PVD Coating ( Physical Vapour Deposition )

PVD è l'acronimo di Physical Vapour Deposition. PACVD invece è l'acronimo di Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition PVD. Si tratta di tecnologie di coating basate sull'uso del plasma come veicolo di deposizione. Per evitare la reazione con l'aria atmosferica il processo avviene in particolari camere dove viene creato il vuoto e successivamente il plasma tramite Vaporizzazione o Sputtering.

Le tecniche di PVD per evaporazione mediante Arco presentano in genere molti vantaggi (buona adesione del coating, elevata velocità di deposizione) ed alcuni svantaggi come la formazione di 'gocce', che possono generare irregolarità sulla finitura superficiale del coating. E' possibile ridurre i fenomeni di 'gocciolamento' mediante raffreddamento dei target ed un controllo mirato dei movimenti tuttavia un coating ad Arco privo di difetti non sembra possibile. La tecnologia di deposizione Magnetron consente coating molto lisci, ma a causa del minore livello di ionizzazione rispetto all Arco genera strati di coating con densità minore accompagnati da più scarsa adesione ai substrati. Il Magnetron presenta inoltra velocità di deposizione più lenta rispetto all'Arco.

Evaporazione ad Arco

la storia del PVD nasce con la tecnologia di evaporazione dei metalli tramite arco elettrico, tecnologia questa che trae a sua volta origine dalla saldatura ad arco. Viene posto un target di metallo all'interno di una camera a vuoto. Una elevata scarica di corrente è fatta passare attraverso il target fino a che micoscopici frammenti (di qualche µm di diametro) vengono evaporati. Il movimento dell'arco può essere direzionato da magneti verso i pezzi da ricoprire, per esempio utensili o stampi. Esempi di coating sono TiN, AlTiN, AlCrN, TiSiN, TiCN, CrCN, CrN.
Pro :
Alte frequenze di deposizione (circa 1-3 µm/h).
Alta ionizzazione del plasma : buona adesione e coating densi.
Il target raffreddato genera poco calore sul substrato (processi di coating a T < 100°C).
I catodi possono essere posizionati sia in orizzontale che in verticale.
Contro :
Non è possibile depositare ossidi a causa della loro elevate temperature di evaporazione.
Irregolarità e difetti nel coating causate da gocce causato da elevate densità di corrente

Magnetron Sputtering

sputter technology
Il Magnetron Sputtering è una forma di PVD coating. Si tratta di un tipo di plasma coating nel senso che la formazione del plasma dalla superficie del target avviene grazie a bombardamento ionico. La camera a vuoto della macchina per PVD coating è riempita di gas inerte come per esempio Argon.Grazie all'applicazione di un alto voltaggio viene creata una scarica che genera una accelerazione di ioni verso il target. In genere si usano ioni di Argon che bombardano la superficie del target e ne rimuovono ioni che vengono indirizzati sulle superfici da ricoprire posizionate in prossimità del target. Caratteristica della tecnologia Magnetron è che il campo magnetico che guida il plasma è mantenuto in posizione frontale ortogonale rispetto al target per ottenere il massimo grado di bombardamento ionico
La tecnologia Reactive Sputtering prevede l'uso di un ulteriore gas come Azoto o acetilene che reagisce con il materiale espulso a formare coating molto duri, compatti, lisci e con notevoli scelte di colore. Queste caratteristiche rendono la tecnologia "Magnetron Sputtering" preferita sia in contesti di coating 'Tribologico' (per esempio CrN, Cr2N e varie combinazioni di DLC coating - Diamond Like Carbon Coating ) sia in applicazioni in ambito decorativo (Ti, Cr, Zr e Nitruri di Carbonio),
Pro :
Target raffreddato ad acqua. Poco calore generato sul substrato.
Quasi ogni materiale metallico può esser utilizzato senza pericolo di decomposizione.
E' possibile effettuare coating su materiali non conduttivi mediante radio frequenza (RF )
Eccellente uniformità degli strati deposti.
Non c'è formazione di gocce "droplets". Quindi nessuna irregolarità sulle superfici.
Sono possibili catodi di grossi dimensioni fino a 2000 mm e posizionarli in ogni direzione.
Contro :
deposizione lenta se paragonata alla deposizione ad Arco.
Bassa densità di plasma (5%).
Bassa adesione del coating e minore densità se confrontata con la tecnologia ad arco.

