¿Qué es la deposición física de vapor (PVD)?

- Nov 06, 2018-

¿Qué es la deposición física de vapor (PVD)?

 

La deposición física de vapor (PVD) es un proceso de depósito del material recubierto sobre la superficie de la pieza de trabajo mediante un método físico en condiciones de vacío. Al realizar el proceso de PVD, la temperatura de calentamiento de la pieza de trabajo generalmente es inferior a 600 which, lo que para el uso de acero de alta velocidad, el acero de mecanizado de moldes de aleación y otros moldes de acero tiene una importancia importante. En la actualidad, existen tres métodos de deposición física de vapor comúnmente utilizados, es decir, evaporación al vacío, pulverización catódica y recubrimiento iónico. En la actualidad, la tecnología de deposición física de vapor no solo puede depositar películas metálicas, películas de aleaciones, sino también depósitos de compuestos, cerámicos, semiconductores, películas de polímeros, etc.

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1. evaporación al vacío

Bajo la presión de 1.33x10-3 a 1.33 x10-4pa bajo la condición de vacío, la evaporación al vacío se realiza calentando el material sedimentario con fuentes de calor como el haz de electrones, y los átomos o moléculas evaporados forman directamente una capa sedimentaria en la superficie del Pieza inyectada bajo la presión de 1.33x10-3 a 1.33 x10-4pa. Sin embargo, la evaporación directa de carburos metálicos refractarios y nitruros es difícil y tiende a descomponer los compuestos. Para ello, se desarrolló la evaporación de la reacción mediante la introducción de procesos químicos. Por ejemplo, el metal de titanio se vaporizó mediante un cañón de electrones y una pequeña cantidad de gases reactivos como el metano y el acetileno se introdujeron en el espacio de evaporación para permitir que los átomos de titanio y los gases reactivos reaccionen en la superficie de la pieza y depositen el recubrimiento de TiC.

La evaporación al vacío se utiliza principalmente para recubrir la superficie de elementos ópticos como lentes y reflectores, varios componentes electrónicos y productos de inyección de plástico.

 

2. Revestimiento Sputtering

El recubrimiento por pulverización catódica es un método de deposición física de vapor sin tecnología de evaporación. Durante el proceso de enchapado, la sala de trabajo se aspira y se llena con gas hidrógeno como gas de trabajo, y su presión se mantiene en 0.13-1.33pa. El material de depósito se utiliza como objetivo (cátodo) y la presión negativa se agrega de cientos a miles de voltios. La pieza de trabajo se toma como el ánodo y el filamento en ambos lados tiene una presión negativa (-30-100v). Calentando el filamento a aproximadamente 1700 , el filamento emite electrones para hacer que el hidrógeno se convierta en una descarga luminosa, produce iones de hidrógeno H +, H + se acelera al bombardear el material objetivo, hace que los átomos o las moléculas que pulverizan material objetivo irrumpan en la superficie de la pieza de trabajo, formación de sedimentos .

La pulverización se puede usar para depositar diversos materiales conductores, incluidos metales y compuestos de alto punto de fusión. Si se utiliza TiC como material objetivo, el recubrimiento de TiC puede depositarse directamente sobre la pieza de trabajo. Por supuesto, el metal Ti también se puede utilizar como objetivo, y luego el gas reactivo se puede importar para realizar la pulverización reactiva. El recubrimiento por pulverización es uniforme pero con una velocidad de deposición lenta, y no es adecuado para recubrimientos de más de 105 mm de espesor. La pulverización puede hacer que la temperatura del sustrato aumente a 500-600 , por lo tanto, solo es aplicable a esta temperatura el proceso de moldeo de acero de endurecimiento secundario.

 

3. El baño de iones

El recubrimiento iónico consiste en ionizar el gas o la materia vaporizada en condiciones de vacío mediante la descarga del gas, y evaporar la materia vaporizada o sus reactivos en la pieza de trabajo bombardeando los iones de gas o iones de evapotranspiración. Al combinar la tecnología de evaporación por vacío, plasma y evaporación al vacío, el revestimiento iónico no solo mejora el rendimiento del recubrimiento, sino que también amplía el rango de aplicación de la tecnología de recubrimiento.

 

Además de las ventajas de la pulverización por vacío, el revestimiento iónico también tiene las ventajas de una fuerte adhesión de la capa de película, una buena difracción y extensos materiales de recubrimiento. El uso de tecnología de recubrimiento iónico, por ejemplo, puede ser en metal, plástico, cerámica, vidrio, papel y otros materiales no metálicos, recubrimiento con diferente rendimiento de recubrimiento único, recubrimiento de aleación, recubrimiento compuesto y varios tipos de recubrimiento compuesto, y La velocidad sedimentaria (hasta 755 m / min), la limpieza antes del proceso de enchapado es simple, sin contaminación para el medio ambiente, como resultado, tanto en el país como en el extranjero en los últimos años ha habido un rápido desarrollo.

