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Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) est un procédé de revêtement en couche mince qui produit des revêtements de métal pur, d’alliages métalliques et de céramiques d’une épaisseur généralement comprise entre 1 et 10 µm. Comme son nom l’indique, le dépôt physique en phase vapeur est le dépôt physique d’atomes, d’ions ou de molécules d’une substance de revêtement sur un substrat. Pourquoi se renseigner sur le revêtement PVD ? À quoi sert un revêtement PVD ? Nous l’expliquons ci-dessous.

Revêtement PVD – types 

Il existe trois principaux types de PVD, tous réalisés dans une chambre à atmosphère contrôlée sous pression réduite (0,1 à 1 N/m2) :

– l’évaporation thermique,

– la pulvérisation,

– le placage ionique.

L’évaporation thermique consiste à chauffer un matériau pour produire une vapeur qui se condense sur le substrat pour former un revêtement. Le chauffage est obtenu par diverses méthodes, notamment la fibre chaude, la résistance électrique, le faisceau d’électrons ou le laser et l’arc. La pulvérisation implique la génération d’un plasma entre la couche de revêtement et le substrat. Le placage ionique est essentiellement une combinaison de l’évaporation thermique et de la pulvérisation.

Ces trois techniques peuvent être utilisées pour le dépôt direct de matériaux ou pour des applications „réactives”, où des réactions chimiques se produisent dans la phase vapeur/plasma entre les atomes du matériau de revêtement et le gaz „réactif”. La température du substrat revêtu est généralement comprise entre 200 et 400°C, ce qui est bien inférieur aux températures associées au CVD (dépôt chimique en phase vapeur, un autre procédé de couches minces). Le PVD est un procédé en ligne qui nécessite un accès facile à la surface du substrat. Faites tourner certaines pièces pour obtenir un revêtement uniforme.

Le PVD est un procédé de revêtement par lots avec des temps de cycle typiques de 1 à 3 heures, selon le type de matériau appliqué et l’épaisseur de revêtement souhaitée. Les taux d’application typiques vont de 50 à 500 µm/heure, selon la technologie. Les pièces revêtues ne nécessitent aucun traitement mécanique ou thermique supplémentaire et sont protégées des influences extérieures.

Applications

Les revêtements PVD ont de nombreuses applications, notamment

– les pistes en aluminium et les résistances en céramique pour les circuits électroniques, 

– revêtements céramiques anti-reflets pour l’optique,

– revêtements décoratifs sur les plastiques,

– revêtements résistant à la corrosion sur les aubes de turbines à gaz,

– pour la fabrication de montres ou la finition de montres

– peuvent être utilisés pour les robinets de salle de bains,

– des revêtements résistants à l’usure pour les machines à estamper et les outils.

Comme le procédé dont il est question ici travaille avec le matériau de revêtement sous forme d’un seul atome ou au niveau moléculaire, il peut fournir des revêtements extrêmement propres et performants qui peuvent être préférables à d’autres méthodes utilisées dans de nombreuses applications. Au cœur de chaque microprocesseur et dispositif à semi-conducteurs, films de protection durables, lentilles optiques, panneaux solaires et de nombreux dispositifs médicaux, les revêtements PVD fournissent des attributs de performance clés pour le produit final. Que le revêtement doive être extrêmement fin, transparent, durable ou propre, le PVD a la solution.

La méthode PVD est utilisée dans un large éventail d’industries, comme les applications optiques, des lunettes au verre teinté autonettoyant. En outre, elle est également utilisée pour le solaire photovoltaïque ou dans des dispositifs tels que les puces d’ordinateur, les écrans et les appareils de communication, ainsi que pour les finitions fonctionnelles ou décoratives.

Les deux procédés de revêtement les plus courants dans le domaine du PVD sont la pulvérisation cathodique et l’évaporation thermique. La pulvérisation est le bombardement d’un matériau de revêtement appelé cible avec des charges à haute énergie, provoquant le dépôt d’atomes ou de particules sur des substrats tels que des tranches de silicium ou des panneaux solaires. L’évaporation thermique consiste à porter le matériau de revêtement au point d’ébullition dans un environnement sous vide poussé, ce qui entraîne une augmentation du flux de vapeur dans une chambre à vide, qui se condense ensuite sur le substrat.

Qu’est-ce qui rend les revêtements PVD très durables, résistants à la corrosion et aux rayures ?

La capacité du PVD à appliquer des revêtements au niveau atomique nous permet de contrôler la structure, la densité et la stœchiométrie des films minces. En utilisant des matériaux et des procédés spécifiques, nous pouvons développer des propriétés particulières du revêtement PVD, telles que la dureté, le pouvoir lubrifiant, l’adhérence et plus encore.

