Deposición física de vapor

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Dentro de la cámara de deposición de vapor físico de espray plasmática (PS-PVD), el polvo cerámico se introduce en la llama de plasma, que la vaporiza y luego lo condensa en la pieza de trabajo (cooler) para formar el revestimiento cerámico.
diagrama de flujo de proceso PVD

La deposición física de vapor (PVD), a veces denominada transporte físico de vapor (PVT), describe una variedad de métodos de deposición al vacío que se pueden utilizar para producir películas delgadas y revestimientos sobre sustratos que incluyen metales, cerámicas, vidrio y polímeros. La PVD se caracteriza por un proceso en el que el material pasa de una fase condensada a una fase de vapor y luego vuelve a una fase condensada de película delgada. Los procesos de PVD más comunes son la pulverización catódica y la evaporación. La PVD se utiliza en la fabricación de artículos que requieren películas delgadas para funciones ópticas, mecánicas, eléctricas, acústicas o químicas. Los ejemplos incluyen dispositivos semiconductores como células solares de película delgada, dispositivos microelectromecánicos como resonadores acústicos a granel de película delgada, películas de PET aluminizadas para envases de alimentos y globos, y herramientas de corte revestidas de nitruro de titanio para trabajar metales. Además de las herramientas de PVD para fabricación, se han desarrollado herramientas especiales más pequeñas que se utilizan principalmente para fines científicos.

El material de origen también se deposita inevitablemente en la mayoría de las demás superficies del interior de la cámara de vacío, incluidos los dispositivos de fijación utilizados para sujetar las piezas. Esto se denomina sobreimpulso.

Ejemplos

  • Deposición de arco catódico: un arco eléctrico de alta potencia descargado en el objetivo (fuente) material desperdicia algunos en vapor altamente ionizado para ser depositado en la pieza de trabajo.
  • Deposición de vapor físico electron-beam: el material que se deposita se calienta a una presión de vapor alta por bombardeo de electrones en vacío "alto" y se transporta por difusión para ser depositado por condensación en la pieza de trabajo (cooler).
  • Deposición evaportiva: el material a depositar se calienta a una presión de vapor alta por la calefacción de resistencia eléctrica en vacío "alto".
  • La sublimación del espacio cercano, el material y el sustrato se colocan cerca unos de otros y se calientan radiativamente.
  • Deposición láser pulsado: un material láser de alta potencia ablata del objetivo en un vapor.
  • Epitaxia láser térmica: un láser de onda continua evapora fuentes elementales individuales y libres que luego se condensan sobre un sustrato.
  • Deposición de Sputter: una descarga de plasma radiante (generalmente localizada alrededor del "target" por un imán) bombardea el material esparciendo algunos lejos como un vapor para posterior deposición.
  • Deposición de electrones pulsados: un material de rayos de electrones altamente energéticos ablata del objetivo generando un flujo de plasma bajo condiciones de noquilibrio.
  • Método sándwich de sublimación: utilizado para el cultivo de cristales hechos por el hombre (carburo silicon, SiC).

métricas y pruebas

Se pueden utilizar diversas técnicas de caracterización de películas delgadas para medir las propiedades físicas de los recubrimientos PVD, como por ejemplo:

  • Calo tester: prueba de espesor de revestimiento
  • Nanoindentación: prueba de dureza para recubrimientos delgados
  • Prueba de coeficiente de desgaste y fricción
  • Scratch tester: prueba de la adherencia
  • Microanalizador de rayos X: investigación de características estructurales y heterogeneidad de la composición elemental para las superficies de crecimiento

Comparación con otras técnicas de deposición

Ventajas

  • Los recubrimientos PVD son a veces más duros y resistentes a la corrosión que los recubrimientos aplicados por los procesos de electroplado. La mayoría de los revestimientos tienen alta temperatura y buena resistencia al impacto, excelente resistencia a la abrasión y son tan duraderos que los topcoats protectores rara vez son necesarios.
  • Los revestimientos PVD tienen la capacidad de utilizar prácticamente cualquier tipo de materiales inorgánicos y de recubrimiento orgánico en un grupo igualmente diverso de sustratos y superficies utilizando una amplia variedad de acabados.
  • Los procesos PVD son a menudo más respetuosos con el medio ambiente que los procesos tradicionales de recubrimiento, como el electroplating y la pintura.
  • Más de una técnica se puede utilizar para depositar una película dada.
  • PVD se puede realizar a temperaturas inferiores en comparación con la deposición de vapor químico (CVD) y otros procesos térmicos. Esto lo hace adecuado para sustratos sensibles a la temperatura de recubrimiento, como plásticos y ciertos metales, sin causar daño o deformación.
  • Las tecnologías PVD pueden ser escaladas desde pequeñas configuraciones de laboratorio a grandes sistemas industriales, ofreciendo flexibilidad para diferentes volúmenes y tamaños de producción. Esta escalabilidad lo hace accesible tanto para aplicaciones de investigación como comerciales.