 

Ionizar un metal o vapor de aleación por medio de una descarga incandescente de un gas inerte. El recubrimiento iónico implica el calentamiento, la evaporación y la deposición del material de recubrimiento (como TiN, TiC).

 

Los átomos del material de recubrimiento por evaporación después del resplandor, una pequeña cantidad de ionización y voló a la pieza de trabajo bajo la acción de un campo eléctrico, con la energía de los miles de electrones que se disparan a la superficie, pueden ingresar a la matriz a unos pocos nanómetros de profundidad, por lo tanto Mejore en gran medida la resistencia de adhesión del revestimiento y los materiales de evaporación sin película de deposición atómica de ionización directamente sobre las piezas. El bombardeo de iones de gas inerte y iones de material de recubrimiento en la superficie de la pieza de trabajo también puede eliminar contaminantes en la superficie de la pieza de trabajo, mejorando así la fuerza de unión.

 

Si el gas reactivo se introduce en el espacio de evaporación, se puede depositar un revestimiento de compuesto metálico sobre la superficie de la pieza de trabajo, que se denomina recubrimiento iónico reactivo. Debido a la adopción de la activación por plasma, la pieza de trabajo solo necesita recubrirse a baja temperatura o incluso a temperatura ambiente para garantizar completamente la precisión dimensional y la rugosidad de la superficie de la pieza. Por lo tanto, el proceso final se puede organizar después de que la pieza de trabajo se haya endurecido o templado. Como el TiN sedimentario o el TiC, la temperatura basal del cuerpo puede elegirse dentro del rango de 150-600 , en el recubrimiento a alta temperatura de alta dureza, la fuerza de unión con el sustrato también es alta. La temperatura del sustrato se puede elegir de acuerdo con el material de la matriz y su temperatura de revenido, como el sustrato para acero de alta velocidad, se puede elegir 560 , y de esta manera, para el enfriamiento, revenido y procesamiento al tamaño del procesamiento de moldes de alta precisión, se necesita No te preocupes por la matriz para reducir los problemas de dureza y deformación. Además, la velocidad de deposición del revestimiento iónico es más rápida que la de otros métodos de deposición en fase gaseosa, y generalmente toma solo unos minutos obtener el recubrimiento de TiC o TiN de 10 mm de espesor.

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Los recubrimientos de TiN o TiC depositados por PVD se pueden comparar con los de CVD y tienen las siguientes características:

 

(1) los moldes superior e inferior se procesan con moldes de metal de alta precisión, y es bastante efectivo usar un recubrimiento de compuesto superduro PVD para fortalecer la superficie;

(2) el efecto de recubrimiento de PVD se perderá en la superficie del molde rugoso;

(3) El recubrimiento de PVD es más efectivo para la carga estática;

(4) la precisión antes y después del recubrimiento PVD no cambia, y no hay necesidad de procesar nuevamente;

(5) El recubrimiento de PVD tiene una resistencia superior al desgaste y una alta resistencia a la corrosión.

 

Por ejemplo, cuando el TiN está recubierto con punzones de acero de alta velocidad utilizados para hacer tornillos, la vida útil es de 3 a 5 veces más larga que la de los punzones sin recubrimiento. TiN está recubierto en troquel de precisión de piezas de automóviles. Cuando el grosor de la placa de acero es de 1-3 mm, la vida útil se extiende 5-6 veces, pero cuando el grosor de la placa de acero aumenta a 5-8 mm, el efecto se pierde debido al desprendimiento de la capa de TiN. La resistencia a la corrosión del TiN se puede aumentar de 5 a 6 veces, y la resistencia al desgaste se puede aumentar al mismo tiempo.

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El principio básico de la deposición física de vapor se puede dividir en tres pasos de proceso:

 

(1) gasificación del material de recubrimiento: incluso si el material de recubrimiento se vaporiza, o se pulveriza, es decir, la fuente de gasificación a través del material de recubrimiento.

(2) migración de átomos, moléculas o iones en el material de recubrimiento: una variedad de reacciones se generan después de que los átomos, moléculas o iones hayan colisionado por la fuente de gasificación.

(3) los átomos, las moléculas o los iones se depositan sobre el sustrato.

