CN111364004A - 一种碳膜沉积装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳膜沉积装置，包括：真空腔室、设置于真空腔室顶部的抽真空装置、设置于真空腔室一侧的磁过滤装置，真空腔室与磁过滤装置相对的一侧设有进气口。磁过滤装置包括磁过滤弯管、与磁过滤弯管连通的磁过滤直管、设置在磁过滤弯管外侧的聚焦磁场、设置在磁过滤直管外侧高频磁场。磁过滤弯管与磁过滤直管以第一预定角度耦合；磁过滤直管与第一阳极筒连接，第一阳极筒外套设有第一阴极套；磁过滤弯管与第二阳极筒连接，第二阳极筒外套设有第二阴极套；第二阴极套内的第二阴极材料为碳。本发明的碳膜沉积装置的磁过滤直管与磁过滤弯管耦合，沉积的碳膜内应力小，几乎无碳颗粒，膜层硬度高。

Description

一种碳膜沉积装置

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，具体地说是一种在PCB刀具上沉积碳膜的沉积装置。

背景技术

近年，PCB产业的高速发展不仅导致了硬质合金微型工具产量的迅速增加也对PCB加工用微型工具的性能提出了更高的要求，尤其是使用寿命的要求。PCB板由多层铜箔布线、玻璃纤维以及环氧树脂构成，对PCB板进行高速加工的过程中，高硬度的玻璃纤维会造成硬质合金微型工具的快速磨损，处于高温状态的树脂也会对硬质合金中的粘结相Co形成强烈的化学腐蚀。因此，由硬质合金材料制成的微型工具在加工PCB板时的寿命很短，为了满足加工过程的精度要求，需要频繁地更换工具。国内外的PCB微型工具产商都迫切希望能够开发出耐磨性、耐蚀性能更好，使用寿命更长的PCB用微型刀具。

其中，PCB刀具的涂层问题是一个重要的世界性难题，PCB刀具由于钻头尺寸小(最小尺寸达到0.02mm)、微米级加工精度的要求、钻机转速高(最高达30万转/分钟)、加工材料化学腐蚀性强等特点，使得PCB刀具的涂层成为限制PCB刀具发展的难题，难以满足市场对于PCB刀具的性能要求。

提供一种碳膜沉积装置，在PCB刀具表面能够沉降得到性能满足PCB刀具的镀层、延长PCB刀具的寿命是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的目的是提供一种用于PCB刀具镀层的碳膜沉积装置，该装置将磁过滤弯管与磁过滤直管耦合设置能够在PCB刀具上沉积出高结合强度、高硬度的超厚碳膜，同时本申请的碳膜沉积装置能够同时处理大批量PCB刀具，降低成本。

根据本发明的一个方面，公开了一种碳膜沉积装置，包括：真空腔室、设置于真空腔室顶部用于提供真空腔室真空的抽真空装置、设置于真空腔室一侧与真空腔室连通的磁过滤装置；真空腔室与磁过滤装置相对的一侧设有向真空腔室喷入反应气体的进气口；磁过滤装置包括磁过滤弯管、与磁过滤弯管连通的磁过滤直管、聚焦磁场以及高频磁场；其中，磁过滤弯管与磁过滤直管以第一预定角度耦合；聚焦磁场临近磁过滤装置与真空腔室的连通出口设置，高频磁场临近磁过滤弯管与磁过滤直管的耦合处设置；磁过滤直管与第一阳极筒连接，第一阳极筒外套设有第一阴极套；磁过滤弯管与第二阳极筒连接，第二阳极筒外套设有第二阴极套；第二阴极套内的第二阴极材料为碳。

