PVD真空离子镀膜技术及原理.docx

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1、深圳成霖實業PVD 真空離子鍍膜技術及原理撰稿人:張勝利一.概述PVD 即為英語 PhysicalVaporDeposition 的縮寫,即用物理氣相沉積法制得的膜層,所謂物理氣相沉積是利用各種物理方法(如熱蒸發或輝光放電.弧光放電等物理過程).將鍍料氣化成原子.分子或離化為離子,在各種材料或制品外表沉積單層或多層薄膜.從而使材料或制品獲得所需的各種优異性能.它包括真空蒸鍍.真空離子鍍和濺射鍍膜.與其它鍍膜或外表處理方法相比,物理氣相沉積具有鍍層材料廣泛.可鍍各種金屬.合金.氧化物. 氮化物.碳化物等化合物鍍層,也能鍍制金屬.化合物的多層或复合層.鍍層附著力強.工藝溫度低.工件一般無受熱變形或

2、材料變質的問題.鍍層純度高.組織致密.工藝過程易於把握.調節.對環境無污染. 存有設備較复雜.一次投資較大等缺陷,但由於以上特點.物理氣相沉積技術具有廣闊的發展前景.二.真空離子鍍膜1. 概念:真空放電原理:在真空條條下,於兩電極間加上電壓(數 KV),氣體便發生電離.如氬氣電離為帶正電荷的氬離子(Ar+)及帶負電荷的電子,並以加速分別奔向陰極和陽極.由於 Ar+撞擊陰極(加工物) 外表,我們稱之陰極濺射.這種氣體放電的物理現象正是離子鍍膜原理的基礎.實現離子鍍有兩個必要的條件: (1)造成一個氣體放電的空間;(2)將鍍料原子引進放電空間,使其局部離化.2. 真空離子鍍膜原理:ADCB接真空系

3、統鍍膜機原理簡圖 A.弧電源.B.蒸發源.C.偏壓電源.D.轉架.如圖 1 所示,在真空條件下.,在陰極靶和工件之間加上确定的電壓後.(該電壓由轟偏電源 C 供给.工件上加負電).二者之間便形成等離子場.當連接在大功率弧焊機的回路上的陰極靶和引弧電極通斷的瞬間,產生很大的短路電流,使該突起溫升加高,當達到金屬靶材的氣化溫度時.靶材金屬便被蒸發成金屬原子.當金屬原子進入等離子場時受到電子撞擊而電離為金屬離子,在電場和磁場的共同作用下,金屬離子便以較高的能量入射到待鍍工件外表,金屬正離子在達到工件外表的過程中與離化的反應氣體化合形成不同色澤的化合物與金屬原子一起沉積到待鍍工件外表而形成膜層.3.

4、常用鍍膜術語(1)真空:容器內介質氣體壓力低於大氣壓力(101325Pa)的氣體狀態. (2)真空度:用來表示真空狀態下氣體的淡薄程度.通常用壓力表示(3) 多弧離子鍍:是把真空弧光放電用於蒸發源的鍍膜技術.鍍膜時陰極靶材外表出現許多格外小的弧光輝點,且蒸發源數目大於一.(4) 薄膜:依据确定的需要,利用特别的制備技術,在基體外表形成厚度為亞微米至微米級的膜層,幾乎全部固體材料都能制成薄膜材料.由於極其薄,因而需要基底支承,薄膜在基底上生長.彼此有 相互作用,薄膜的一面附著在基底上,並受到約束又會產生內應力.(5) 靶:鍍膜的原材料.(6) 蒸發源:鍍膜機離化材料的部件.4. 真空的特點和應用

5、(1).排解了空氣的不良影響,可防止金屬氧化。(2).除去或減少氣體、雜質污染，供给清潔條件。(3).減少氣體分子間的碰撞次數。(4). 真空的絕熱性強。(5). 可降低物質的沸點和氣化點。真空因有這些特點，故應用格外廣泛。如：宇航環境的模擬,技術,可控熱核反應技術, 真空輸送,真空過濾,真空枯燥,真空蒸餾，真空制鹽,真空濃縮,真空除臭，真空結晶，冷凍枯燥， 真空浸漬，真空調濕，真空滲金屬，真空熱處理，真空離子氮化，真空制冷，真空燒結，真空鍍膜 ，低溫絕熱等等。5. 離子鍍膜特點:(1) 離子鍍可在較低溫下進行.一般化學熱處理和化學氣相沉積均需在 9000C 以上進行,所以處理後要考慮晶粒細化

