PVD表面镀覆技术原理

PVD表面镀覆技术原理主要内容一、制程概述二、真空涂料介绍三、镀膜介绍四、产品设计要求五、材料的选择六、透光效果七、新工艺开发及展示制程概述•Primer提高特殊材料素材(如PA,PA+GF,PC+GF)与涂层间的附着力，ABS/PCorPC素材不需要Primer。•底涂为镀膜层提供平整、良好的表面，提高镀膜层与素材间的附着力；•镀膜层使产品产生金属质感；镀膜方式主要有蒸发镀膜和溅射镀膜；VM:VacuumMetalization(primaryforkeypad)NCVM:Non-conductingVacuumMetalization(primaryforhousing)•中涂提供颜色涂层载体，提高镀膜层及涂层间的附着力；色浆一般添加在中涂中。•面涂保护作用，提高产品漆膜的硬度、耐磨性等；Substrate(PC)BasecoatTopcoatMetallayerMiddlecoatSubstrate(PA+GF)BasecoatTopcoatMetallayerMiddlecoatPrimerSubstrate(PC)BasecoatTopcoatMetallayer•涂料体系固化及成膜原理涂料体系：PU：聚氨酯涂料体系UV：紫外光辐射固化涂料体系固化机理：•首先光引发剂受波長为200－－400nm的紫外线辐射而被激活并破裂形成自由基。•自由基与树脂中的双键作用，形成长链自由基。•增长着的长链进一步反应形成聚合物。成膜机理PU：－NCO和–OH反应，发生逐步加成聚合反应R-NCO+HO-R’→R-NHCO-OR’+R-NCO→UV：光引发剂受紫外光辐射后裂解成自由基，再与单体、树脂中的双键聚合,发生裂解聚合反应。AB→A＋BB+M→BM+M→BM2涂料/喷涂涂料/喷涂•UV涂料与PU涂料相比，具有以下特点1.适合于不耐热材料，如木材、纸张、塑料、织物、玻璃等，及热容量大的厚板金属件的涂漆固化；2.固化速度快，只需几十秒就固化，有时更短。3.不存在活化期問題，使用方便。4.固含量高，固化时活性稀释剂的挥发较少。5.能耗仅为热固化的1/10，能量利用率高。而热固化时热量多用于工件加热和热量散发损失。6.很适合于高速流水线生产，生产效率高。7.复杂形狀表面不适宜用光固化涂料，死角部位不能固化。•UV与PU的工艺区别涂料膜厚(um)烘烤温度℃烘烤时间（min)抗腐性可印刷性复涂性活化时间（hour)1K4-1550-7010-15较差好好无2KPU20-408030-60较好较好较好2-8UV8-1255-655好部分较好不可无涂料/喷涂•涂料与素材的匹配基材涂料体系烘烤温度(℃)烘烤时间(分钟）ABS1K/2K/UV(KD/CV)60-7010-15PC1K/2K/UV(KD/CV)60-7010-15ABS/PC1K/2K/UV(KD/CV)60-7010-15PMMA2K/UV(UV3650)60-705MagnesiumPUprimer(Mudguard500)8030NylonPU/primer（PAG100)60-7015-20PPPUprimer60-7010-20TPUPU(UNEX)60-7030EDPU/primer（PAG100)60-7015-20涂料/喷涂1喷漆素材材料2化学电镀SubstrateMaterial正极负极3蒸发镀镀材素材加热器气体4溅射镀镀材素材气态镀膜•表面处理类型真空电镀优点1.被镀物与塑料不产生化学反应；2.环保制程，无化学物污染；3.可镀多重金属；4.生产速度快；5.可对各种素材加工；6.属低温制程；薄膜沉积的两种常见制程真空镀膜分为1）物理气相沉积，即PVD(Physicalvapordeposition)2）化学气相沉积，即CVD(Chemicalvapordeposition),前者又分为：后者分为：a.蒸发镀膜；a.常压CVD;b.离子镀膜；b.低压CVD;c.溅射镀膜。c.等离子体CVD;d.其它CVD。按功能要求也可区分为：a.