Che cos'è la deposizione fisica del vapore (PVD)

Cos'è la deposizione fisica da vapore (PVD)

Physical vapour Deposition (PVD) è un processo di deposizione del materiale rivestito sulla superficie del pezzo mediante metodo fisico in condizioni di vuoto. Quando si effettua il processo PVD, la temperatura di riscaldamento del pezzo è generalmente inferiore a 600 ° C , che per l'uso di acciaio ad alta velocità, acciaio per stampi in lega e altri stampi in acciaio ha un'importanza significativa. Attualmente, ci sono tre metodi di deposizione fisica a vapore, comunemente usati, cioè evaporazione sottovuoto, sputtering e placcatura ionica. Allo stato attuale, la tecnologia di deposizione fisica a vapore non può solo depositare film di metallo, film di lega, ma anche depositare composti, ceramiche, semiconduttori, film polimerici, ecc.

1. Evaporazione sottovuoto

Sotto la pressione di 1.33x10-3 a 1.33 x10-4pa sotto la condizione di vuoto, l'evaporazione sotto vuoto è fatta riscaldando il materiale sedimentario con tali fonti di calore come il fascio di elettroni, e gli atomi o molecole evaporati formano direttamente uno strato sedimentario sulla superficie del pezzo in lavorazione iniettato sotto la pressione di 1,33x10-3 a 1,33 x 10-4pa. Tuttavia, l'evaporazione diretta dei carburi e del nitruro metallici refrattari è difficile e tende a decomporre i composti. A tale scopo è stata sviluppata l'evaporazione della reazione mediante l'introduzione del processo chimico. Ad esempio, il metallo di titanio è stato vaporizzato mediante un cannone elettronico e una piccola quantità di gas reattivi come metano e acetilene sono stati introdotti nello spazio di evaporazione per consentire agli atomi di titanio e agli atomi di gas reattivi di reagire sulla superficie del pezzo e depositare il rivestimento di TiC.

L'evaporazione sotto vuoto viene principalmente utilizzata per rivestire la superficie di elementi ottici quali lenti e riflettori, vari componenti elettronici e prodotti di iniezione di plastica.

2. Rivestimento sputtering

Il rivestimento Sputter è un metodo di deposizione fisica a vapore senza tecnologia di evaporazione. Durante il processo di placcatura, il laboratorio viene aspirato e riempito con gas idrogeno come gas di lavoro e la sua pressione è mantenuta a 0,13-1,33pa. Il materiale di deposito viene utilizzato come bersaglio (catodo) e la pressione negativa viene aggiunta da centinaia a migliaia di volt. Il pezzo viene preso come anodo e il filamento su entrambi i lati ha una pressione negativa (-30-100v). Riscalda il filamento a circa 1700 ℃ , il filamento emette elettroni per far sì che l'idrogeno si scarichi bagliore, produca ioni di idrogeno H +, H + viene accelerato bombardando il materiale bersaglio, facendo scoppiare gli atomi o le molecole di materiale bersaglio sulla superficie del pezzo, formazione di sedimenti .

Lo sputtering può essere utilizzato per depositare vari materiali conduttivi, inclusi metalli e composti ad alto punto di fusione. Se si utilizza TiC come materiale target, il rivestimento TiC può essere depositato direttamente sul pezzo. Naturalmente, il metallo Ti può anche essere usato come bersaglio, e quindi il gas reattivo può essere importato per condurre lo sputtering reattivo. Il rivestimento sputtering è uniforme ma con velocità di deposizione lenta e non è adatto per rivestimenti di spessore superiore a 105 mm. Sputtering può far aumentare la temperatura del substrato a 500-600 ℃ , quindi, applicabile solo a questa temperatura, è il processo di stampaggio dell'acciaio per tempra secondaria.

3. La placcatura ionica

La placcatura ionica consiste nel rendere il gas o la materia vaporizzata ionizzata sotto la condizione di vuoto mediante lo scarico del gas e per far evaporare la materia vaporizzata oi suoi reagenti sul pezzo in lavorazione bombardando gli ioni di gas o gli ioni evapotraspirazione. Combinando la tecnologia di scarica a bagliore, plasma e evaporazione sottovuoto, la placcatura ionica può non solo migliorare le prestazioni del rivestimento, ma anche estendere la gamma di applicazioni della tecnologia di rivestimento.

Oltre ai vantaggi dello sputtering a vuoto, la placcatura ionica presenta anche i vantaggi di una forte adesione dello strato del film, una buona diffrazione e materiali di rivestimento estesi. Utilizzando la tecnologia di placcatura ionica, ad esempio, può essere in metallo, plastica, ceramica, vetro, carta e altri materiali non metallici, rivestimento con prestazioni diverse di singola placcatura, placcatura in lega, rivestimento composto e vari tipi di rivestimento composito, e il velocità sedimentaria (fino a 755 m / min), pulizia prima del processo di placcatura è semplice, nessun inquinamento per l'ambiente, di conseguenza, sia in patria che all'estero negli ultimi anni è stato un rapido sviluppo.

