Fysische dampafzetting (PVD) is een proces voor dunne-filmcoating waarbij coatings van zuiver metaal, metaallegeringen en keramiek worden geproduceerd met diktes van 1 tot 10 µm. Zoals de naam al aangeeft, is fysieke dampafzetting de fysieke afzetting van atomen, ionen of moleculen van een coatingstof op een substraat. Waarom leren over pvd coating? Waarvoor wordt een PVD coating gebruikt? Daarover schrijven we hieronder.
PVD coating – soorten
Er zijn drie hoofdtypen PVD, alle uitgevoerd in een kamer met gecontroleerde atmosfeer onder verminderde druk (0,1 tot 1 N/m2):
– thermische verdamping,
– sproeien,
– ion-plating.
Thermische verdamping is de verhitting van een materiaal om een damp te produceren die op het substraat condenseert om een deklaag te vormen. De verhitting gebeurt met verschillende methoden, waaronder hete vezel, elektrische weerstand, elektronenbundel of laser en boog. Bij sputteren wordt een plasma opgewekt tussen de deklaag en het substraat. Ion-plating is in wezen een combinatie van thermische verdamping en sputteren.
Alle drie de technieken kunnen worden gebruikt voor directe materiaalafzetting of „reactieve” toepassingen, waarbij chemische reacties plaatsvinden in de damp-/plasmafase tussen de atomen van het bekledingsmateriaal en het „reactieve” gas. De temperatuur van het gecoate substraat is doorgaans 200-400°C, veel lager dan de temperaturen bij CVD (chemische afzetting uit de dampfase, een ander dunne-filmprocédé). PVD is een in-line proces dat een gemakkelijke toegang tot het substraatoppervlak vereist. Sommige onderdelen draaien om een gelijkmatige coating te verkrijgen.
PVD is een batch coatingproces met typische cyclustijden van 1 tot 3 uur, afhankelijk van het toegepaste materiaal en de gewenste coatingdikte. Typische applicatiesnelheden variëren van 50 tot 500 µm/uur, afhankelijk van de technologie. De gecoate onderdelen behoeven geen extra mechanische of warmtebehandeling en zijn beschermd tegen externe invloeden.
Toepassingen
PVD-coatings hebben vele toepassingen, waaronder
- aluminiumbanen en keramische weerstanden voor elektronische circuits,
- antireflecterende keramische coatings voor optiek,
- decoratieve coatings op kunststoffen,
- corrosiebestendige coatings op gasturbinebladen,
- voor de vervaardiging van horloges of de afwerking ervan
voor badkamerkranen,
- slijtvaste coatings voor stempelmachines en gereedschappen.
Omdat het hier besproken procédé werkt met het coatingmateriaal als één atoom of op moleculair niveau, kan het uiterst schone en hoogwaardige coatings opleveren die in veel toepassingen de voorkeur verdienen boven andere methoden. In het hart van elke microprocessor en elk halfgeleiderapparaat zitten duurzame beschermingsfolies, optische lenzen, zonnepanelen en vele medische apparaten. Of de coating nu extreem dun, helder, duurzaam of schoon moet zijn, PVD heeft de oplossing.
De PVD-methode wordt gebruikt in een groot aantal industrieën, zoals optische toepassingen, van brillen tot gekleurd zelfreinigend glas. Daarnaast wordt het ook gebruikt voor fotovoltaïsche zonne-energie of in apparaten zoals computerchips, beeldschermen en communicatieapparatuur, en voor functionele of decoratieve afwerkingen.
De twee meest gebruikelijke coatingprocessen bij PVD-coating zijn sputteren en thermische verdamping. Sputteren is het bombarderen van een bekledingsmateriaal, een zogenaamd target, met hoogenergetische ladingen, waardoor atomen of deeltjes worden afgezet op substraten zoals siliciumschijven of zonnepanelen. Thermische verdamping is het proces waarbij het coatingmateriaal in een hoog vacuüm tot het kookpunt wordt gebracht, wat resulteert in een verhoogde dampstroom in een vacuümkamer, die vervolgens condenseert op het substraat.
Wat maakt PVD-coatings zeer duurzaam, corrosie- en krasbestendig?
Doordat PVD coatings op atomair niveau kan aanbrengen, kunnen wij de structuur, dichtheid en stoichiometrie van dunne films controleren. Met behulp van specifieke materialen en processen kunnen wij specifieke eigenschappen van de PVD coating ontwikkelen, zoals hardheid, smering, hechting en meer.
PVD coating apparatuur
PVD coatings verminderen de wrijving en fungeren als een barrière tegen schade. De toepassingen van deze coatings breiden zich voortdurend uit. In de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, defensie, fabricage en meer is duurzaamheid op lange termijn van cruciaal belang (bijvoorbeeld bij roestvrij staal).