6、和變形問題,而離子鍍可在 6000C 下進行.(2) 膜層的附著力強.(3) 繞鍍力气強:首先,蒸發物質由於在等離子區被電離為正離子,這些正離子隨電場的電子線運動而終止在常負電的基片的全部外表.因而在基片的正面,反面甚至基片的內孔.凹槽.狹縫等都能沉積上薄膜.(4) 沉積速度快:鍍層質量好,離子鍍獲得的膜層,組織致密,氣孔.氣泡少.而且鍍前對工件清洗處理 較簡單.成膜速度快.(5) 工件材料和鍍膜材料選擇性廣:工件材料除金屬.合金以外.陶瓷.玻璃.塑料均可以.鍍膜材料可 以是金屬和合金,也可以是碳化物.氧化物和玻璃等,並可進行多元素多層鍍覆.6. 離子鍍的應用離子鍍(包括濺射)鍍膜的應用舉例應

7、用鍍膜TiC,TiN,Al O ,HfN,WC,Cr基體(或組合)用例高速鋼,硬質合金,模具鋼,碳刀具,模具,超硬工具,機械零耐磨2 3鋼件TiO ,SiO ,Si N223 4鋼,塑料,半導體外表保護強化耐熱Al,W,Ti,Ta,Mo,Co-Cr-Al系鋼 , 不 銹 鋼 , 耐 熱 合 金 , 排氣管,耐火材料,發動機,材合金Co-Cr-Al 系合金料,航空航天器材耐蝕Al,Zn,Cd,Ta,Ti一般鋼,結構鋼,不銹鋼升機,船舶,汽車,管材,一般結構件潤滑Au,Ag,Pb,Cu-Au,Pb-Sn,MoS2高溫合金,軸承鋼噴氣發動機軸承,航空航天及高溫旋轉器件裝飾Au,Ag,Ti,Al,Ti

8、N,TiC,CrC鋼,黃銅,鋁,銅,不銹鋼 ,玻首飾.微章,鐘表,眼鏡,彩色璃,塑料書,光澤,著色Re,Ta-N,Ta-Al,Ta-Si,Ni-Cr 陶瓷,塑料,玻璃薄膜電阻,電阻器Au,Al,Cu,NiAu,Al,Ni/Si 片電極電子工業集成電路SiO2,Al O ,2 3Nb,氧化物SiO 陶瓷等2磁光記錄 Cd-Co,Mn-Bi,Mn-Cu-Bi光導通訊 TiO ,ZnO,BaTiO ,SnO ,InOSiO2,Al O /金屬2 3氧化物,Ag/石英金屬,印刷板,集成電路合金膜/塑料塑料,玻璃,陶瓷電容,二極管透鏡外表絕緣保護膜光盤保護膜,反射膜,特别透亮膜2塑料Ni,Cu,Cr32

9、3塑料等汽車零件,電氣零件聲學ZnO,PZT,BaTiO ,LiNbO33Si,CaAs,黑 Cr Al,Au能源TiC,Au,MoZnO/石英,紅實石,金膜太陽能收集器Al/鈾,Au/Cu 套聚變反應容器內壁壓電膜,聲外表波器件太陽能電池,太陽能房反應堆,聚變反應容器三.PVD 真空離子鍍加工流程:序號工藝流程說明1. 廠家送貨至鍍膜部.1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.來料來料檢驗超聲波外表清洗3-5 分鐘純水外表清洗擦除外表水份外表水份烘干爐內抽取真空外表物理清洗高壓電轟擊600V/1A外表鍍膜200V/10A爐內充大氣工件出爐檢驗包裝2. 鍍膜部需對來料進行分

10、選 ,將砂眼.雜質.麻點.碰划傷.起泡.發黃等不良缺陷挑出.3. 超聲波清洗是由超聲波清洗槽和超聲波電源兩局部組成.超聲波電源主要是產生具有确定能量的高頻信號,經導線傳給超聲波清洗槽的換能器 ,換能器可以將超聲電流產生的振蕩(頻率 20-36KHZ)通過槽底(振板)傳給清洗液 .這種超聲波振蕩在清洗液中引起“空化”現象.即瞬時產生許多細微的氣泡 ,當這些氣泡裂开時,會產生很強烈的衝擊波 .反复作用工件外表,使污物快速從工件外表脫落 .從而達到清洗的目的.4. 純 水 亦 即 去 離 子 水 , 由 於 自 來 水 中 含 有Ca2+,Mg2+,Cl-,CO 2- 等電解質很简洁使工件外表生銹.