Desventajas

  • Las tecnologías específicas pueden imponer restricciones; por ejemplo, la transferencia de línea de visión es típica de la mayoría de las técnicas de recubrimiento PVD, sin embargo, algunos métodos permiten una cobertura completa de geometrías complejas.
  • Algunas tecnologías PVD operan a altas temperaturas y vacíos, que requieren atención especial por parte del personal operativo y a veces un sistema de agua de refrigeración para disipar grandes cargas de calor.

Aplicaciones

Gafas anisotrópicas

Esta figura da una simple ilustración del proceso de PVD donde las moléculas de gas depositadas deseadas entran en la cámara después de ser condensadas, y luego se condensan una vez más en una película delgada, como el vidrio anisotrópico.

La PVD se puede utilizar como una aplicación para fabricar vidrios anisotrópicos de bajo peso molecular para semiconductores orgánicos. El parámetro necesario para permitir la formación de este tipo de vidrio es la movilidad molecular y la estructura anisotrópica en la superficie libre del vidrio. La configuración del polímero es importante, ya que debe colocarse en un estado de energía más bajo antes de que las moléculas agregadas entierren el material mediante una deposición. Este proceso de agregar moléculas a la estructura comienza a equilibrarse y a ganar masa y volumen para tener más estabilidad cinética. El empaquetamiento de moléculas aquí a través de PVD es frontal, es decir, no en el extremo largo de la cola, lo que también permite una mayor superposición de orbitales pi, lo que también aumenta la estabilidad de las moléculas agregadas y los enlaces. La orientación de estos materiales agregados depende principalmente de la temperatura para determinar cuándo se depositarán o extraerán las moléculas de la molécula. El equilibrio de las moléculas es lo que proporciona al vidrio sus características anisotrópicas. La anisotropía de estos vidrios es valiosa ya que permite una mayor movilidad del portador de carga. Este proceso de envasado en vidrio de forma anisotrópica es valioso debido a su versatilidad y al hecho de que el vidrio proporciona beneficios añadidos más allá de los cristales, como la homogeneidad y la flexibilidad de la composición.

Aplicaciones decoración

Al variar la composición y la duración del proceso, se puede producir una gama de colores mediante PVD sobre acero inoxidable. El producto de acero inoxidable coloreado resultante puede tener la apariencia de latón, bronce y otros metales o aleaciones. Este acero inoxidable coloreado mediante PVD se puede utilizar como revestimiento exterior de edificios y estructuras, como la escultura Vessel en la ciudad de Nueva York y el Bund en Shanghái. También se utiliza para herrajes, paneles y accesorios interiores, e incluso se utiliza en algunos productos electrónicos de consumo, como los acabados gris espacial y dorado del iPhone y el Apple Watch.

Herramientas de corte

El PVD se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste de las superficies de las herramientas de corte de acero y reducir el riesgo de adherencia y pegado entre las herramientas y una pieza de trabajo. Esto incluye herramientas utilizadas en el trabajo de metales o en el moldeo por inyección de plástico. El recubrimiento es típicamente una capa fina de cerámica de menos de 4 μm que tiene una dureza muy alta y una fricción baja. Es necesario que las piezas de trabajo tengan una dureza alta para garantizar la estabilidad dimensional del recubrimiento y evitar que se vuelvan quebradizas. Es posible combinar el PVD con un tratamiento de nitruración por plasma del acero para aumentar la capacidad de carga del recubrimiento. El nitruro de cromo (CrN), el nitruro de titanio (TiN) y el carbonitruro de titanio (TiCN) se pueden utilizar para el recubrimiento PVD de matrices de moldeo de plástico.

Otras aplicaciones

Los recubrimientos PVD se utilizan generalmente para mejorar la dureza, aumentar la resistencia al desgaste y evitar la oxidación. También se pueden utilizar con fines estéticos. Por lo tanto, estos recubrimientos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, como:

  • Industria aeroespacial
  • ironía arquitectónica, paneles y hojas
  • Industria automotriz
  • Dyes y moldes
  • Armas de fuego
  • Óptica
  • Relojes
  • Joyería
  • Aplicaciones de película fina (tabla de ventanilla, embalaje de alimentos, etc.)

Véase también

  • HPCVD – Técnica de deposición de suciedad
  • Deposición de vapor químico – Método utilizado para aplicar recubrimientos de superficie
  • Placa de hierro – Método de recubrimiento de superficies sólidas con iones
  • Deposición de suciedad – capa fina de material – Deposición de una capa delgada de material
  • Deposición asistida por haz de iones – Técnica de ingeniería de materiales

Referencias

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Más lectura

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