Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD) to proces powlekania cienkowarstwowego, w którym powstają powłoki z czystego metalu, stopów metali i ceramiki o grubości zwykle w zakresie od 1 do 10 µm. Jak sama nazwa wskazuje, fizyczne osadzanie z fazy gazowej to fizyczne osadzanie atomów, jonów lub cząsteczek substancji powlekającej na podłożu. Dlaczego warto poznać się z powłoką pvd? Do czego służy powłoka PVD? O tym piszemy poniżej.
Powłoka PVD – rodzaje
Istnieją trzy główne typy PVD, wszystkie wykonywane w komorze z kontrolowaną atmosferą pod zmniejszonym ciśnieniem (0,1 do 1 N/m2):
– parowanie termiczne,
– spray,
– powlekanie jonowe.
Parowanie termiczne to ogrzewanie materiału w celu wytworzenia pary, która skrapla się na podłożu tworząc powłokę. Ogrzewanie uzyskuje się różnymi metodami, w tym gorącym włóknem, oporem elektrycznym, wiązką elektronów lub laserem i łukiem elektrycznym. Napylanie polega na wytworzeniu plazmy pomiędzy warstwą powłoki, a podłożem. Powlekanie jonowe jest zasadniczo połączeniem parowania termicznego i rozpylania.
Wszystkie trzy techniki można stosować do bezpośredniego osadzania materiału lub zastosowań „reaktywnych”, gdzie reakcje chemiczne zachodzą w fazie pary/plazmy pomiędzy atomami materiału powlekającego i „reaktywnym” gazem. Temperatura powlekanego podłoża wynosi zwykle 200-400°C, znacznie poniżej temperatur związanych z CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej, inny proces cienkowarstwowy). PVD to proces liniowy, który wymaga łatwego dostępu do powierzchni podłoża. Obróć niektóre elementy, aby uzyskać równomierną powłokę.
PVD to proces powlekania wsadowego o typowych czasach cyklu od 1 do 3 godzin, w zależności od rodzaju nałożonego materiału i pożądanej grubości powłoki. Typowe szybkości nakładania wynoszą od 50 do 500 µm/godz., w zależności od technologii. Elementy kryte nie wymagają dodatkowej obróbki mechanicznej ani cieplnej, a ponadto są chronione przed działaniem czynników zewnętrznych.
Zastosowania
Powłoki wykonane z PVD mają wiele zastosowań m.in obejmują:
- ścieżki aluminiowe i rezystory ceramiczne do obwodów elektronicznych,
- antyrefleksyjne powłoki ceramiczne do optyki,
- powłoki dekoracyjne na tworzywach sztucznych,
- powłoki odporne na korozję na łopatkach turbin gazowych,
- do produkcji zegarków, czy wykańczaniu zegarków
- mogą mieć baterie łazienkowe,
- powłoki przeciwzużyciowe do maszyn do tłoczenia i narzędzia.
Z uwagi na to, że omawiany proces działa z materiałem powłokowym jako pojedynczym atomem lub na poziomie molekularnym, może zapewnić niezwykle czyste i wysokowydajne powłoki, które mogą być preferowane w porównaniu z innymi metodami stosowanymi w wielu zastosowaniach. W sercu każdego mikroprocesora i urządzenia półprzewodnikowego trwałe folie ochronne, soczewki optyczne, panele słoneczne i wiele urządzeń medycznych, powłoki PVD zapewniają kluczowe atrybuty wydajności produktu końcowego. Niezależnie od tego, czy powłoka ma być wyjątkowo cienka, czysta, trwała czy czysta, PVD ma rozwiązanie.
Metoda PVD znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, takich jak aplikacje optyczne, od okularów po przyciemniane szyby samoczyszczące. Ponadto, stosuje się go również do fotowoltaiki słonecznej czy w urządzeniach takich jak chipy komputerowe, wyświetlacze i urządzenia komunikacyjne, a także wykończenia funkcjonalne lub dekoracyjne.
Dwa najczęstsze procesy powlekania w powłoce PVD to rozpylanie i odparowywanie termiczne. Rozpylanie to bombardowanie materiału powłokowego zwanego celem ładunkami wysokoenergetycznymi, powodujące osadzanie atomów lub cząstek na podłożach, takich jak płytki krzemowe lub panele słoneczne. Odparowanie termiczne to proces podniesienia materiału powłokowego do temperatury wrzenia w środowisku wysokiej próżni, co skutkuje zwiększonym przepływem pary w komorze próżniowej, która następnie kondensuje na podłożu.
Co sprawia, że powłoki PVD są bardzo trwałe, odporne na korozję i zarysowania?
Możliwość nakładania powłok na poziomie atomowym za pomocą PVD pozwala na kontrolę struktury, gęstości i stechiometrii cienkich warstw. Używając określonych materiałów i procesów, możemy opracować określone właściwości powłoki PVD, takie jak twardość, smarowność, przyczepność i inne.