装饰性镀膜；b.功能性镀膜。•真空环境的必要性1)降低氧分压，避免材料氧化；2)在高温下防止空气分子和蒸发源发生反应，生成化合物而使蒸发源劣化；3)某些镀膜工艺需要特定的压力环境（如溅射镀膜时，需满足一定的气体压力）；4)防止因蒸发物质的分子在真空室内与气体分子碰撞而阻碍蒸发分子直接到达基片表面，和在途中生成化合物或由于蒸发分子间的相互碰撞而在到达基片之前就凝聚等；5)防止在基片上形成薄膜的过程中，气体分子作为杂质混入膜内或者在薄膜中形成化合物。真空系统的组成真空系统的组成：真空室、真空泵、真空规。真空室：进行镀膜的空间；真空泵：对真空室进行抽气的装置；分为前级泵，次级泵。至今还没有一种泵能从一个大气压一直工作到超高真空。因此通常是将几种真空泵组合使用。真空规：对真空系统进行气体压力探测的仪器；镀材素材加热器腔体气态金属镀膜•蒸发镀膜(Evaporation)•钨丝•钨舟•钼舟蒸发源的类型a．电阻蒸发源：电阻蒸发源的形式蒸发源材料要求：1）熔点要高；2）饱和蒸汽压低；3）化学性能稳定；4）良好的耐热性；5）原料丰富。常用W、Mo、Ta或耐高温的金属氧化物、陶瓷或石磨坩埚。W的熔点：3380oC,相对密度：19.3；Mo的熔点：2630oC,相对密度：10.2；Ta的熔点：2980oC,相对密度：16.6。b．电子束蒸发源优点：1.束流密度高，蒸发速度快；2.可避免容器材料的蒸发有利于提高纯度；3.热效率高。缺点：设备结构复杂，价格昂贵。会产生软X射线对人体有害。直枪蒸发源e型电子枪蒸发源镀材素材原子/离子镀膜•溅镀(Sputtering)原理：1.Ar气体原子的解离ArAr+＋e－2.电子被加速至阳极，途中产生新的解离。3.Ar离子被加速至阴极撞击靶材，靶材粒子及二次电子被击出，前者到达基板表面进行薄膜成长，而后者被加速至阳极途中促成更多的解离。In-lineSputteringSystemSputteringchamberBufferchamberUnloadingchamberPlasmatreatmentLoadingchamberrobotInrobotOutSputteringProcessSputteringChamberBufferChamberUnloadingChamberBufferChamberLoadingChamberOut磁控溅射源主要有三种：1）柱状磁控溅射源：适于制作大面积溅射膜，在工业上应用较广泛。2）平面磁控溅射源：圆形的可以制成小靶，矩形的可以制成大靶。其结构简单，造价低，通用性强，应用最广。3）溅射枪：其结构较复杂，一般配行星式夹具使用。特点：靶材利用率高；膜厚分部均匀；靶功率密度大；易于更换靶材。PrincipleofSuptteringVacuumpumpTakesplaceinavacuumchamberElectricalchargeisformedbetweenthesubstrateandcathodeGasisinjectedinchamberIonshitthetargetandknockoffatomsTargetatomsland(condense)onsubstratetoformathinfilmTargetMaterial(Cathode)SubstrateEnergyIonsmoveinplasmaGasPlasmaGasionizes-formsaplasmaPLASMA物质的第四态借由外加的电场能量来促使气体内的电子获得能量并加速撞击不带电中性粒子，由于不带电中性粒子受加速电子的撞击后会产生离子与另一带能量的加速电子，这些被释放出的电子，在经由电场加速与其他中性粒子碰撞。如此反复不断，进而使气体产生崩溃效应(gasbreakdown)，形成电浆状态。什么是电浆电浆性质•1.整体来说，电浆的内部是呈电中性的状态，也就是带负电粒子的密度与带正电粒子的密度是相同的。•2.因为电浆中正、负离子的个数几乎是一比一，因此电浆呈现电中性。•3.