真空镀膜(PVD)工艺介绍

编撰：张学章真空镀膜(PVD)工艺介绍真空镀膜(PVD)工艺知识介绍2010年01月20日拟订:张玉立讲解:刘红彪1.真空镀膜技术及设备发展;2.真空镀膜的工艺基本流程;3.真空镀膜的工艺特性;4.真空镀膜工艺对素材的适镀性及要求;5.真空镀膜工艺关键技术与先进性;6.真空镀膜新工艺展示;7.东莞劲胜精密组件股份有限公司PVD专利介绍；目目录录真空镀膜行业兴起背景；随着欧盟RoHS指令的实施及各国针对环保问题纷纷立法。传统高污染之电镀行业已不符合环保要求，必将被新兴环保工艺取代。而真空镀膜没有废水、废气等污染，在环保上拥有绝对优势，必将兴起并普及。前言1：真空镀膜技术及设备发展1.制膜(或镀膜)方法可以分为气相生成法、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法、液相生成法等。气相生成法又可分为物理气相沉积法（简称PVD法）化学气相沉积法和放电聚合法等。我们今天主要介绍的是物理气相沉积法。由于这种方法基本都是处于真空环境下进行的，因此称它们为真空镀膜技术。1.1：真空镀膜技术及设备发展2.物理气相沉积法依据制作过程工艺不同又分为真空蒸发镀膜、磁控溅射镀膜和离子镀膜。a.真空蒸发镀膜法：在真空室(镀炉)中加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体(待镀产品)表面，凝结形成固态薄膜的方法。电源回路加热真空镀膜金属蒸发样品高真空状态自转公转真空镀膜法示意图1.2：真空镀膜技术及设备发展b.离子镀膜法：蒸发源的加热和真空镀膜法相同。由于系统为等离子状态，使金属离子在样品表面吸附使金属离子在样品表面吸附・・成膜成膜。金属离子为高能量状态，成膜时具有离子结晶性佳结晶性佳、膜的密着性提高膜的密着性提高的优点。惰性气体电源回路加热真空镀膜金属蒸发样品等离子状态自转公转金属离子离子镀膜法示意图1.3：真空镀膜技术及设备发展c.溅射镀膜法：给靶材施加高电压（形成等离子状态），使正荷使正荷电气体离子撞击靶材、金属原子飞弹电气体离子撞击靶材、金属原子飞弹，而在样品表面形成金属皮膜的方法。溅射镀膜法示意图惰性气体样品等离子状态金属靶Ar+NS磁场因存在磁场，等离子状态在金属靶附近停留。等离子状态和溅射时放出的γ电子可以保护样品。磁控管溅射镀膜法2：真空镀膜的工艺基本流程素材检检组装治具擦拭产品底涂上下料底涂上下料喷底涂、IR镀膜上下料镀膜（PVD)喷面漆、IR（颜色）下治具检验PVD施工流程：产品镀膜过程为真空环境,真空度极高。镀膜机内气压极低,产品中的添加剂、油脂、水分均会溢出,所以产品注塑时不可打脱模剂,不可添加增塑剂,不可直接加色粉成型。包装上自动线基材表面清洁自动静电除尘自动表面喷底涂IR烘烤紫外线表面固化下自动线不导电真空上料不导电设备控制系统不导电真空镀膜中不导电镀膜下料自动喷涂面漆着色PVD技术操作简易流程图片技术操作简易流程图片：2.1：真空镀膜的工艺基本流程塑胶件采用专用的UV涂料，用自动涂装线喷涂，对素材进行封闭、增加基材平整性。高纯度锡金属作为蒸发材料进行物理气相沉积镀膜，镀层金属膜层厚度为纳米级（30-50NM）金属原子微观上不连接，从而保证不导电性能，同时具备较强的金属质感。塑胶件采用专用的UV涂料，用自动涂装线喷涂，对素材进行封闭、增加基材平整性。UV涂层膜厚，表面硬度（IR烤箱温度、UV紫外光固化能量、波峰值）精确控制，严格测试。通过制程各项工程参数（如真空度、电流、电压、时间、膜材用量）的精确控制及严格的品质监测流程、设备（镀层阻抗测量、网络分析仪RF射频测试）确保制程品质稳定。采用自动涂装线对镀层喷涂面UV进行有效保护，并与底层UV有效咬合，通过涂料专业品质及制程工艺参数精确控制确保成品各项品质要求。同时通过特殊的颜色获得技术（已申报专利）获得具金属质感的丰富多彩的各种颜色效果的制成品。