High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS+)

Coating HIPMS Rivestimenti densi e compatti senza difetti
Grado di deposizione paragonabile a tecnologia ad arco
Coating densi e chimicamente inerti
Coating lisci a livello atomico
Controllo della microstruttura
Potenza media : 20 kW
Potenza di picco fino a 3 MW
Potenza massima : 1500 V / 2000 A
Lunghezza di pulsazione   : 50-1500 ms

Da molti anni la tecnologia di coating HIPIMS ha dato prova di produrre coating densi e privi di difetti, solo in contesti di ricerca e sviluppo. Oggi Hauzer Techno Coating è riuscita a portare la HIPIMS technology in una dimensione industriale dando vita alla tecnologia HIPIMS+..
La tecnologia di coating HIPIMS+ è caratterizzata da una potenza media di 20 kW con una lunghezze di pulsazione di 50-1500 ms ed è in grado di fornire velocità di deposizione paragonabili a quello di tecnologie ad arco. Il controllo della microstruttura è perfettamente combinato ad una perfetta adesione alle superfici.
il risultato è un coating denso ed estremente liscio a livello atomico. La tecnologia HIPIMS+ è particolarmente indicata per il coating di tools e in applicazioni automotive. Il "Tool coatings" effettuato ad esempio con AlTiN o i "coating tribologici" come CrN sono più densi e lisci se effettuati con tecnologia HIPIMS+ ed il controllo della microstruttura è perfettamente combinato ad una perfetta adesione alle superfici.
La tecnologia HIPIMS+ è disponibile sulle macchine della serie Flexicoat® 850 e 1000, ma è anche possibile effettuare retrofitting su macchine Hauzer Flexicoat acquistate in precedenza.

Le tecniche di PVD per evaporazione mediante Arco presentano in genere molti vantaggi (come ad esempio buona adesione del coating, elevata velocità di deposizione) ed alcuni svantaggi come la formazione di 'gocce', che possono generare irregolarità della superficie del coating. Nonostante una riduzione di irregolarità sia possibile grazie ad un miglior cooling dei target ed un controllo dei movimenti dell'arco un coating completamente privo di difetti non sembra possibile. La tecnologia di deposizione Magnetron d'altro canto consente coating molto lisci, ma a causa del minore livello di ionizzazione rispetto all Arco genera strati di coating con densità minore accompagnati da più scarsa adesione ai substrati. Il Magnetron presenta inoltra velocità di deposizione molto più lenta rispatto all'arco.
Grazie alla tecnologia HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering , una specifica tecnologia di sputtering Magnetron) è stato provato che è possibile produrre coatings con superfici molto liscie, buona adesione microstruttura molto densa simile a quella ottenibile mediante evaporazione ad Arco. La qualità del coating HIPIMS è notevolmente migliorata per via di Plasma altamente ionizzati e che lavortano con densità di potenze superiori. Questa tecnologia può essere utilizzate efficacemente come pre-trattamento dei substrati prima della deposizione. HIPIMS è una tecnologia Magnetron sviluppata dalla Sheffield Hallan University in cooperazione con HAUZER e numerose altre entità industriali. HIPIMS utilizza brevi impulsi dell'ordine del MegaWatt sul catodo (lunghi fino a 200 µsec) with megawatt. Si tratta di potenze in giuoco superiori di molte centinaia ai convenzionali metodi di sputtering HAUZER ha voluto portare la tecnologia HIPIMS su scala industriale dando vita alla HIPIMS+.
HIPIMS+ utilizza impulsi più lunghi (fino a 3.0 msec) con potenza dell'ordine di centinaia di KW sul catodo.
Questo imprime una tale energia agli atomi che essi vengono proiettati dentro agli strati superficiali del substrato, danno luogo a coating densi aderenti e senza difetti superficiali.
Entrambe le tecnologie sono disponibili su macchine di generazione FLEXICOAT®, quindi è possibile scegliere il trattamento più adeguato in funzione dell'applicazione industriale.
I test hanno provato che coating di TiAlN (50:50) coating depositati con HIPIMS+ sono più lisci rispetto alle tecniche ad arco di almeno un fattore 10. Con HIPIMS+ inoltre si riesce ad ottenere un coating duro senza superare i limiti di stress residuo che invece viene introdotto con tecologie di evaporazione ad arco.Con HIPIMS+ infatti è possibile controllare durante il processo lo stress residuo pur mantenedo elevata durezza. Questo ovviamente porta a minore usura e migliori qualità tecniche degli strumenti ricoperti.  