Ionizzazione di un vapore di metallo o di una lega mediante una scarica a bagliore di un gas inerte. La placcatura ionica comporta il riscaldamento, l'evaporazione e la deposizione del materiale di rivestimento (come TiN, TiC).

Gli atomi di materiale di rivestimento di evaporazione dopo incandescenza, un piccolo numero di ionizzazione e volarono sul pezzo in lavorazione sotto l'azione del campo elettrico, con l'energia delle migliaia di elettroni volt in superficie, possono entrare nella matrice intorno a pochi nanometri di profondità, quindi migliorare notevolmente la forza di adesione del rivestimento e i materiali di evaporazione senza film di deposizione atomica di ionizzazione direttamente sulle parti. Lo sputtering di ioni di gas inerti e ioni di materiale di rivestimento sulla superficie del pezzo può anche rimuovere contaminanti sulla superficie del pezzo, migliorando così la forza di legame.

Se il gas reattivo viene introdotto nello spazio di evaporazione, un rivestimento di composto metallico può essere depositato sulla superficie del pezzo in lavorazione, che è chiamato placcatura ionica reattiva. A causa dell'adozione dell'attivazione del plasma, il pezzo deve essere rivestito solo a bassa temperatura o anche a temperatura ambiente per garantire la precisione dimensionale e la ruvidità della superficie del pezzo. Pertanto, il processo finale può essere organizzato dopo che il pezzo è stato temprato o rinvenuto. Come TiN o TiC sedimentario, la temperatura corporea basale può scegliere nell'intervallo 150-600 ℃ , con rivestimento ad alta temperatura di elevata durezza, anche la forza di legame con il substrato è elevata. La temperatura del substrato può scegliere in base al materiale della matrice e la sua temperatura di tempra, come il substrato per acciaio ad alta velocità, può scegliere 560 ℃ , e in questo modo, per la tempra, la tempra e la lavorazione alle dimensioni della lavorazione di stampi ad alta precisione, è necessario non preoccuparti della matrice per ridurre i problemi di durezza e deformazione. Inoltre, la velocità di deposizione della placcatura ionica è più veloce di quella di altri metodi di deposizione in fase gas, e in genere si impiegano solo pochi minuti per ottenere il rivestimento TiC o TiN dello spessore di 10 mm.

I rivestimenti TiN o TiC depositati da PVD possono essere confrontati con quelli con CVD e avere le seguenti caratteristiche:

(1) gli stampi superiore e inferiore sono lavorati con stampi metallici di alta precisione, ed è abbastanza efficace usare la placcatura superhard PVD per rinforzare la superficie;

(2) l'effetto di rivestimento PVD sarà perso sulla superficie dello stampo ruvido;

(3) Il rivestimento PVD è più efficace per il carico statico;

(4) la precisione prima e dopo la placcatura PVD non cambia, e non c'è bisogno di elaborare nuovamente;

(5) Il rivestimento PVD ha una resistenza all'usura superiore e un'elevata resistenza alla corrosione.

Ad esempio, quando TiN è rivestito con punzoni in acciaio ad alta velocità utilizzati per la produzione di viti, la durata utile è 3-5 volte superiore a quella dei punzoni non rivestiti. TiN è rivestito su stampi di tranciatura di precisione di parti di automobili. Quando lo spessore della piastra d'acciaio oscurata è 1-3mm, la durata utile è estesa 5-6 volte, ma quando lo spessore della piastra d'acciaio aumenta a 5-8mm, l'effetto è perso a causa della caduta dello strato di TiN. La resistenza alla corrosione di TiN può essere aumentata di 5-6 volte e la resistenza all'usura può essere aumentata allo stesso tempo.

Il principio di base della deposizione fisica in fase vapore può essere suddiviso in tre fasi:

(1) gassificazione del materiale di placcatura: anche se il materiale di placcatura vaporizza, o è sputtering, cioè la sorgente di gassificazione attraverso il materiale di placcatura.

(2) migrazione di atomi, molecole o ioni nel materiale di placcatura: una varietà di reazioni sono generate dopo che gli atomi, le molecole o gli ioni sono stati urtati dalla fonte di gassificazione.

(3) atomi, molecole o ioni sono depositati sul substrato.