Dit type PVD coating is ook zeer goed bestand tegen aanslag en corrosie, waardoor het geschikt is voor vele duurzame decoratieve afwerkingen. Een gouden of platina PVD coating zorgt voor een uitstekende afwerking, waardoor het horloge zeer goed bestand is tegen krassen en schrammen, die minder bestand zijn tegen slijtage.
Titanium nitride en soortgelijke coatings zorgen voor een esthetische afwerking met een hoge weerstand tegen corrosie en slijtage. Als zodanig worden zij veel gebruikt in huishoudelijke artikelen zoals deurklinken, water- en scheepstoebehoren, maar ook in gereedschappen voor machinale bewerking, messen, boren en meer.
Wat is sputteren?
Afzetting uit de dampfase is een milieuvriendelijke 'plating’ techniek die de hoeveelheid toxische stoffen die gebruikt, beheerd en verwijderd moeten worden aanzienlijk vermindert, in vergelijking met andere 'natte’ processen waarbij vloeibare precursoren en chemische reacties nodig zijn om dezelfde hoeveelheid resultaten te bereiken. Afzetting uit de dampfase levert uitzonderlijk schone, zuivere en duurzame coatings op en is de voorkeurstechnologie voor de chirurgische en medische implantatenindustrie.
Hoe worden PVD-coatings aangebracht?
Of het specifieke toepassingsproces nu sputteren of thermische verdamping is, beide fysische dampafzettingsprocessen zijn in wezen hoogvacuümtechnieken waarbij het bronmateriaal in een plasma van atomen of moleculen wordt verdampt en op diverse substraten wordt afgezet. Het proces vindt plaats in een hoogvacuümkamer met een druk in de buurt van 10-2 tot 10-6 Torr (102 tot 104 mbar), en het proces wordt gewoonlijk uitgevoerd bij 50 tot 500 graden Celsius.
Het gecoate voorwerp wordt in een houder geklemd en in de vacuümkamer geplaatst. Afhankelijk van het gebruikte coatingmateriaal, het substraat en de procesvereisten wordt de kamer op de optimale druk gebracht en wordt het gecoate werkstuk vaak verwarmd en met plasma gereinigd.
Wat zijn de typische doelmaterialen voor PVD coating?
Het te spuiten of te verdampen coatingmateriaal wordt het 'doelwit’ of 'bronmateriaal’ genoemd. Er zijn honderden materialen die gewoonlijk bij PVD worden gebruikt. Afhankelijk van het eindproduct omvatten deze materialen metalen, legeringen, keramiek, composieten en bijna alles uit het periodiek systeem der elementen.
Sommige procédés vereisen unieke coatings zoals carbiden, nitriden, suiciden en boriden voor speciale toepassingen. Elk heeft speciale eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke prestatie-eisen. Grafiet en titanium worden bijvoorbeeld vaak gebruikt in hoogwaardige onderdelen voor de ruimtevaart en de automobielindustrie, waar wrijving en temperatuur belangrijke succesfactoren zijn.
Om een uniforme dunne coating van een paar atomen of deeltjes te produceren, worden gecoate onderdelen gewoonlijk rond meerdere assen met dezelfde snelheid gedraaid of op een transportband geplaatst die door een plasmastroom van afgezet materiaal gaat. Een- of meerlagige coatings kunnen in dezelfde afzettingscyclus worden aangebracht.
Waarom wordt argon gebruikt voor PVD?
Argon is een inert gas, wat betekent dat het zich niet chemisch kan verbinden met andere atomen of verbindingen. Hierdoor kan het coatingmateriaal in de gasfase in de vacuümkamer komen voordat het op het substraat wordt aangebracht.
Bovendien kunnen reactieve gassen zoals stikstof, zuurstof of acetyleen in de vacuümkamer worden gebracht om verbindingen te vormen die tijdens de afzetting zeer sterke bindingen vormen tussen de coating en het substraat. Hoewel de afgezette dunne films in dikte kunnen variëren van enkele angstroms tot enkele microns, vormen zij zeer viskeuze coatings die goed werken in vele toepassingen, waaronder decoratieve, elektrische en andere functionele coatings. De toepassingen zijn eindeloos! Van microprocessoren tot zonnepanelen, het PVD-coatingproces produceert enkele van de sterkste, helderste en meest geavanceerde technologieën van onze tijd, waarvan het belangrijkste is dat PVD-coatings en -technologie kunnen worden toegepast zonder toxische residuen die het milieu van onze planeet aantasten.