Tecnologia

HIPIMS

HIPIMS+

Peak power 8 MW 360 kW
Voltage 2000 V 800 V
Current 4000 A 600 A
Max.pulse length 200 µs 3000 µs
Max.frequency 500 Hz 1000 Hz
Max.average power out 20 kW 20 kW
Arc detection < 500 ns < 800 ns
Pulse shape programming no si
Applicazioni e Coatings
coatings HIPIMS+ : TiN, TiAlN, TiCN, CrN, Cr2N.
applicazioni HIPIMS+ : stampi e punzoni, inserti di perforazione, inserti filettati, frese punte e filiere.
Extra Bias Supply.
sia HIPIMS che HIPIMS+ prevedono un sistema di localizzazione di Archi ed un metodo proprietario di protezione del coating in via di formazione sui substrati in corrispondenza dell'anodo. Il metodo prevede l'erogazione di energia in quantità tale da bilanciare e rendera costante la differenza di potenziale tra anodo e catodo durante le scariche di impulsi di potenza durante la deposizione. in questo modo la differenza di potenziale viene di fatto mantenuta costante. La tecnologia cosiddetta a Voltaggio Costante (CV) è molto importante per evitare fenomeni di scariche ad Arco che possono danneggiare il coating ed il substrato stesso. CV è un brevetto Sheffield Hallam University, Hauzer Techno Coating e Hüttinger Advanced Converters.
Ionizzazione potenziata.
Nella tecnologia HIPIMS le percentuale relativa di Ti+ e Ti++
è più alta se comparata con gli ioni Ar+ e Ar++ in una tecnologia DC o a pulsazione DC
In un plasma reattivo come quello di fugura 5 la proporzione fra N+ e N2+ è molto più elevata nella scarica HIPIMS ed è molto più reattiva. Nella macchina stessa questa ionizzazione del plasma HIPIMS+ è visibile come bagliore più diffuso e più denso al catodo (fig 6).
Elevata velocità di deposizione.
HIPIMS+ può offrire velocità di deposizione più elevati rispetto allo sputtering DC convenzionali, questo rende la tecnologia adatta ad impieghi industriali. In figura 7 un paragone fra 3 tecnologie UBM sputtering, Arc
evaporation e HIPIMS+ per il coating TiAlN.
Figure 6. Classic sputtering Ar, HIPIMS+ Ar, Classic sputtering Ar+N2, HIPIMS+ Ar+N2
Figure 7. Deposition speed comparison between UBM, Arc and HIPIMS+ for TiAlN coating
Molti coatings possibili.
sia HIPIMS che HIPIMS+ sono in grado di effettuare coating di diversa natura e spessore.
Per quanto rigurda il settore degli utensili da taglio il coating AlTiN prodotto con HIPIMS+ offre indiscussi vantaggi in paragone ai coatign ad arco. Inoltre spessi strati di AlTiN (6-8 µm) possono essere deposti per incrementare il ciclo di vita di inserti filettati. Il mercato "automotive" è sicuramente di riferimento per il coating tribologico di Cr2N e il coating di stampi e strumenti di formatura così come nel mercato dei coating decorativi.
HIPIMS+ Cr2N Coating
HAUZER ha recentemente una approfondita ricerche sul coating Nitruro di Cromo-2 (Cr2N), un coating molto utilizzato nell'industria automotive. Per questa ricerca è stata utilizzata una macchina FLEXICOAT 1000. La camera di questa macchina è abbastanza larga per accettare un volume di carico di 650 x 650 mm. I 2 catodi utilizzati sono stati mantenuti ad una temperatura costante di 250°C. Il tempo di deposizione è stato di 4 ore ed il voltaggio di bias a -100V.
La potenza di picco ai catodi è stata variata fra 7.4, 84, 137 e 208 W/cm2.