通过完善先进的测试设备，方法严格管控，实现产品过程及制程品品质，确保产品外观，电子性能（RF、ESD性能）耐侯性（RCA耐磨、铅笔硬度、盐雾、冷垫冲击、耐化妆品）等行业品质标准。让产品具备极强的市场生命力。2.2：真空镀膜的工艺基本流程PVD技术流程技术流程：3：真空镀膜的工艺特性1.纳米级厚度、膜厚均匀。真空镀膜膜层厚度仅数十至数百纳米(一般≤0.2um)，膜层各部位厚度极为均匀。例：镀铝层厚度达0.9nm时就可导电，达到30nm时性能就和固态铝材相同，银镀层小于5nm时不能导电。各塑胶产品本身具有约0.5um的粗糙度，结合第1条因素故塑胶表面均在镀膜前喷涂UV进行封闭流平，以达到理想的镜面效果。因镀膜层太薄，故对底涂UV材料外观要求近乎苛刻，这就要求涂装室洁净度极高。同时产品外观面积越大，不良率就可能就越高（目前奥科生产车间洁净度为10000级，喷涂室、烤箱、镀膜车间洁净度3000级）。镀膜厚度目前主要通过光透过率及反射率来控制，镀层越厚，透光率越差，反射率越高。3.1：真空镀膜的工艺特性2.镀膜产品放置具有方向性：在立式、卧式镀炉中，产品均须于镀炉工装平行平面放置。因为金属材料随蒸气流作直线或弧线运动，而镀膜材料一般均与工装平行放置。镀膜室空间一定,产品平面面积越大,曲面越深,产能就越低,相应生产成本就越高。3.底涂UV后及镀膜后产品表面极其脆弱敏感,需特殊保护。因镀膜层仅几十纳米,对底涂UV层表面不良不具备遮蔽能力,另镀层因太薄，镀膜层金属极其柔弱，极易刮伤、碰伤。产品底涂UV后,镀膜后不能进行人工全检,(用小批量试产的办法确定良品率)作业过程中,通过治具专用手柄、戴指套、口罩及车用无尘罩等办法预防产品表面被污染、破坏。3.2：真空镀膜的工艺特性4.镀膜材料或蒸气流入射速度极高，一般磁控溅射及蒸发镀金属原子入射速度均在2000米/秒左右。每炉镀膜时间（金属原子累积入射沉淀时间）一般在15-20分钟左右，磁控溅射视工艺不同有所区别。每炉产能以普通翻盖手机外壳为例约450-800PCS/炉不等，产品大小不同，每炉产能不同。5.颜色制作途径多样化，目前有三种颜色制作途径：一、是在中涂UV或面涂UV中添加色精。因色精会与UV紫外光起作用，故添加量一般5%左右；二、是在镀膜过程中充入气体，使气体与金属材料反应获得颜色（如Ar2+O2+铝金属可获得黑色,O2+Al获得黄色）；三、是前述两者相结合进行生产。一般来说颜色越深、越浓、越艳；附着力会越差（加色精工艺）。3.3：真空镀膜的工艺特性6.镀膜用金属材料范围极广，除铁金属外，各种金属及金属合金，理论上都可用作镀材。常用的有铝、铜、锡、镍、铬等。另因镀膜是物理过程，对产品材料本身性能几乎没有影响。7.镀膜产品能达到的品质水准:附着力：无脱落-。RCA耐磨：200-300次。硬度：1H-3HABS+PC素材一般在500g擦1H；PMMA素材则可达3H，甚至4H。其它诸如高低温、冷热冲击、盐雾测试、紫外线测试、化妆品测试、抗人造汗测试等均可达到常规要求。3.4：真空镀膜的工艺特性8、生产过程时间局限性：因金属镀层长时间露置在空气中会氧化发黑，不同材料氧化速度不同，其中锡镀层氧化速度最快，8H就会明显发黑，另底漆UV静置时间如过长，漆膜太厚也会影响镀膜层附着力。故底漆UV、镀膜及面涂UV几个工序之间作业时间间隔依据实际作业经验一般限定在8-12H范围内。9、UV涂料及涂料施工特性：镀膜用的底涂UV及面涂UV涂料相比普通塑胶喷涂UV涂料有两个明显不同之特性：1）涂料材料组成之固含量高，底漆UV最高；2）不含且不能添加普通喷涂用的惰性溶剂，须特殊调配专用溶剂。故产品单位涂料用量及成本明显比普通塑胶喷涂高出很多，另底漆UV、面涂UV及色精对UV能量范围的要求也较普通UV苛刻，一般底漆UV要求800-1000mj/cm2面涂UV要求900-1100mj/cm2不同颜色之色精根据实际情况调整UV灯能量。UV生产时过滤要求也比普通塑胶UV严格，一般要求用600目左右过滤网进行过滤。UV膜厚要求为底涂18-25um，面涂UV18-22um。