可选择地，磁过滤装置还包括设置在磁过滤弯管外侧的弯管磁场以及设置在磁过滤直管外侧的脉冲发生器。

可选择地，磁过滤弯管内部设有钨丝，在沉积过程中，钨丝发射电子作用于磁过滤弯管内的碳原子使其离子化。

可选择地，钨丝与磁过滤弯管异电位，钨丝为螺旋结构并沿着磁过滤弯管的弯曲方向弯曲设置。

可选择地，磁过滤弯管以第二预定角度弯曲。

可选择地，磁过滤弯管内部的弯曲处设置有沿着磁过滤弯管的弯曲方向纵向排列的至少一组挡板组；挡板组设置于磁过滤弯管的外圈内壁向第二阴极套方向延伸。

可选择地，挡板组包括多个挡板条，挡板组的上、下两条挡板条与第二阴极套的中心点连线的交角为第三预定角度。

可选择地，磁过滤弯管与磁过滤直管的耦合处设置有颗粒收集槽。

可选择地，真空腔室内设有支撑杆以及设置于支撑杆上的样品台，样品台与支撑杆以第四预定角度连接，第四预定角度可调节。

可选择地，样品台和支撑杆旋转连接。

本发明的碳膜沉积装置的磁过滤装置包括耦合设置的磁过滤弯管和磁过滤弯管，在弯管磁场的作用下来自磁过滤弯管和磁过滤直管的等离子体能够充分混合，在刀具基材表面沉积得到均匀稳定的膜。本申请发明人通过研究发现，磁过滤直管和磁过滤弯管的耦合角度影响沉积效果，磁过滤弯管和磁过滤弯管的耦合角度为30-90°沉积效果最好，沉积的膜结合力好、致密均匀、硬度高。耦合角度小于30°来自两个过滤管的等离子体束接近于平行束，很难实现有效的碰撞和混合，沉积的膜与基材的结合力差；耦合角度大于90°是来自两个过滤管的等离子体束发生碰撞的几率过大，大大损失了等离子体的传输效率，影响镀膜效率和制备成本。

其中，磁过滤弯管以90-180°的角度弯曲，弯曲角度可在90-180°之间调节，根据沉积要求任意选择，本申请发明人发现磁过滤弯管的弯曲角度对沉积效果影响较大，在弯管角度小于90°时沉积得到的膜表面不平整、较为粗糙、难以进行工业加工，且沉积的膜表面硬度也无法满足工业要求。弯管角度大于180°时又伴随着沉积效率低，沉积时间太长造成生产成本的大幅提高。因此本申请将磁过滤弯管的角度设为90-180°，提高沉积效率，降低生产成本。优选地，过滤弯管的角度设为120-150°，此角度沉淀的膜致密均匀、内应力小，几乎无碳颗粒，膜层硬度高。

本发明的碳膜沉积装置在磁过滤弯管内设置发射电流的钨丝，钨丝发射的电子作用于磁过滤弯管中的碳原子，碳原子在电子作用下转化为碳离子，钨丝可提升磁过滤弯管中的碳离子数目10-20％。本申请发明人发现，在磁过滤弯管中的钨丝为沿着磁过滤弯管的弯曲方向设置的螺旋钨丝，与磁过滤弯管异电位异电位时，沉积的膜层性能最好，致密均匀、硬度高、与基材的结合性好。

磁过滤弯管发射的等离子体多数集中于弯管中心处，部分存在于弯管侧面，本发明的碳膜沉积装置在磁过滤弯管的弯曲处设置有挡板条以降低磁过滤弯管发射的碳离子的引出，加快成膜效率。本申请发明人发现，挡板条的上下两挡板条与碳阴极靶中心连线的交角为0-30°时能使处于磁过滤弯管侧壁的碳离子落到挡板条内，达到降低碳离子引出的效果。优选地，挡板条的上下两挡板条与碳阴极靶中心连线的交角为15-30°的防止引出效果最好。挡板条的长度为10-25mm时能够有效防止碳离子引出，且此长度的挡板条不影响碳离子向真空室沉积。

本发明的在磁过滤装置的磁过滤弯管和磁过滤弯管的耦合处设置有颗粒收集装置以避免碳颗粒的引出，进一步提高沉积效率降低生产成本。优选地，颗粒收集装置的长度10～15mm，能够有效降低磁过滤弯管所需的弯转角度，使得磁过滤弯管在直管辅助下能够有效提高沉积效率，沉积速度速度约为传统的磁过滤沉积结构的1-2倍，有效降低生产成本。

本发明的碳膜沉积装置的磁过滤直管与磁过滤弯管耦合，沉积的碳膜内应力小，几乎无碳颗粒，膜层硬度高；磁过滤弯管中设置有钨丝将碳原子离子化进而大幅提高磁过滤弯管中碳离子的数量，通过控制钨丝的电流还可实现对离子束流的控制，进而控制碳离子的沉积过程。使得本发明的碳膜沉积装置沉积PCB刀具在PCB刀具上沉积的碳膜的硬度、高温硬度、韧性、抗氧化性、化学稳定性、硬质材料、工件的磨擦系数和磨损率、涂层的结合强度、导热系数均能达到PCB刀具要求。

本发明的碳膜沉积装置的磁过滤直管与磁过滤弯管耦合、在磁过滤弯管中设置钨丝、在磁过滤弯管的转角处设置挡板条、设置碳颗粒收集槽，可实现小角度的干净过滤，其沉积碳膜的重复性和稳定性比传统方式更强。

本发明的碳膜沉积装置沉积的碳膜，具有成本低、耐磨性好、耐腐蚀性强等特点；本发明碳膜在PCB刀具特别是微型刀具方面有着重要的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例中碳膜沉积装置的结构示意图；

