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0510-88276101PVD技術的發(fā)展及工作原理
發(fā)布時間：2020-03-13瀏覽次數(shù)：載入中...來源：http://jinglingtu.cn/
一、真空涂層技術起步時間不長，國際上在上世紀六十年代才出現(xiàn)將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質合金刀具上。由于 該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000oC)，涂層種類單一，局限性很大，因此，其發(fā)展初期未免差強人意。
二、到了上世紀七十年代末，開始出現(xiàn) PVD技術，為真空涂層開創(chuàng)了一個充滿燦爛前景的新天地，之后在短短的二、三十年間PVD 涂層技術得到迅猛發(fā)展，究其原因，是因為其在真空密封的腔體內成膜，幾乎無任何環(huán)境污染問題，有利于環(huán)保；因為其能得到光亮、華貴的表面，在顏色上，成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、灰黑色、玫瑰金色、古銅色、藍色等各種顏色，可謂五彩繽紛，能夠滿足裝飾性的各種需要；又由于 PVD 技術，可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層，應用在工裝、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現(xiàn)了低成本、高效益的效果；此外， PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，因此，應用范圍十分廣闊，其發(fā)展神速也就不足為奇。真空涂層技術發(fā)展到了現(xiàn)在還出現(xiàn)了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術，各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領域中，已呈現(xiàn)出百花齊放，百家爭鳴的喜人景象。
三、PVD (Physical Vapor Deposition) ，分為：真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說的PVD鍍膜 ，指的就是真空離子鍍膜；通常說的NCVM鍍膜，就是指真空蒸發(fā)鍍膜和真空濺射鍍。
四、真空蒸鍍基本原理：在真空條件下，使金屬、金屬合金等蒸發(fā)，然后沉積在基體表面上，蒸發(fā)的方法常用電阻加熱，電子束轟擊鍍料，使蒸發(fā)成氣相，然后沉積在基體表面，歷史上，真空蒸鍍是PVD法中使用較早的技術。
五、濺射鍍膜基本原理：充氬(Ar)氣的真空條件下，使氬氣進行輝光放電，這時氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar )，氬離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。 濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在l0-2Pa～10Pa范圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運動方向隨機，沉積的膜易于均勻。
六、離子鍍基本原理：在真空條件下，采用某種等離子體電離技術，使鍍料原子部分電離成離子，同時產(chǎn)生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
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七、離子鍍的工藝過程：蒸發(fā)料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。
八、離子鍍的作用過程如下：
蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產(chǎn)生輝光放電。由于真空罩內充有惰性氬氣，在放電電場作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。這就是離子鍍的簡單作用過程。
PVD技術四個工藝步驟
(1)清洗工件：接通直流電源，氬氣進行輝光放電為氬離子，氬離子轟擊工件表面，工件表層粒子和臟物被轟濺拋出；
(2)鍍料的氣化：即通入交流電后，使鍍料蒸發(fā)氣化。
(3)鍍料離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過碰撞以及高壓電場后，高速沖向工件；
(4)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積：工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時，蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動能，高速轟擊工件時，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。
九、PVD 涂層的基本概念及其特點： PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式，一般有真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等。
較為成熟的PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍設備結構簡單，容易操作。它的離子蒸發(fā)源靠電焊機電源供電即可工作，其引弧的過程也與電焊類似，具體地說，在一定工藝氣壓下，引弧針與蒸發(fā)離子源短暫接觸，斷開，使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑，在蒸發(fā)源表面上連續(xù)形成熔池，使金屬蒸發(fā)后，沉積在基體上而得到薄膜層的，與磁控濺射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金屬離子離化率高，薄膜與基體之間結合力強的優(yōu)點。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩(wěn)定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均容易得到相同穩(wěn)定的金黃色，令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統(tǒng)的 DC電源做低溫涂層條件下，當涂層厚度達到0.3μm時，沉積率與反射率接近，成膜變得非常困難，薄膜表面會漸漸變朦，而且膜層結構也會變差、表面變得粗糙，所以多弧鍍的膜層太厚也不好。
