Como escolher materiais de película fina para aplicações PVD

O desempenho dos revestimentos PVD é uma função não só do equipamento e dos processos, mas também da qualidade e das caraterísticas dos materiais de entrada. Embora os engenheiros de processos PVD se possam concentrar em variáveis como a pressão de base, a formação de plasma, a inclinação do substrato, etc., o revestimento final também depende da qualidade de todas as fontes de entrada. Por mais limpo que seja o seu sistema ou por mais perfeitas que sejam as suas taxas de fluxo de gás, os materiais inferiores degradarão o desempenho.

Para OEMs, engenheiros ou compradores de materiais, o fornecimento de alvos PVD é um passo altamente estratégico que deve considerar a repetibilidade do revestimento, a aplicabilidade do material aos revestimentos que estão a ser aplicados e a fiabilidade do processo a longo prazo. Este guia procura enquadrar as coisas de forma a ajudar a compreender a compatibilidade das estruturas dos materiais, os métodos de deposição e as capacidades do fornecedor para garantir janelas de processo consistentes e sem defeitos.

O que os materiais-alvo de PVD precisam de satisfazer para diferentes aplicações de película fina

A seleção de materiais para revestimentos de película fina por PVD deve começar com os requisitos da aplicação, os substratos a revestir e os revestimentos-alvo, e não com o preço ou outros factores. As diferentes aplicações de revestimento por PVD têm requisitos drasticamente diferentes:

• Revestimentos ópticos: Requerem índices de refração específicos para modificar a reflexão e a transmissão da luz.
• Revestimentos estéticos: Muitas vezes, dependem de condições de plasma cuidadosamente controladas para atingir a cor desejada, sendo também selecionados para durabilidade da superfície e resistência a riscos.
• Eletrónica: Requerem frequentemente um controlo rigoroso das propriedades eléctricas, da pureza da película e da condutividade, dependendo da arquitetura do dispositivo.

Os materiais alvo de PVD que compra devem ser selecionados em função desses requisitos, quer a prioridade seja a resistência à corrosão, a resistência ao desgaste, a baixa fricção ou outro objetivo de desempenho.

Materiais de alvo de pulverização versus materiais de evaporação para PVD - Qual deles funciona com o seu sistema?

Antes de começar a considerar a química, deve validar a compatibilidade do processo. Existem dois tipos principais de deposição física e cada um requer materiais completamente diferentes com base nas suas rotas de vaporização:

Alvos de pulverização catódica

As vantagens da pulverização catódica consistem no facto de a fase sólida ser convertida em vapor não por aquecimento, mas sim através de um bombardeamento de plasma energético que desloca fisicamente os átomos da superfície. Isto funciona bem para materiais complexos ou com altos pontos de fusão. A pulverização catódica é frequentemente selecionada quando são importantes películas densas, boa uniformidade e forte adesão, como em aplicações ópticas ou de semicondutores.

Materiais de evaporação

A evaporação térmica ou e-beam é o que parece, e permite a evaporação de camadas de metalização simples ou de camadas de maior rendimento. Estes revestimentos têm uma taxa de deposição mais elevada, mas uma energia mais baixa e uma densidade moderada em comparação com as películas pulverizadas.

Como a pureza, a densidade e a estrutura cristalina afectam os resultados do revestimento

Existem caraterísticas técnicas nos materiais de origem que colocam um limite máximo na forma como o revestimento se comporta a jusante. Para ser repetível na produção, é necessário compreender quatro propriedades fundamentais das matérias-primas:

Pureza: A pureza estabelece a base para o funcionamento, e a má qualidade acaba por tornar os revestimentos mais defeituosos. Os contaminantes tendem a ser pontos de falha física no revestimento durante o processo de PVD. Por exemplo, as impurezas indesejadas em alvos metálicos podem afetar a adesão da película, o desempenho elétrico ou a fiabilidade do dispositivo a jusante. Os contaminantes metálicos alteram a resistência dos revestimentos. Nos materiais de qualidade para semicondutores, o controlo das impurezas deve ser extremamente rigoroso, uma vez que os vestígios de contaminantes podem afetar o desempenho do dispositivo e a fiabilidade a longo prazo.

Densidade: A densidade governa a estabilidade do processo de deposição. Os alvos têm frequentemente uma densidade ≥98% da densidade teórica. Os materiais porosos de baixa densidade retêm gases, provocando a sua libertação durante a deposição, o que causa problemas como arcos (descargas eléctricas que disparam macro partículas para a superfície, causando defeitos).

Estrutura do grão: O tamanho e a orientação dos grãos na superfície do alvo afectam a uniformidade da erosão. O tamanho e a uniformidade dos grãos podem influenciar o comportamento da erosão e a consistência da pulverização catódica, enquanto as microestruturas grosseiras ou irregulares podem contribuir para um desgaste menos uniforme do alvo.

Repetibilidade: Os alvos que sofrem variação de densidade e têm populações de grãos não consistentes pulverizarão de forma desigual, causando variações imprevisíveis na espessura do revestimento que prejudicam o rendimento em execuções repetidas.