La potenza per catodo è stata di 14.5 kW mentre la potenza media di catodo per deposizioni DC è stato di 10 kW.
La potenza media è stata limitata a 10 kW per processi DC poichè la temperatura del substrato tende ad aumentare sopra 250°C ad elevate potenze.
11 spindles sono stati caricati con pezzi campione per simulare un pieno carico. Tutti i copatings depositati su 100mm di wafer di silicio e substrati di acciaio ad alta velocità.
Struttura Morfologica
la composizione di tutti i coatings depositati mostra percentuali prossime a quelle stechiometriche del composto chimico Cr2N. La percentuale di Cromo è infatti del 62-64% mentre l'azoto varia dal 36 al 38 percento.
Productivity Advantages in Component Coating
Cr2N coating è di solito deposto mediante tecniche di "unbalanced magnetron
sputtering", ma HIPIMS+ fornisce significativi vantaggi tecnologici.
Per esempio l'incremento nella velocità di deposizione di Cr2N va dal 30% al 50%
Il tempo di deposizione medio per sistemi commerciali DC (con stessi diamteri rispetto al Flexicoat® 1000) è di 6 ore contro le 4 ore della macchina Flexicoat® 1000. IL motivo di questo è dovuto anche al fatto che la corrente di BIAS sul substrato nel caso DC è 3 volte maggiore rispetto al HIPIMS+. Un elevata corrente di bias è in stretta relazione con un innalzamento della temperatura del substrato, fattore questo che limita la velocità di deposizione.
Cr2N coating sono utilizzati nei componenti dei motori per ridurre gli attriti e i coefficienti di frizione. Le parti dei motori in genere perdono la loro durezza di tempra a tenmperature relativamente basse 150-200°C, il che limita fortemente la temperatura nei processi di deposizione. Deposizioni standard di coating tribologici Cr2N
è la tecnica Closed Field Direct Current Unbalanced Magnetron Sputtering (UBM).
La finestra di deposizione del Cr2N è abbastanza ristretta poichè da un lato solo una piccola percentuale di materiale del target è ionizzato e quindi solo gli ioni di Argon sono disponibili per rendere più denso il film.
Quindi elevati livelli di bombardamento di ioni di Argon sono necessari per far accrescere coating densi e duri
Quindi la velocità di deposizione è limitata dal riscaldamento del substrato piuttosto che dalla potenza di input sul catodo.
HIPIMS+ prevede elavata ionizzazione del target e quindi elevata concentrazione di ioni metallici presente nel flusso di metallizzazione. Quindi le condizioni di coating si fanno migliori ed è possibile esrecitare un maggior controllo sullo stress del film, sulla struttura meccanica durante il processo. Inoltre lo stress termico del substrato è notevolemte diminuito poichè un bombardamento di Argon ionico di minore entità è richiesto per avere giusti spessori di film mentre viene creata un amaggiore quantità di ioni di gas reattivo. Ulteriore vantaggio nei costi di produzione si ottiene grazie ad un consumo più uniforme del target. Nel caso DC UBM il Magnetron deve necessariamente essere molto sbilanciato per ottenere una alta densità di plasma. Questo sbilanciamento porta ad un consumo fortemente localizzato della superficioe del target (si creano dei veri e proprio solchi nel target) mentre nel caso della tecnologia HIPIMS+ il consumo del target è pressochè uniforme su tutta la sua superficie.


Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition PACVD

PACVD è l'acronimo di Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition. anche denominato PECVD dove la E in questo caso sta per Enhanced. Mentre nel processo PVD i materiali sono evaporati partendo dalla forma solida, nella PACVD i coating sono il risultato del 'cracking di opportuni gas. Per esempio nel caso di coating DLC Diamond Like Carbon vengono scisse molecole di acetilene (C 2 H 2 ) o nel caso di coating a base di silicio viene utilizzato il gas HMDSO (hexa-methyl-disiloxan). DLC coating
è un esempio di PACVD utilizzato prevalentemente nei coating tribologici laddove è necessario avere componenti molto resistenti all'usura e con superfici che abbiano un bassissimo attrito. Oppure può essere impiegato nel coating di stampi , per l'industria delle iniezioni plastiche grazie alla sua caratteristica proprietà di avere basso coaefficiente di adesione .


PACVD : DLC (Diamond Like carbon) Coating Technology

Coating DLC Tipico esempio di coating tecnico di tipo Plasma Assisted Chemical Vapour deposition è il coating DLC o Diamond Like Carbon.
Coatings di tipo DLC sono spesso applicati sulle superfici di parti e componenti di motori per ridurre al massimo l'attrito delle superfici e prevenirne l'usura (tribologia).
Il colore nero dei DLC lo rende anche frequentemente utilizzato come coating decorativo di orologi o altri oggetti di moda ( decorative coating). Negli utensili (tool applications) il DLC coatings è anche utilizzato oltre che per il basso coefficiente di attrito anche per le sue proprietà antiaderenti. Questo ultimo aspetto rende il DLC il coating tecnico di elezione negli stampi e nei punzoni di alluminio utilizzati nell'industria dello stampaggio di materie plastiche. Esistono diversi tipi di DLC coating applicati sia con tecnologia PVD sia con tecnologia PACVD in funzione del materiale, come nella tabella di seguito riportata.
DLC Coating
Technology 
Industrial Use 
Mass Production
 Metal-doped DLC (WC-C:H) PVD / PACVD +++   +++ 
 Amorphous Hydrogenated DLC (a-C:H) PACVD +++   +++
 Silicon-doped DLC (a-C:H-Si) PACVD +++   +
 Sputtered DLC (a-C) PVD sputtering  +++   +++
 Hydrogen-free DLC (ta-C) PVD arc evaporation ++   +

Tools Coating

NOTE:
1) I valori di spessore sono per applicazioni standard. Altri spessori sono disponibili in funzione della specifica applicazione
2) Nelle macchine Hauzer Flexicoat ® la temperatura di processo può essere controllata e pilotata al di sotto della massima temperatura possibile definita nella tabella
Tipo di
coating
Micro
hardness
0.025
Spess.
µm
Friction Coeff.vs Al2O3 (a secco) Temp. depos.
(C°)
Temp.Max esercizio
(C°)
Tecnologia. Flexicoat®


