹磨耗面積示意圖………………………………………... 38
圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………. 39
圖3-2 超音波清洗機…………………………………………………. 40
圖3-3 清洗後鑽針SEM圖…………………………………………… 40
圖3-4 HITACHI ND-Nseries鑽孔機………………………………….. 42
圖3-5 PCB板疊構示意圖…………………………………………….. 44
圖3-6 PCB鑽孔路徑示意圖…………………………………………. 44
圖3-7 場發射電子顯微鏡(HITACHI S4160型)…………………. 45
圖3-8 磨耗比判定示意圖……………………………………………. 46
圖4-1 切削時間與鑽針刀腹磨耗程度關係曲線圖…………………. 47
圖4-2 鑽針磨耗主要位置……………………………………………. 48
圖4-3 鑽針黏著積屑…………………………………………………. 49
圖4-4 孔壁膠渣………………………………………………………. 50
圖4-5 鑽孔毛邊………………………………………………………. 50
圖4-6 鑽孔變形………………………………………………………. 50
圖4-7 孔壁表粗示意圖………………………………………………. 52
圖4-8 釘頭示意圖……………………………………………………. 52
圖4-9 表層鍍膜SEM圖……………………………………………… 54
圖4-10 未鍍膜鑽針缺陷情況………………………………………... 56
圖4-11 未鍍膜鑽針進出孔SEM圖(500孔)……………………....... 57
圖4-12 未鍍膜鑽針磨耗比…………………………………………... 57
圖4-13 TiAlN鍍膜(0.2μm)鑽針缺陷圖………………………………. 58
圖4-14 TiAlN鍍膜(0.2μm)鑽針進出孔SEM圖(1000孔)…………. 59
圖4-15 TiAlN鍍膜(0.4μm)鑽針缺陷圖………………………………. 59
圖4-16 TiAlN鍍膜(0.4μm)鑽針進出孔SEM圖……………………... 60
圖4-17 TiAlN鍍膜(1.0μm)鑽針缺陷圖………………………………. 60
圖4-18 TiAlN鍍膜(1.0μm)鑽針進出孔SEM圖(5000孔)…………. 61
圖4-19 TiAlN鍍膜鑽針磨耗比……………………………………….. 61
圖4-20 WC-C鍍膜鑽針缺陷圖………………………………………. 62
圖4-21 WC-C鍍膜鑽針進出孔SEM圖(3500孔)………………….. 63
圖4-22 WC-C鍍膜鑽針磨耗比………………………………………. 63
圖4-23 DLC鍍膜鑽針圖……………………………………………… 64
圖4-24 DLC鍍膜鑽針進出孔SEM圖(6000孔)……………………. 65
圖4-25 DLC鍍膜鑽針磨耗比………………………………………… 65
圖4-26 未經切削過的DLC鍍膜鑽針……………………………… 66
圖4-27 TixAl2O3鍍膜鑽針圖(10000孔)……………………………... 66
圖4-28 TixAl2O3鍍膜鑽針進出孔SEM圖(8000孔)……………… 67
圖4-29 TixAl2O3鍍膜鑽針磨耗比…………………………………….. 67
圖4-30 各種鑽針4000孔SEM圖……………………………………. 68
圖4-31 各種鑚針5000孔SEM圖……………………………………. 69
圖4-32 各種鑚針6000孔SEM圖……………………………………. 70
圖4-33 TixAl2O3鍍膜鑽針7000-11000孔SEM圖……………………. 71







表 目 錄
表1-1 2005-2010年印刷電路板年產值預測表………………………. 3
表3-1 鍍膜厚度與層數規劃表………………………………………. 41
表3-2 鍍膜簡介表……………………………………………………. 41
表3-3 鑽孔參數表……………………………………………………. 42
表3-4 鑽孔數規劃表…………………………………………………. 43






















參考文獻 第六章、參考文獻
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【27】 S.G.Harris, E.D.Doyle, A.C.Vlasveld, J.Audy, D.Quick, “A study of the wear mechanisms of Ti1-xAlxN and Ti1-x-yAlxCryN coated high-speed steel twist drills under dry machining conditions”, Wear, Vol. 254, pp.723-734, 2003.


論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2010-07-30公開。
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