Porque é que os materiais de revestimento PVD não são intermutáveis

O tratamento incorreto dos materiais de entrada como genéricos fará com que os modos de falha do revestimento proliferem de forma ineficaz. Diferentes ambientes de revestimento requerem diferentes espaços químicos e é fundamental reconhecer este facto como um ponto de decisão.

Materiais do sistema de revestimento e revestimentos de desgaste: Os ambientes tribológicos requerem frequentemente revestimentos que reduzam a fricção e melhorem a durabilidade da superfície. Os revestimentos como o ta-C (carbono amorfo tetraédrico) são valorizados pela sua dureza muito elevada, baixa fricção e forte resistência ao desgaste em aplicações exigentes.

Eletrónica e ambientes condutores: As disposições condutoras requerem uma variedade de compromissos - o Al é quase universalmente utilizado para interligações devido à estabilidade térmica e ao baixo custo, mas o Au é necessário quando os materiais de ligação de fios requerem resistência à oxidação e o Cr é selecionado quando a dureza e a resistência à corrosão são mais importantes do que a condutividade.

Revestimentos ópticos: A utilização de revestimentos transmissivos e reflectores exige a exploração da interferência de películas finas em lentes para reduzir a reflexão da luz, o que requer dieléctricos altamente transparentes e materiais óxidos (TiO2, ZnO, etc.) com índices de refração específicos. A espessura do revestimento destes elementos evaporados é controlada para manipular a reflexão e a transmissão da luz.

Revestimentos energéticos e outros revestimentos industriais especializados: Os revestimentos solares requerem frequentemente uma combinação de transparência, condutividade e objectivos de eficiência específicos da aplicação. Materiais como o ITO são amplamente utilizados em camadas condutoras transparentes, enquanto sistemas como o CIGS continuam a ser utilizados em aplicações solares de película fina de elevado desempenho. Tal como acontece com outras categorias de revestimento, os requisitos de funcionamento do mundo real devem orientar a seleção do material alvo.

O que procurar num fornecedor de materiais de película fina

Uma vez identificada a composição química correta, os potenciais fornecedores devem ser avaliados em mais do que apenas o nome do material e o preço. É necessário garantir que o fornecedor possui sistemas de garantia de qualidade sólidos e documentação de apoio e, quando trabalha com conjuntos ligados, que são utilizados testes e inspecções adequados para verificar a integridade da ligação.

Também é necessário compreender a sua capacidade personalizada e a sua carteira de produtos - oferecem tamanho de grão optimizado? Orientações cristalográficas? Tamanhos personalizados? Tempo de resposta? E suporte técnico? É necessário muito disto para garantir a produção contínua e a fiabilidade. Mesmo quando a categoria correta de material é selecionada, descobrirá que os resultados dependem de trabalhar com um fornecedor de materiais de película fina de alta qualidade que é capaz de oferecer especificações consistentes, necessidades personalizadas e ajuda a ligar os pontos com os requisitos do processo PVD.

Erros cometidos na seleção de materiais PVD

O fornecimento de materiais de entrada incorrectos pode estrangular o seu processo PVD. Aqui estão 5 erros principais que devem ser evitados:

1. Aquisição apenas pelo preço e ignorando as falhas de densidade. Os materiais de menor custo podem nem sempre cumprir a densidade e a consistência estrutural necessárias para uma pulverização estável, o que pode levar a um desgaste mais rápido do alvo e a uma produção menos fiável.
2. Ignorar os requisitos de pureza. A não exclusão de elementos em níveis analíticos de partes por bilião pode arruinar os sistemas de revestimento ótico com impurezas indesejadas, como o Fe, que de outra forma causariam modos de falha.
3. Não verificação da compatibilidade dos métodos de deposição. As propriedades do material precisam de ser adaptadas ao equipamento que está a ser utilizado. Por exemplo, os materiais cerâmicos e isolantes requerem frequentemente configurações de pulverização diferentes das dos metais condutores, e o comportamento térmico deve ser considerado ao selecionar o alvo e o processo.
4. Não ter em conta as necessidades de desempenho específicas da aplicação. Utilizar geometrias predefinidas para materiais ferromagnéticos como Fe ou Ni em vez de formas personalizadas que perturbam o fluxo magnético necessário para sustentar o plasma em ferramentas especializadas.
5. Não efetuar o controlo de qualidade dos fornecedores antes da encomenda. As pequenas etapas evitadas criam grandes riscos de falha mecânica devido à difusão atómica nas camadas de ligação, etc.

Considerações finais sobre materiais de revestimento PVD

É importante lembrar que o sucesso do revestimento PVD requer a seleção dos materiais certos para corresponder à aplicação estrutural e ao processo de deposição física. A operação sem defeitos depende do equilíbrio entre os requisitos do material e as necessidades do processo e do trabalho com um fornecedor aprovado que possa suportar um desempenho consistente a jusante.