Sprzęt do powlekania PVD
Powłoki PVD zmniejszają tarcie i działają jak bariera przed uszkodzeniami. Zastosowania tych powłok stale się rozszerzają. W lotnictwie, motoryzacji, obronności, produkcji i nie tylko, długoterminowa trwałość ma kluczowe znaczenie (tam gdzie występuje np. stal szlachetna).
Ten rodzaj powłoki PVD jest również bardzo odporny na matowienie i korozję, dzięki czemu nadaje się do wielu trwałych wykończeń dekoracyjnych. Złota lub platynowa powłoka PVD zapewnia doskonałe wykończenie, dzięki czemu zegarek jest wysoce odporny na zarysowania i zarysowania, które są mniej odporne na ścieranie.
Azotek tytanu i podobne powłoki zapewniają estetyczne wykończenie, a jednocześnie wysoką odporność na korozję i zużycie. W związku z tym są szeroko stosowane w artykułach gospodarstwa domowego, takich jak klamki do drzwi, akcesoria wodne i morskie, a także narzędzia do obróbki, noże, wiertarki i inne.
Co to jest napylanie?
Fizyczny proces osadzania z fazy gazowej jest przyjazną dla środowiska techniką „galwanizacji”, która znacznie zmniejsza ilość toksycznych substancji, które muszą być używane, zarządzane i usuwane, w porównaniu z innymi „mokrymi” procesami, które obejmują prekursory cieczy i reakcje chemiczne w celu uzyskania tej samej ilości wyników. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej zapewnia wyjątkowo czyste, czyste i trwałe powłoki i jest technologią wybieraną dla branży implantów chirurgicznych i medycznych.
Jak nakładane są powłoki PVD?
Niezależnie od tego, czy konkretnym procesem aplikacji jest rozpylanie, czy odparowywanie termiczne, oba procesy fizycznego osadzania z fazy gazowej są zasadniczo technikami wysokopróżniowymi, które odparowują materiał źródłowy w plazmę atomów lub cząsteczek i osadzają je na różnych podłożach. Proces odbywa się w komorze wysokiej próżni o ciśnieniu zbliżonym do przestrzeni 10-2 do 10-6 Torr (102 do 104 mbar), a proces jest zwykle przeprowadzany w temperaturze 50 do 500 stopni Celsjusza.
Powlekany przedmiot jest mocowany w uchwycie i umieszczany w komorze próżniowej. W zależności od użytego materiału powlekającego, wymagań dotyczących podłoża i procesu, komora jest pompowana do optymalnego ciśnienia, a powlekany przedmiot jest często podgrzewany i czyszczony plazmowo.
Jakie są typowe docelowe materiały do powlekania PVD?
Materiał powłokowy, który ma być rozpylany lub odparowywany jest określany jako „docelowy” lub „materiał źródłowy”. Istnieją setki materiałów powszechnie stosowanych w PVD. W zależności od produktu końcowego, materiały te obejmują metale, stopy, ceramikę, kompozyty i prawie wszystko z układu okresowego pierwiastków.
Niektóre procesy wymagają unikalnych powłok, takich jak węgliki, azotki, samobójstwa i borki do specjalnych zastosowań. Każdy z nich posiada specjalne właściwości dostosowane do określonych wymagań wydajnościowych. Na przykład grafit i tytan są powszechnie stosowane w wysokowydajnych komponentach lotniczych i samochodowych, w których tarcie i temperatura są kluczowymi czynnikami sukcesu.
W celu uzyskania jednolitej cienkiej powłoki o grubości kilku atomów lub cząstek, powlekane elementy są zwykle obracane wokół wielu osi z tą samą prędkością lub umieszczane na taśmie przenośnika, która przechodzi przez strumień plazmy osadzanego materiału. Powłoki jedno- lub wielowarstwowe można nakładać w tym samym cyklu osadzania.
Dlaczego argon jest używany do PVD?
Argon jest gazem obojętnym, co oznacza, że nie może wiązać się chemicznie z innymi atomami lub związkami. Dzięki temu materiał powlekający wchodzi w fazę gazową w komorze próżniowej przed nałożeniem na podłoże.
Dodatkowo do komory próżniowej można wprowadzać reaktywne gazy, takie jak azot, tlen lub acetylen, tworząc związki, które podczas osadzania tworzą bardzo silne wiązania między powłoką a podłożem. Chociaż osadzone cienkie warstwy mogą mieć różną grubość od kilku angstremów do kilku mikronów, tworzą bardzo lepkie powłoki, które dobrze sprawdzają się w wielu zastosowaniach, w tym powłokach dekoracyjnych, elektrycznych i innych funkcjonalnych. Zastosowania są nieograniczone! Od mikroprocesorów po panele słoneczne, proces powlekania PVD wytwarza jedne z najtwardszych, najjaśniejszych i najnowocześniejszych technologii naszych czasów, z których najważniejszą jest to, że powłoki i technologia PVD mogą być stosowane bez toksycznych pozostałości, które niszczą naszą planetę środowisko.