图2是实施例中碳膜沉积装置的挡板组的布置图。

附图标记：真空腔室101、旋转工装102、样品台104、聚焦磁场105、收集槽106、高频磁场107、磁过滤直管108、脉冲线包109、第一阳极筒110、第一阴极套111、磁过滤弯管112、挡板条113、钨丝114、弯管磁场115、第二阳极筒116、第二阴极套117、抽真空装置118、进气口119、磁过滤弯管的连通出口120。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，一种碳膜沉积装置，包括：真空腔室101、设置于真空腔室101顶部用于提供真空腔室101真空的抽真空装置118、设置于真空腔室101一侧与真空腔室101连通的磁过滤装置；真空腔室101与磁过滤装置相对的一侧设有向真空腔室101喷入反应气体的进气口119。磁过滤装置包括磁过滤弯管112、与磁过滤弯管112耦合连通的磁过滤直管108、聚焦磁场105、高频磁场107。聚焦磁场105临近磁过滤装置与真空腔室101的连通出口120处设置，高频磁场107临近磁过滤弯管112与磁过滤弯管112的耦合处设置。其中，磁过滤弯管112与磁过滤直管108以第一预定角度耦合；第一预定角度为30-90°。

磁过滤直管108与第一阳极筒110连接，第一阳极筒110外套设有第一阴极套111；在实际应用过程中，第一阴极套111内的第一阴极材料根据沉积需求设置为可沉积的金属材料，例如第一阴极材料可以为钛，磁过滤直管108的起弧电流为10-120A。磁过滤弯管112与第二阳极筒116连接，第二阳极筒116外套设有第二阴极套117；第二阴极套117内的第二阴极材料为碳。第二阴极套117内的第二阴极材料为碳，磁过滤弯管112的起弧电流为10-120A。

其中，磁过滤装置还包括弯管磁场115以及脉冲发生器109。弯管磁场115靠近磁过滤弯管112与第二阳极筒116的连接处设置在磁过滤弯管112侧面，脉冲发生器109靠近磁过滤直管108与第一阳极筒连接处设置在磁过滤直管108外侧。

脉冲发生器109的电流为0-3A，频率为1-100Hz，脉冲发生器109作用于第一阴极套111，引出第一阴极套111内的第一阴极材料形成的金属等离子体束，金属等离子体束通过磁过滤直管108沉积得到金属膜层。其中，脉冲发生器109能够控制第一阴极材料的阴极表面弧斑运动，实现第一阴极套111内的金属靶材的均匀消耗。

弯管磁场115的磁场强度为0-2A，弯管磁场115用于引出磁过滤弯管112的第二阴极套117中的碳等离子体，通过磁过滤弯管112沉积得到碳膜层。

聚焦磁场105的电流为0-5A，在脉冲发生器109和弯管磁场115同时工作时，聚焦磁场105作用于碳等离子体和金属等离子体使其充分混合进而将碳等离子体和金属等离子体共同沉积得到金属碳化物膜。

高频磁场107的电流为0-100A，频率100-1kHz，高频磁场107对磁过滤直管108形成的金属等离子体进行脉冲压缩，避免与发生弯管磁场115干扰。

如图1所示，磁过滤弯管112内部设有钨丝114，在沉积过程中，钨丝114发射电子作用于磁过滤弯管112内的碳原子使其离子化。更优选地，钨丝114与磁过滤弯管108异电位，钨丝114为螺旋结构并沿着磁过滤弯管112的弯曲方向弯曲设置。在此条件下，钨丝114发射电子磁过滤弯管118内的碳离子数可提高10-20％，能够有效提高碳膜沉积效率。在实际操作过程中，钨丝114的长度为300-1000mm，在此条件下沉积得到的碳膜致密均匀、硬度高、与基材的结合性好。其中，钨丝与外接电源连通，钨丝通电即可发射电子束。

磁过滤弯管112以第二预定角度弯曲，第二预定角度可调节。其中，第二预定角度为90～180°，优选地，第二预定角度为120～150°。优选地，钨丝114以第二预定角度弯曲。

如图1、2所示，磁过滤弯管112内部的弯曲处设置有沿着磁过滤弯管112的弯曲方向纵向排列的至少一组挡板组；挡板组设置于磁过滤弯管112的外圈内壁向第二阴极套117方向延伸；挡板组包括多个挡板条113，挡板组的上、下两条挡板条113与第二阴极套117的中心点连线的交角为第三预定角度。优选地，第三预定角度小于30°，更优选地，第三预定角度为15～30°。再此条件下，有助于磁过滤弯管112发射的碳离子的引出，碳离子沉积到真空腔室101内形成碳膜层，能够有效加快成膜效率。作为一种非限制实施方式，挡板组包括沿着磁过滤弯管112的弯曲方向纵向排列的2～10个挡板条113。挡板组中挡板条113的排列间距为5～30mm。