Comprensione delle tecniche di deposizione fisica da vapore PVD

La tecnologia di deposizione fisica in fase gas ha un processo semplice, un ambiente migliorato, assenza di inquinamento, meno materiali di consumo, formazione di pellicole uniformi e compatte e una forte forza di legame con la matrice. La tecnologia è ampiamente utilizzata nei settori dell'aerospaziale, dell'elettronica, dell'ottica, dei macchinari, dell'edilizia, dell'industria leggera, della metallurgia, dei materiali e così via. Può preparare strati di film con resistenza all'usura, resistenza alla corrosione, decorazione, conduttività elettrica, isolamento, conduttività ottica, piezoelettricità, magnetismo, lubrificazione, superconduttività e altre proprietà.

La deposizione in fase gas è una tecnologia per formare un film funzionale sulla superficie della matrice. È utilizzare le reazioni fisiche o (e) chimiche dei materiali nella fase gassosa per depositare un film monostrato o multistrato, monocomponente o composto sulla superficie del prodotto, consentendo così alla superficie del prodotto di ottenere vari eccellenti proprietà richieste

Come metodo di rivestimento superficiale, sono necessari i passaggi fondamentali di deposizione del gas -> trasporto -> deposizione. La sua caratteristica principale è che indipendentemente dal materiale originale da placcare è solido, liquido o gassoso, deve essere convertito in forma di fase gassosa durante il trasporto e infine la superficie del pezzo da lavorare viene depositata e condensata in pellicola solida.

La deposizione di vapore è principalmente suddivisa in due categorie:

ChemicalVaporDeposition , CVD

PhysicalVaporDeposition , PVD

Inizialmente, gas TiCI e NH sono stati ottenuti riscaldando leggermente il liquido volatile TiCI e sono stati introdotti nella camera di reazione ad alta temperatura. Questi gas di reazione sono stati decomposti e quindi la reazione chimica termodinamica è stata condotta sulla superficie solida ad alta temperatura per generare TiN e HCI. L'HCI è stato estratto e TiN è stato depositato sulla superficie solida per formare un film solido rigido. ChemicalVaporDeposition (CVD) è un processo di reazioni chimiche su superfici solide e formazione di sedimenti solidi non volatili tramite composti volatili e sostanze gassose contenenti i costituenti di elementi a film sottile.

Allo stesso tempo, le persone mettono un altro tipo di deposito di vapore, attraverso il riscaldamento ad alta temperatura di composti metallici o metallici evaporato nella fase gassosa, o attraverso l'elettronica, il plasma, l'energia del fotone può caricare particelle come il metallo o il composto che sputa gli atomi corrispondenti, ioni, molecole (gas), si depositano in un film solido su una superficie solida, che non ha nulla a che fare con il materiale delle reazioni chimiche (decomposizione o combinate), noto come deposizione fisica da vapore (PhysicalVaporDeposition, PVD).

Con lo sviluppo e l'applicazione della tecnologia di deposizione in fase gas, i due tipi di deposizione in fase gas hanno il loro nuovo contenuto tecnico. I due tipi di deposizione in fase gas sono interlacciati l'uno con l'altro e sono intrecciati l'uno con l'altro. Ad esempio, il plasma e il fascio ionico vengono introdotti nell'evaporazione e nella polverizzazione della tradizionale tecnologia di deposizione di gas fisico per partecipare al processo di deposizione del film. Nel frattempo, il gas reattivo può anche essere iniettato nella superficie solida per la reazione chimica per generare un nuovo prodotto sintetico, che è chiamato placcatura reattiva. Un esempio è la sintesi di TiN attraverso il gas di reazione N2 nel plasma sputter di titanio (Ti). Ciò significa che la deposizione fisica da vapore può anche contenere reazioni chimiche. Un altro esempio, nella ventilazione interna con reazione di metano, con l'aiuto della scarica dell'arco catodico target, l'Ar, w sotto l'azione della decomposizione del metano nel plasma, e la superficie solida per ricombinare i legami di carbonio, anti- film di attrito, le persone usate per depositare sul processo di deposizione sono ancora classificate come deposizione chimica da vapore, ma è in una tipica tecnologia di deposizione fisica a vapore, placcatura di ioni di catodi metallici. Inoltre, le persone mettono il plasma, la tecnologia del fascio di ioni è introdotta nel tradizionale processo di deposizione chimica del vapore, la reazione chimica non ha pienamente seguito il principio tradizionale della termodinamica, perché il plasma ha una maggiore attività chimica, può essere nella tradizionale termodinamica di reazione chimica che sono inferiore alla temperatura di reazione, il metodo noto come deposizione di vapore chimico assistito al plasma (PlasmaAssistedChemicalVaporDeposition, in appresso denominato PACVD: alcuni dati sono chiamati deposizione chimica da fase vapore al plasma (PECVD), che conferisce maggiore significato fisico alla deposizione chimica da vapore.

Nella discussione odierna sulle differenze tra la deposizione in fase gas chimica e fisica, temo che restino solo le differenze nella morfologia dei materiali di rivestimento: i primi composti volatili USES o sostanze gassose, mentre il secondo USES sostanze solide (o liquide) . Questa distinzione sembra aver perso l'essenza della sua definizione originale.