电浆是由一群带电粒子所组成，所以当有一部分受到外力作用时，远处的部分电浆，乃至整群的电浆粒子都会受到影响，这叫做“电浆的群体效应”。•4.具有良好的导电性和导热性。溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立在气体放电的基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。常见放电类型：1.直流气体放电2.低频交流辉光放电3.中频交流辉光放电4.射频辉光放电5.微波等离子体辉光放电电浆的本质-------气体放电•1）无光放电：宇宙射线在电场下加速形成极小的电流，中性分子开始电离，不发光。•2）汤森放电：电压增加后，更多气体分子被电离，电流可在电压不变下增加。•3）正常辉光放电：当电压继续增大后，电压突然降低，电流突然增大，气体被击穿，出现带有颜色的辉光。1.直流气体放电•4）异常辉光放电：电流增大，电压升高。••5）弧光放电：极间电压陡降，电流突然增大，相当于极间短路。•由于正常辉光放电的电流密度仍比较小，所以溅射均在异常辉光放电的区域进行。阴极与阳极间的距离至少必须比阴极与负辉光区之间的距离要长。•2.低频交流辉光放电（很少采用）•因其频率低于50Hz，离子有足够的活动性和充分的时间在每个半周期内建立直流辉光放电，只是两个电极交替成为阴极和阳极。•3.中频交流辉光放电40kHz•4.射频辉光放电•5~30MHz,一般用13.56MHz。在一定的气压下，当阴阳极间所加交流电压的频率增高到射频频率时，即可产生稳定的射频辉光放电。两个重要特征：•1）在辉光放电空间产生的电子获得了足够的能量，足以产生碰撞电离；•2）电极并不需要是导体，因而可以溅射包括介质材料在内的任何材料。•5.微波等离子体辉光放电•微波（MVV）是一种无极放电，,在真空室中导入.45GHz的微波能与磁场中回旋的电子发生共振促进放电。PVD蒸鍍法真空蒸鍍濺射蒸鍍離子蒸鍍粒子生成機構熱能動能熱能膜生成速率可提高快可提高粒子原子、離子原子、離子原子、離子蒸鍍均勻性複雜形狀佳良好良好，但膜厚分佈不均平面佳優佳蒸鍍金屬可可可蒸鍍合金可可可蒸鍍耐熱化合物可可可粒子能量很低0.1~0.5eV可提高1~100eV可提高1~100Ev惰性氣體離子衝擊通常不可以可，或依形狀不可可表面與層間的混合通常無可可加熱（外加熱）可通常無可，或無蒸鍍速率10-9m/sec1.67~12500.17~16.70.50~833镀膜•镀膜方式比较性质沉积速率大尺寸厚度控制精确成份控制可沉积材料之选用整体制造成本方法蒸镀(Evaporation)慢可佳多佳溅镀(Sputtering)佳佳佳多佳镀膜•各种物理气相沉积法之比较•若产品为高光面，则推荐使用SPIA1或SPIA2.当VDI大于9时喷涂后开始出现橘皮现象，当VDI大于18时橘皮现象将非常严重。•如产品为亚光面，VDI小于27可以接受，否则会产生橘皮现象。以上为高光产品VDI为18和21时的橘皮现象产品设计要求•素材表面粗糙度要求•底漆须膜厚很薄，大约5um；•由于大量的灰尘藏在纹理中以及太薄的膜厚会导致喷涂良率太低；•注塑的缺陷也会更明显；•耐磨性能会很差。刷子纹状素材CD纹状素材十字交叉纹状素材产品设计要求•避免使用有纹理的素材•圆弧状轮廓产品的肥边现象会比直角状轮廓产品轻微，倒角的半径至少为0.5mm；•尖锐的表面影响产品的耐磨性能。直角状轮廓，肥边现象比较明显圆弧状轮廓产品，肥边现象较轻微TroubadixC-Cover;VDI9;高光产品素材PVD膜层倒角不合理的设计合理的设计倒角产品设计要求•产品轮廓的设计要求为达到振动摩擦测试要求，结构设计和涂料选择上建议满足以下要求：1、MechanicalDesign1）边内侧设计R0.3mm以上，如果后处理为PVD，必须为R0.5以上；2）HighGloss和PVD：边外侧设计R1.3mm以上；PU/UV无光：R0.7~1.0mm；3）Window设计必须高出Fr