11、3含有上述雜質的水在枯燥過程中,一旦在工件外表生成水跡.所以必須用去離子水進行漂洗.5. 利用毛巾將漂洗過的產品外表水份擦干.6. 將擦干後的產品推進烘干爐進行烘干.將擦干後雜留在盲孔 .縫隙中的水分子進一步烘干 ,烘干溫度銅件.1800C 鋅壓鑄件1500C.塑膠件500C.烘干時間30-50 分鐘.7. 利用機械真空泵 ,油擴散泵來獲得鍍膜所需的真空度,其目的是排解空氣對產品的不良影響 ,可防止金屬氧化.減少氣體雜質污染,供给清潔條件.8.當真空抽至 2.0*10-2Pa6.0*10-3Pa 時,充入 Ar,在陰陽極之間入0.5KV-3KV 電壓時,電子從陰極發射出來, 並將真空室內的殘余

12、點體電離在陰極和陰極之間 ,陰陽離子的有序移動出現輝光現象,輝光電離的正離子到達陰極工件,導致工件的溫度上升 ,同時由於濺射使工件外表吸附原子脫離工件外表 ,這便是離子清洗,其結果是將工件外表進一步清洗干淨.9. 高電壓轟擊時工件產生濺射,使外表雜質層清洗和吸附層解吸,使工件外表清洗,提高膜層的附著力.10. 當引弧電極接觸靶材的瞬間 ,產生大短路電流使外表溫升加劇從而使靶材外表熔化產生弧放電 ,在工件外表由於偏壓源供給負電壓,使電場強度的方向指向待鍍工件.同時在磁場的作用下 ,二次電子的運動螺旋化.能量加大.靶材的原子和離子能量進一步提高, 射入待鍍工件外表淺層而成膜,靶材正離子在到達工件外

13、表的過程中與離化的反應氣體化合形成不同色澤的化合物.11. 鍍膜完畢後,充入大氣使爐內壓強與爐外全都.12. 打開爐門取出工件.13. 將鍍膜後的不良缺陷.如脫落.色差.等分選出.四.PVD 色系前工程(水鍍)工藝顏色代碼中文前工程外表處理工藝過程顏色JH亮鎳色拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVDPVD灰亮白色ND砂線亮鎳拋光鍍鎳鍍亮鎳拋砂PVD磨砂不銹鋼色SH霧鉻色拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍霧鉻PVD白色霧狀,啞光PH珍宝鎳拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍霧鉻PVD米黃色霧狀,啞光ZP黑珍宝拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD槍黑色YP鍍鋯拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD黃銅色TN鍍鈦拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD金黃色YB無拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD黃銅

14、色.略帶紅RD玫瑰紅拋光鍍鎳鍍亮鎳拋砂PVD紅略帶黃PI砂線黃拋光鍍鎳鍍亮鎳拋砂PVD深黃色PP砂線青銅拋光鍍鎳鍍亮鎳拋砂PVD淺黃色無深藍色拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD深藍色無霧鉻黃色拋光鍍鎳鍍亮鎳霧鉻PVD霧狀深黃色無霧鉻青銅色拋光鍍鎳鍍亮鎳霧鉻PVD霧狀淺黃色無霧鉻黑色拋光鍍鎳鍍亮鎳霧鉻PVD霧狀黑色無雙色拋光鍍鎳鍍亮鎳鍍鉻PVD可鍍各種雙色五.PVD 常用的檢測手段.(一).外觀顏色1.1 通過標准色板比較肉眼看顏色差異是否明顯1.2 用色差分析儀檢測，儀器型號：CM-3600SPECTROPHOTOMETER測色時以實際測試數據 L 值光明度、A 值紅、綠色、B 值黃、藍色與標准顏色數據