Noi ancora secondo l'abitudine esistente, principalmente nella forma materiale di placcatura per distinguere la differenza tra una deposizione chimica da vapore, deposizione fisica da vapore, il materiale placcatura solido (liquido) attraverso alta temperatura e evaporazione, sputtering, fascio elettronico, plasma, fascio ionico , raggio laser e arco e altre forme di energia prodotte da atomi di gas, molecole, ioni (gas, plasma) per il trasporto, condensazione di depositi solidi sulla superficie (comprese reazioni chimiche con altre sostanze di reazione in fase gassosa generano prodotti di reazione), a generare un processo a membrana in fase solida noto come deposizione fisica da vapore.

Sviluppo tecnologico

La tecnologia PVD è comparsa nei film preparati con elevata durezza, basso coefficiente di attrito, buona resistenza all'usura e stabilità chimica. L'applicazione di successo nel campo degli utensili da taglio per acciaio ad alta velocità ha attirato grande attenzione dall'industria manifatturiera di tutto il mondo. Durante lo sviluppo di apparecchiature di rivestimento ad alte prestazioni e altamente affidabili, è stata inoltre condotta una ricerca più approfondita sulle applicazioni in carburo cementato e utensili da taglio in ceramica. Rispetto al processo CVD, la temperatura del processo PVD è bassa, inferiore a 600 ° C quando la resistenza alla flessione dei materiali degli utensili da taglio; Lo stato di sollecitazione interno del film è la sollecitazione a compressione, che è più adatta per il rivestimento di utensili complicati di precisione in carburo cementato. Il processo PVD non ha effetti negativi sull'ambiente ed è in linea con la direzione di sviluppo della moderna produzione verde. Attualmente, la tecnologia di rivestimento PVD è stata ampiamente utilizzata nel trattamento di rivestimento di frese, frese, punte elicoidali, frese, punterie, lamiere fresa, lama girevole, fresa speciale, taglierina, ecc.

La tecnologia PVD non solo ha migliorato la forza di adesione dei materiali a film sottile e matrice utensile, ma ha anche sviluppato la composizione di rivestimento dalla prima generazione di TiN al rivestimento multi-composito come TiC, TiCN, ZrN, CrN, MoS2, TiAlN, TiAlCN, stagno -aln, CNx, DLC e ta-c.

Tecnologia di rivestimento

Arco catodico magnetico potenziato: la tecnica ad arco catodico consiste nel separare il bersaglio in uno stato ionico attraverso bassa tensione e corrente elevata sotto la condizione di vuoto, in modo da completare la deposizione del materiale a film sottile. L'arco catodico magnetico potenziato UTILIZZA l'azione combinata del campo elettromagnetico per controllare efficacemente l'arco della superficie target, il che rende il tasso di ionizzazione del materiale più alto e le prestazioni del film migliori.

Arco catodico filtrante: Il sistema di filtrazione elettromagnetica ad arco catodico filtrato (FCA), dotato di una sorgente ionica ad alta efficienza può essere prodotto dalle particelle macroscopiche nel plasma e dal filtro di massa ionico pulito, dopo la filtrazione magnetica del tasso di ionizzazione delle particelle sedimentarie era 100%, e può Filtrare le particelle, quindi la preparazione del film è molto compatta e liscia, con buona resistenza alla corrosione, e la forza di adesione del corpo è molto forte.

Sputtering del magnetron: in un ambiente sotto vuoto, l'obiettivo viene bombardato da ioni di gas inerti ionizzati attraverso l'azione combinata di tensione e campo magnetico, causando l'espulsione del bersaglio sotto forma di ioni, atomi o molecole e depositati sul substrato per formare un pellicola sottile. I materiali conduttore e non conduttore possono essere sputtering come materiali target in base alle diverse fonti di energia di ionizzazione utilizzate.

DLC del fascio di ioni: il gas di idrocarburi viene separato nel plasma nella sorgente di ioni e gli ioni di carbonio vengono rilasciati dalla sorgente di ioni sotto l'azione combinata del campo elettromagnetico. L'energia del raggio ionico viene controllata regolando la tensione applicata al plasma. Il fascio di ioni idrocarburi viene introdotto nel substrato e la velocità di deposizione è proporzionale alla densità di corrente ionica. La sorgente del raggio ionico con rivestimento a stella ad arco adotta l'alta tensione, quindi l'energia dello ione è più grande, il che rende bene il film e il substrato. La maggiore corrente ionica rende più veloce la deposizione del film DLC. Il vantaggio principale della tecnologia a fascio di ioni è che può depositare la struttura ultra-sottile e multi-strato, la precisione del controllo del processo può raggiungere diversi angoli e può ridurre al minimo il difetto causato dall'inquinamento particellare nel processo.

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