Équipement de revêtement PVD

Les revêtements PVD réduisent la friction et agissent comme une barrière contre les dommages. Les applications de ces revêtements sont en constante expansion. Dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de la défense, de la fabrication et bien d’autres, la durabilité à long terme est cruciale (en présence d’acier inoxydable, par exemple).

Ce type de revêtement PVD est également très résistant au ternissement et à la corrosion, ce qui le rend adapté à de nombreuses finitions décoratives durables. Un revêtement PVD en or ou en platine offre une excellente finition, rendant la montre très résistante aux rayures et aux éraflures, qui sont moins résistantes à l’abrasion.

Le nitrure de titane et les revêtements similaires offrent une finition esthétique et une grande résistance à la corrosion et à l’usure. À ce titre, ils sont largement utilisés dans les articles ménagers tels que les poignées de porte, les accessoires nautiques et marins, ainsi que les outils d’usinage, les couteaux, les forets et autres.

Qu’est-ce que la pulvérisation cathodique ? 

Le dépôt physique en phase vapeur est une technique de „placage” respectueuse de l’environnement qui réduit considérablement la quantité de substances toxiques à utiliser, à gérer et à éliminer, par rapport aux autres procédés „humides” qui font appel à des précurseurs liquides et à des réactions chimiques pour obtenir les mêmes résultats. Le dépôt physique en phase vapeur fournit des revêtements exceptionnellement propres, purs et durables et constitue la technologie de choix pour l’industrie des implants chirurgicaux et médicaux.

Comment les revêtements PVD sont-ils appliqués ?

Que le procédé d’application spécifique soit la pulvérisation ou l’évaporation thermique, les deux procédés de dépôt physique en phase vapeur sont essentiellement des techniques sous vide poussé qui évaporent le matériau source en un plasma d’atomes ou de molécules et le déposent sur divers substrats. Le processus se déroule dans une chambre à vide poussé dont la pression est proche de l’espace de 10-2 à 10-6 Torr (102 à 104 mbar), et le processus est généralement réalisé entre 50 et 500 degrés Celsius.

L’objet revêtu est serré dans un support et placé dans la chambre à vide. En fonction du matériau de revêtement utilisé, du substrat et des exigences du procédé, la chambre est pompée à la pression optimale et la pièce revêtue est souvent chauffée et nettoyée au plasma.

Quels sont les matériaux cibles typiques du revêtement PVD ?

Le matériau de revêtement à pulvériser ou à vaporiser est appelé „cible” ou „matériau source”. Il existe des centaines de matériaux couramment utilisés dans le PVD. Selon le produit final, ces matériaux comprennent des métaux, des alliages, des céramiques, des composites et presque tout ce qui figure dans le tableau périodique des éléments.

Certains procédés nécessitent des revêtements uniques tels que les carbures, les nitrures, les suicides et les borures pour des applications spéciales. Chacun d’entre eux possède des propriétés particulières adaptées à des exigences de performance spécifiques. Par exemple, le graphite et le titane sont couramment utilisés dans les composants aérospatiaux et automobiles de haute performance où la friction et la température sont des facteurs clés de succès.

Pour produire un revêtement mince et uniforme de quelques atomes ou particules, les composants revêtus sont généralement mis en rotation autour de plusieurs axes à la même vitesse ou placés sur une bande transporteuse qui passe dans un flux de plasma de matériau déposé. Des revêtements à une ou plusieurs couches peuvent être appliqués au cours du même cycle de déposition.

Pourquoi utilise-t-on l’argon pour le PVD ?

L’argon est un gaz inerte, ce qui signifie qu’il ne peut pas se lier chimiquement à d’autres atomes ou composés. Cela permet au matériau de revêtement d’entrer en phase gazeuse dans la chambre à vide avant d’être appliqué sur le substrat.

De plus, des gaz réactifs tels que l’azote, l’oxygène ou l’acétylène peuvent être introduits dans la chambre à vide pour former des composés qui forment des liaisons très fortes entre le revêtement et le substrat pendant le dépôt. Bien que les couches minces déposées puissent varier en épaisseur de quelques angströms à quelques microns, elles forment des revêtements très visqueux qui fonctionnent bien dans de nombreuses applications, notamment les revêtements décoratifs, électriques et autres revêtements fonctionnels. Les applications sont infinies ! Des microprocesseurs aux panneaux solaires, le procédé de revêtement PVD produit certaines des technologies les plus résistantes, les plus brillantes et les plus avant-gardistes de notre époque, le plus important étant que les revêtements et la technologie PVD peuvent être appliqués sans résidus toxiques qui endommagent l’environnement de notre planète.