15、之差異，如超出允收范圍，則測定為拒收。(二).磨擦試驗2.1 菜瓜布磨擦磨擦力 2.5kg0.5Kg，来回磨擦 20 次，單程時間為 1 秒，工件外表不行有擦痕、發白、脫落等不良現象。2.2 鋼絲球磨擦磨擦力 0.5KG0.01Kg，来回磨擦 5 次，單程時間為 1 秒，工件外表允許 35 條 5以上之輕微擦痕2.3 機械磨擦工件與150之布輪粘合力：0.5KG，布輪轉速：800 轉/分鐘，磨擦時間：3 分鐘，工件外表允許 3 條 5以下之輕微擦痕2.4 淬火測試ASTMB571-91 第 9 條款測試溫度 C：250Z：150測試時間：30 工件不應有起泡、剝落、脫皮、變色之不良現象2.5

16、鹽霧測試CAN/CSAASTM287 醋酸(測試周期：24 小時)B125-01鹽水濃度：5%PH 值：3.2工件不應有腐蝕、起泡、變色、脫皮2.6 超低溫測試溫度：-40測試時間：40 小時工件不行有裂紋2.7 超音波測試工件置于超音波內，超音時間：1 小時，工件外表不行有 PVD 層脫落的現象2.8 落地測試工件距地面(鋼板)1的距離，自由落地 5 次，測試點為工件同一位置。測試完畢：工件外表不行有裂紋、脫落的現象(三).產品使用留意事項3.1 產品維護不行用強酸性液清潔(如洗瓷靈)，宜可承受鹼性清潔劑3.2 擦拭過程中避开尖銳物件刮到產品外表3.3 產品外表不行長時間積存有含氟化學液(如

17、牙膏)。六.PVD 離子鍍常見的缺陷序不良現象缘由預防措施號1.1 工件外表不干淨(水印.發黃).1.1 前處理過鹼,過酸等.1.2 工件在加熱時異物發生.1.2 烘干時提高烘干溫度.1 脫落2 偏深1.3 清洗不徹底.1.3 延長清洗時間.1.4 毛巾.手套長時間未更換,造成污染. 1.4 更換毛巾.手套.2.1 鍍膜制程氮氣流量過大,壓力偏高.2.1 調低氮氣流量.2.2 靶材純度不當.2.2 檢測靶材純度.2.3 鍍膜爐脫太髒.2.3 清洗爐膛.3 偏淺4 局部色差3.1 鍍膜制程氮氣壓力太低.4.1 工件間相互遮挡.4.2 工件距離弧源太近.4.3 真空抽速不穩.4.4 靶材卷邊3.1

18、 調高氮氣壓力.4.1 上挂時留意調整工件間距離.4.2 上挂時留意調整工件間距離.4.3 檢查抽真空系統及各密封點.4.4 將卷邊靶材車削.5 弧傷5.1 工件外表不干淨(有氧化物.毛屑),5.1 工件外表清潔.在高壓離子撞擊下燃燒不發弧傷.5.2 降低離子轟擊的電壓與時間.5.2 偏壓源故障.七.鍍膜開發專案介紹1. 抗菌鍍膜專案(1)抗菌鍍膜簡介本争论計劃乃利用成霖實業鍍膜部購 PP1100D5G Un-Balance Magnetic Sputtering system 將無機抗菌劑銀離子薄膜覆著於水龍頭及金屬衛浴配件外表，使其具有抗菌功能。進而符合JIS Z2801 抑菌檢測規範抑菌值達 NA*2.0、抑菌率(%)99 以上、具抗菌效應。以供给人們於後SARS時期減少在公共衛浴場合中相互感染的機會，杜絕因人體皮膚接觸所造成病從口入的感染現象。(2) 抗菌對象抗菌對象菌種定為金黃色葡萄球菌及大腸桿菌，減菌率需達日本 JIS-Z2801 規範 99以上。(3) 適用範圍衛浴水龍頭、 毛巾架、 門把手、 R.O 飲水機後段濾材、野戰水壺濾心、醫療級抗菌口罩、抗菌抹布等相關周邊產品。注:此專案已獲得美國、台灣、加拿大、中國大陸的專利權.2. 未來需開發的專案(1).Cr2N(類鉆結構)氮化硬鉻鍍膜制程技術(2).保衛浴產品外表分子透亮薄膜技術歡迎指導!