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二、到了上世紀七十年代末，開始出現(xiàn) PVD技術，為真空涂層開創(chuàng)了一個充滿燦爛前景的新天地，之后在短短的二、三十年間PVD 涂層技術得到迅猛發(fā)展，究其原因，是因為其在真空密封的腔體內成膜，幾乎無任何環(huán)境污染問題，有利于環(huán)保；因為其能得到光亮、華貴的表面，在顏色上，成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、灰黑色、玫瑰金色、古銅色、藍色等各種顏色，可謂五彩繽紛，能夠滿足裝飾性的各種需要；又由于 PVD 技術，可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層，應用在工裝、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現(xiàn)了低成本、高效益的效果；此外， PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，因此，應用范圍十分廣闊，其發(fā)展神速也就不足為奇。真空涂層技術發(fā)展到了現(xiàn)在還出現(xiàn)了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術，各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領域中，已呈現(xiàn)出百花齊放，百家爭鳴的喜人景象。
三、PVD (Physical Vapor Deposition) ，分為：真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說的PVD鍍膜 ，指的就是真空離子鍍膜；通常說的NCVM鍍膜，就是指真空蒸發(fā)鍍膜和真空濺射鍍。
四、真空蒸鍍基本原理：在真空條件下，使金屬、金屬合金等蒸發(fā)，然后沉積在基體表面上，蒸發(fā)的方法常用電阻加熱，電子束轟擊鍍料，使蒸發(fā)成氣相，然后沉積在基體表面，歷史上，真空蒸鍍是PVD法中使用較早的技術。
五、濺射鍍膜基本原理：充氬(Ar)氣的真空條件下，使氬氣進行輝光放電，這時氬(Ar)原子電離成氬離子(Ar )，氬離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。 濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在l0-2Pa～10Pa范圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發(fā)生碰撞，使運動方向隨機，沉積的膜易于均勻。
六、離子鍍基本原理：在真空條件下，采用某種等離子體電離技術，使鍍料原子部分電離成離子，同時產(chǎn)生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
七、離子鍍的工藝過程：蒸發(fā)料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極（即工件）的吸引下，以很高的速度注入到工件表面。
八、離子鍍的作用過程如下：
蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產(chǎn)生輝光放電。由于真空罩內充有惰性氬氣，在放電電場作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。這就是離子鍍的簡單作用過程。
PVD技術四個工藝步驟
(1)清洗工件：接通直流電源，氬氣進行輝光放電為氬離子，氬離子轟擊工件表面，工件表層粒子和臟物被轟濺拋出；
(2)鍍料的氣化：即通入交流電后，使鍍料蒸發(fā)氣化。
(3)鍍料離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過碰撞以及高壓電場后，高速沖向工件；
(4)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積：工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時，蒸發(fā)料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動能，高速轟擊工件時，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。
九、PVD 涂層的基本概念及其特點： PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式，一般有真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等。
較為成熟的PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍設備結構簡單，容易操作。它的離子蒸發(fā)源靠電焊機電源供電即可工作，其引弧的過程也與電焊類似，具體地說，在一定工藝氣壓下，引弧針與蒸發(fā)離子源短暫接觸，斷開，使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑，在蒸發(fā)源表面上連續(xù)形成熔池，使金屬蒸發(fā)后，沉積在基體上而得到薄膜層的，與磁控濺射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金屬離子離化率高，薄膜與基體之間結合力強的優(yōu)點。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩(wěn)定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均容易得到相同穩(wěn)定的金黃色，令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統(tǒng)的 DC電源做低溫涂層條件下，當涂層厚度達到0.3μm時，沉積率與反射率接近，成膜變得非常困難，薄膜表面會漸漸變朦，而且膜層結構也會變差、表面變得粗糙，所以多弧鍍的膜層太厚也不好。
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