4：真空镀膜工艺对素材的适镀性及要求作为真空镀膜的塑胶素材，其最基本的性能应包括附着性能、真空放气量和耐热性外观设计等几方面的指标。1.附着力：被镀素材应与真空镀膜材料有良好的附着结合强度，一般认为聚脂类材料和镀铝膜层的结合力最强（如PET）.衡量附着性能良好的标准是塑胶件表面自由能（表面活性指数）一般表面自由能＜33-35×10-5N/CM的为弱极性塑胶（如PP）常用塑胶材质中附着力高低依次为ABS→ABS+PC→PC→PVC。真空镀层与素材之间的附着力可以通过实施底涂来加以提高，还可以通过化学材料清洗、浸泡,等离子体预处理等来提高。2.真空放气量：某些素材中可能含易挥发小分子（包括水分、增塑剂、残留溶剂、未反应单体、增加剂等）在真空状态下将以气体形式溢出，破坏镀膜层的附着力：平整性和外观.素材在常温下放气并不明显，但在真空状态下，随温度上升，放气量增大。不同材质素材，其放气量差异较大，如一般ABS、ABS+PC含水量多在0.5％--0.2％之间，真空状态下ABS放气主要含水分,CO和氢气，尼龙、尼龙+纤，聚乙烯醇材料等较易吸潮，水分含量更高严重干扰镀膜，目前处理此类问题的办法有二种：一种是预热烘烤处理,将水分含量控制在0.1%以下;另一种方法用底涂UV封闭。但含量太高则不行，如增塑剂含量10％以上的增塑剂就会溢出。4.1：真空镀膜工艺对素材的适镀性及要求3、耐热性：真空镀膜无论采用何种工艺，素材都必须面临升温考验，蒸发源的辐射热,镀膜材料的高能粒子、气化原子、分子等离子体等，在素材上的冷凝热和动能都将使素材（浅表层）迅速升温，如果素材的耐热性差，真空镀膜时将出现皱纹，甚至整体收缩，过度受热还可以导致塑料分解，镀膜起泡、剥落。不同塑料的耐热性千差万别。一般来说PVC材料的热稳定性较差，热变形温度较低，通常最高只能在60-70℃下使用，一般工程塑料可以在200℃以下使用，电子塑胶件不是特薄，特细件一般做真空镀膜均不会产生变形状况。4、新项目设计开发时素材边缘处尽量设计带新项目设计开发时素材边缘处尽量设计带RR角和有弧度的面角和有弧度的面,,这样可以使喷涂的膜厚均匀测试性能稳定。这样可以使喷涂的膜厚均匀测试性能稳定。5：真空镀膜工艺关键技术与先进性不导电真空镀炉内部结构及高效率图片展示1：真空获得设备配置了先进的空气冷凝捕集装置，产品在镀膜过程中，从常规大气压抽到高真空（1.0*10-2PA以上）只需6.0-7.0分钟,且不受产品装入数量,结构的影响,在同行业中处于领先,成本低，效率高,极具市场竞争力。2：真空获得设备配置了先进的石英晶体膜厚探测仪，精确控制镀层膜厚，确保不导电性能。两涂产品展示（外观光泽效果良好颜色鲜明艳丽））5.1：真空镀膜工艺关键技术与先进性3：特殊的颜色获得技术，仅用二涂UV的实现工艺，目前同行工艺实现（如：NOKIA、索爱的产品NCVM表面处理）基本采用UV三涂工艺实现（即底涂UV、镀膜、中涂加颜色、面涂UV）。而我司只用二涂工艺（具体见前面技术流程图）就可实现，同时采用面涂加颜色的颜色获得技术。制成品品质确保达到行业标准（如，三星的测试标准）。工艺实现过程较同行简单、效率高、成本低、品质保证，从而具备极强的市场竞争力。射频网络分析仪检测展示网络分析仪检测设备产品检测中5.2：真空镀膜工艺关键技术与先进性4：特殊的两种金属材料作为蒸发源，锡和铟依据不同制品的品质要求进行不同质量配比，确保不导电性能和制品高金属质感。5：针对不导电性能先进的测试方法，设备。对完成品采用射频网络分析仪测试（RF射频测试）确保完成品的质量与追溯，满足终端通讯产品的电子性能要求，使产品更具市场生命力，同行业基本没有此项测试方法。5.3：真空镀膜工艺关键技术与先进性1：真空镀膜制程无废水，废渣、废气排放，极其环保健康，完全杜绝了传统工业水电镀的六价铬、镍镉对环境的污染、对劳动者身体健康的威胁。2：使塑料制品具备高质感，多颜色的金属效果，同时又杜绝了金属制品对通讯产品的电磁屏蔽影响，具备良好的产业发展前景。3：通过强大的技