 

Entendiendo las técnicas físicas de deposición de vapor PVD

 

La tecnología de deposición física en fase gaseosa tiene un proceso simple, un entorno mejorado, libre de contaminación, menos consumibles, formación de película uniforme y compacta y una fuerte fuerza de unión con la matriz. La tecnología es ampliamente utilizada en los campos de la industria aeroespacial, electrónica, óptica, maquinaria, construcción, industria ligera, metalurgia, materiales, etc. Puede preparar capas de película con resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, decoración, conductividad eléctrica, aislamiento, conductividad óptica, piezoelectricidad, magnetismo, lubricación, superconductividad y otras propiedades.

La deposición en fase gaseosa es una tecnología para formar una película funcional en la superficie de la matriz. Es utilizar las reacciones físicas o (y) químicas de los materiales en la fase gaseosa para depositar una película de una sola capa o de varias capas, de una sola sustancia o compuesta sobre la superficie del producto, permitiendo así que la superficie del producto obtenga varios excelentes resultados. Propiedades requeridas.

Como método de revestimiento de superficie, se requieren los pasos básicos de la deposición de gas -> transporte -> deposición. Su característica principal es que, sin importar que el material original a ser revestido sea sólido, líquido o gaseoso, se debe convertir en forma de fase gaseosa durante el transporte, y finalmente la superficie de la pieza se deposita y condensa en una película sólida.

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La deposición de vapor se divide principalmente en dos categorías:

 

Deposición química de vapor , CVD

Deposición Física De Vapor , PVD

Inicialmente, el gas TiCI y el gas NH se obtuvieron calentando ligeramente el TiCI líquido volátil, y se introdujeron en la cámara de reacción a alta temperatura. Estos gases de reacción se descompusieron y luego se llevó a cabo la reacción química termodinámica en la superficie sólida a alta temperatura para generar TiN y HCl. Se extrajo HCI y se depositó TiN sobre la superficie sólida para formar una película sólida rígida. La Deposición Química de Vapor (CVD) es un proceso de reacciones químicas en superficies sólidas y formación de sedimentos sólidos no volátiles a través de compuestos volátiles y sustancias gaseosas que contienen los constituyentes de elementos de película delgada.

Al mismo tiempo, las personas colocan otro tipo de deposición de vapor, a través del calentamiento a alta temperatura del metal o los compuestos metálicos evaporados en la fase gaseosa, o a través del plasma electrónico, la energía del fotón puede cargar partículas como el metal o el objetivo de compuestos que salpican los átomos correspondientes, Los iones, moléculas (gas), se depositan en una película sólida sobre una superficie sólida, que no tiene nada que ver con el material de las reacciones químicas (descomposición o combinación), conocido como deposición física de vapor (Depósito de vapor físico, PVD).

 

Con el desarrollo y la aplicación de la tecnología de deposición en fase gaseosa, los dos tipos de deposición en fase gaseosa tienen su propio contenido técnico nuevo. Los dos tipos de deposición en fase gaseosa se entrelazan entre sí, y se entrelazan entre sí. Por ejemplo, el plasma y el haz de iones se introducen en la evaporación y la pulverización de la tecnología de deposición física de gas tradicional para participar en el proceso de deposición de la película. Mientras tanto, el gas reactivo también se puede inyectar en la superficie sólida para que la reacción química genere un nuevo producto sintético, que se denomina recubrimiento reactivo. Un ejemplo es la síntesis de TiN a través del gas de reacción N2 en plasma de titanio (Ti). Esto significa que la deposición física de vapor también puede contener reacciones químicas. Otro ejemplo, en la ventilación interior con reacción de metano, con la ayuda de la descarga del arco del cátodo objetivo, el Ar, w bajo la acción de la descomposición del metano en plasma, y la superficie sólida para recombinar los enlaces de carbono, se mezclaron con el anticuerpo de carbono tipo diamante. película de fricción, la gente que solía colocar en el proceso de deposición todavía se clasifica como deposición química de vapor, pero se encuentra en una tecnología de deposición de vapor física típica, placas de ión de arco de cátodo de metal. Además, la gente pone el plasma, la tecnología de haz de iones se introduce en el proceso de deposición de vapor químico tradicional, la reacción química no sigue completamente el principio de la termodinámica tradicional, ya que el plasma tiene una mayor actividad química, puede estar en la termodinámica de la reacción química tradicional que se encuentra más baja que la temperatura de reacción, el método conocido como deposición química de vapor asistida por plasma (deposición química de vapor asistida por plasma, en lo sucesivo denominada PACVD; algunos datos se denominan deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD), que le da un significado más físico a la deposición química de vapor.

En la discusión de hoy sobre las diferencias entre la deposición química y física de la fase gaseosa, me temo que solo quedan las diferencias en la morfología de los materiales de revestimiento: los antiguos USOS compuestos volátiles o sustancias gaseosas, mientras que el último USES sustancias sólidas (o líquidas) . Esta distinción parece haber perdido la esencia de su definición original.