作为一种优选的实施方式，磁过滤弯管112与磁过滤直管108的耦合处设置有颗粒收集槽106。颗粒收集装置的长度106为10～15mm，设置颗粒收集槽106能够有效降低磁过滤弯管112所需的弯转角度，同样的弯转角度下，沉积速度速度约为传统的磁过滤沉积结构的1-2倍。

真空腔室101内设有支撑杆102以及设置于支撑杆102上的样品台104，样品台104与支撑杆102以第四预定角度连接，第四预定角度可调节。优选地，第四预定角度为30-48°，在此条件下，来自磁过滤装置的离子沉积在样品台104上的工件上，在工件上沉积出的涂层均匀，涂层硬度高、耐摩擦、摩擦系数能够满足PCB刀具的要求。

优选地，样品台104和支撑杆102旋转连接。在此条件下，样品台104以支撑杆102为轴旋转，来自磁过滤装置的沉淀离子在工件表面形成的膜层更加均匀。例如在实际应用过程中可根据需求，将样品台104的旋转速度设定为0-16r/min。

本发明的碳膜沉积装置，通过调节各磁场的电流和频率，可通过磁过滤直管108向真空室101镀金属膜层、磁过滤直管112向真空室101度碳膜层、磁过滤直管108与磁过滤直管112协同向真空室101内镀金属碳化物膜层。

本发明的碳膜沉积装置沉积的碳膜，具有成本低、耐磨性好、耐腐蚀性强等特点；可实现小角度的干净过滤，其沉积碳膜的重复性和稳定性比传统方式更强。

最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种碳膜沉积装置，其特征在于，包括：真空腔室(101)、设置于所述真空腔室(101)顶部用于提供所述真空腔室(101)真空的抽真空装置(118)、设置于所述真空腔室(101)一侧与所述真空腔室(101)连通的磁过滤装置；

所述真空腔室(101)与所述磁过滤装置相对的一侧设有向所述真空腔室(101)喷入反应气体的进气口(119)；

所述磁过滤装置包括磁过滤弯管(112)、与所述磁过滤弯管(112)连通的磁过滤直管(108)、聚焦磁场(105)以及高频磁场(107)；其中，所述磁过滤弯管(112)与所述磁过滤直管(108)以第一预定角度耦合；所述聚焦磁场(105)临近所述磁过滤装置与所述真空腔室(101)的连通出口(120)设置，高频磁场(107)临近所述磁过滤弯管(112)与所述磁过滤直管(108)的耦合处设置；

所述磁过滤直管(108)与第一阳极筒(110)连接，所述第一阳极筒(110)外套设有第一阴极套(111)；所述磁过滤弯管(112)与第二阳极筒(116)连接，所述第二阳极筒(116)外套设有第二阴极套(117)；所述第二阴极套(117)内的第二阴极材料为碳。

2.如权利要求1所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述磁过滤装置还包括设置在所述磁过滤弯管(112)外侧的弯管磁场(115)以及设置在所述磁过滤直管(108)外侧的脉冲发生器(109)。

3.如权利要求1所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述磁过滤弯管(112)内部设有钨丝(114)，在沉积过程中，所述钨丝(114)发射电子作用于所述磁过滤弯管(112)内的碳原子使其离子化。

4.如权利要求3所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述钨丝(114)与所述磁过滤弯管(108)异电位，所述钨丝(114)为螺旋结构并沿着所述磁过滤弯管(112)的弯曲方向弯曲设置。

5.如权利要求4所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述磁过滤弯管(112)以第二预定角度弯曲。

6.如权利要求1所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述磁过滤弯管(112)内部的弯曲处设置有沿着所述磁过滤弯管(112)的弯曲方向纵向排列的至少一组挡板组；所述挡板组设置于所述磁过滤弯管(112)的外圈内壁向所述第二阴极套(117)方向延伸。

7.如权利要求6所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述挡板组包括多个挡板条(113)，所述挡板组的上、下两条所述挡板条(113)与所述第二阴极套(117)的中心点连线的交角为第三预定角度。

8.如权利要求1所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述磁过滤弯管(112)与所述磁过滤直管(108)的耦合处设置有颗粒收集槽(106)。

9.权利要求8所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述真空腔室(101)内设有支撑杆(102)以及设置于所述支撑杆(102)上的样品台(104)，所述样品台(104)与所述支撑杆(102)以第四预定角度连接，所述第四预定角度可调节。

10.权利要求9所述的碳膜沉积装置，其特征在于，所述样品台(104)和所述支撑杆(102)旋转连接。

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