TiN Coating 2500 1-6 0.7 < 600 600 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
AlTiN Coating 2500-3500 1-6 0.4 < 600 900 ACA /CARC / HIPIMS+ F850 F1000 F1200
F1500
AlTiN +
W-C:H
2000-2500 1-6 0.2 150-450 450 HYBRID F850 F1000 F1200
F1500
AlTiN + Al2O3 2300 2-4 450-600 1100 HYBRID / DMS F850 F1000 F1200
AlCrN Coating 3000 1-10 0.35 < 600 1100 ACA / CARC / HIPIMS+ F850, F1000 F1200
TiSiN Coating 3500 1-3 0.5 < 600 1500 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
TiCN Coating  3000 1-4 0.4 < 600 600 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
TiAlN Coating 2500-3500 1-6 0.4 < 600 800 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
TiN/TiAlN (Multilayer) 2500-3500 1-6 0.4 < 600 800 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
CrCN Coating 2000-2200 1-4 0.4 450 600 ACA /CARC F850 F1000 F1200
F1500
CrN+W-C:H 2000-2500 1-6 0.2 150-450 450 HYBRID / UBM F850 F1000 F1200
F1500
CrN Coating 1500-2500 1-30 0.5 150-450 700 ACA / CARC/ UBM / HIPIMS+ F850 F1000 F1200
F1500
Cr2N Coating 1500-3000 1-5 0.5 200-600 700 UBM / HIPIMS+ F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H 1200-2000 1-5  0.1-0.2 160-300    400 UBM F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ DLC coating
2000-4000 1-3  0.05-0.15  160-300  350 UBM / UBM + PACVD F850 F1000 F1200
F1500
CrN+W-C:H
+ DLC coating
2000-4000   1-3  0.05-0.15  160-300  350 UBM / UBM + PACVD F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ Si-DLC
1500-2500    1-5  0.02-0.1  160-300  450 UBM + PACVD F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ ta-C
4000-7000  1-3   0.05-0.15  80-200  300 CARC / LAM F850, F1000

Tribology Coating

NOTE:
1) I valori di spessore sono per applicazioni standard. Altri spessori sono disponibili in funzione della specifica applicazione
2) Nelle macchine Hauzer Flexicoat ® la temperatura di processo può essere controllata e pilotata al di sotto della massima temperatura possibile definita nella tabella
Tipo di
coating
Micro
hardness
0.025
Spess.
µm
Friction Coeff.vs Al2O3 (a secco) Temp. depos.
(C°)
Temp.Max esercizio
(C°)
Tecnologia. Flexicoat®


CrN+W-C:H 2000-2500 1-6 0.2 150
450
450 HYBRID
UBM
F850 F1000 F1200
F1500
CrN Coating 1500-2500 1-30 0.5 150
450
700 ACA CARC UBM HIPIMS+ F850 F1000 F1200
F1500
Cr2N Coating 1500-3000 1-5 0.5 200
600
700 UBM HIPIMS+ F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H 1200-2000 1-5 0.1
0.2
160
300  
 400 UBM F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ DLC coating
2000-4000 1-3 0.05
0.15
160
300
 350 UBM
UBM + PACVD
F850 F1000 F1200
F1500
CrN+W-C:H
+ DLC coating
2000-4000   1-3 0.05
0.15
160
300
 350 UBM
UBM + PACVD
F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ Si-DLC
1500-2500    1-5 0.02-0.1 160
300
 450 UBM + PACVD F850 F1000 F1200
F1500
Cr+W-C:H
+ ta-C
4000-7000  1-3   0.05-0.15 80
200
 300 CARC LAM F850
F1000

Decorative Coating

NOTE:
1) I valori di spessore sono per applicazioni standard. Altri spessori sono disponibili in funzione della specifica applicazione
2) Nelle macchine Hauzer Flexicoat ® la temperatura di processo può essere controllata e pilotata al di sotto della massima temperatura possibile definita nella tabella

Tipo di
coating
Micro
hardness
0.025
Spess.
µm
Friction Coeff.vs Al2O3 (a secco) Temp. depos.
(C°)
Temp.Max esercizio
(C°)
Tecnologia. Flexicoat®


Ti / Cr / Zr Carbon Nitrides Numerose colorazioni disponibili compreso
bronzo lucido, nickel, acciaio, nero e oro
ACA F850 F1000 F1200
F1500
Ti / Cr / Zr Carbon Nitrides Numerose colorazioni disponibili compreso
bronzo lucido, nickel, acciaio, nero e oro con ampia gamma di tonalità (anche su bassi spessori )
UBM F850 F1000 F1200
F1500
Multilayer Coating Numerosi coating di base TiN, CrN, DLC fino a massima durezza >650 HV su substrati teneri .
Alto grado di lucentezza anche su spessori più elevati
UBM / PACVD / ACA F850 F1000 F1200
F1500