Seguimos de acuerdo con el hábito existente, principalmente en la forma de material de revestimiento para distinguir la diferencia entre una deposición química de vapor, depósito de vapor físico, material de revestimiento sólido (líquido) a través de alta temperatura y evaporación, bombardeo, haz de electrones, plasma, haz de iones , rayo láser y arco, y otras formas de energía producidas por átomos de gas, moléculas, iones (gas, plasma) para el transporte, condensación de depósitos sólidos en la superficie (incluidas reacciones químicas con otras sustancias de reacción en fase gaseosa productos de reacción generados), para Generar proceso de membrana en fase sólida conocido como deposición física de vapor.

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Desarrollo tecnológico

La tecnología PVD apareció en las películas preparadas con alta dureza, bajo coeficiente de fricción, buena resistencia al desgaste y estabilidad química. La exitosa aplicación en el campo de las herramientas de corte de acero de alta velocidad ha atraído una gran atención de la industria manufacturera de todo el mundo. Al desarrollar equipos de recubrimiento de alto rendimiento y confiabilidad, también se ha llevado a cabo una investigación más profunda de la aplicación en carburo cementado y herramientas de corte cerámico. En comparación con el proceso CVD, la temperatura del proceso PVD es baja, inferior a 600 600 cuando la resistencia a la flexión de los materiales de la herramienta de corte; El estado de tensión interna de la película es la tensión de compresión, que es más adecuada para el recubrimiento de herramientas complicadas de precisión de carburo cementado. El proceso de PVD no tiene ningún efecto adverso en el medio ambiente y está en línea con la dirección de desarrollo de la fabricación ecológica moderna. Actualmente, la tecnología de recubrimiento PVD ha sido ampliamente utilizada en el tratamiento de recubrimiento de fresas de carburo, brocas, brocas, taladradoras, brocas, brocas, hojas de fresas indexables, cuchillas de torneado, cuchillas de forma especial, cuchillas de soldadura, etc.

La tecnología PVD no solo mejoró la resistencia de la unión de la película delgada y los materiales de matriz de herramientas, sino que también desarrolló la composición del recubrimiento desde la primera generación de TiN hasta el recubrimiento multicompuesto como TiC, TiCN, ZrN, CrN, MoS2, TiAlN, TiAlCN, estaño -aln, CNx, DLC y ta-c.

Tecnología de recubrimiento

Arco de cátodo magnético mejorado: la técnica de arco de cátodo consiste en separar el objetivo en un estado de ión a través de baja tensión y alta corriente en condiciones de vacío, para completar la deposición del material de película delgada. El arco de cátodo magnético mejorado UTILIZA la acción combinada del campo electromagnético para controlar el arco de la superficie objetivo de manera efectiva, lo que aumenta la velocidad de ionización del material y mejora el rendimiento de la película.

Arco del cátodo del filtro: el sistema de filtración electromagnética del arco catódico filtrado (FCA), equipado con una fuente de iones altamente eficiente, puede ser producido por las partículas macroscópicas en el plasma y el filtro de masa de iones limpio, después de la filtración magnética de partículas sedimentarias, la tasa de ionización fue del 100%, y puede Filtra las partículas, por lo que la preparación de la película es muy compacta y suave, con buena resistencia a la corrosión, y la resistencia de adhesión del cuerpo es muy fuerte.

Pulverización con magnetrón: en un entorno de vacío, el objetivo es bombardeado con iones de gas inerte ionizado a través de la acción combinada de voltaje y campo magnético, lo que hace que el objetivo sea expulsado en forma de iones, átomos o moléculas y se deposite sobre el sustrato para formar un película delgada. Los materiales conductores y no conductores pueden pulverizarse como materiales objetivo según las diferentes fuentes de energía de ionización utilizadas.

DLC de haz de iones: el gas de hidrocarburo se separa en plasma en la fuente de iones, y los iones de carbono se liberan por la fuente de iones bajo la acción combinada del campo electromagnético. La energía del haz de iones se controla ajustando el voltaje aplicado al plasma. El haz de iones hidrocarburos se introduce en el sustrato y la tasa de deposición es proporcional a la densidad de la corriente iónica. La fuente de haz de iones de recubrimiento de arco en estrella adopta alto voltaje, por lo que la energía de iones es mayor, lo que hace que la película y el sustrato se unan bien. La mayor corriente de iones hace que la deposición de la película DLC sea más rápida. La principal ventaja de la tecnología de haz de iones es que puede depositar estructuras ultrafinas y de múltiples capas, la precisión de control del proceso puede alcanzar varios ángulos y puede reducir al mínimo el defecto causado por la contaminación de partículas en el proceso.

 

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