CN112323034B - 真空处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空处理装置(1)，包括：上料系统(10)，构造成将基材(100)送入真空处理装置(1)中；设置在真空腔体(C)内的离子源系统(20)，包括前处理模块、离子注入模块(22)、多弧离子镀沉积模块(23)以及磁控溅射模块(24)，以对基材(100)进行处理；电源系统(30)，为离子源系统(20)中的各个模块提供电力；移动系统(40)，构造成移动基材(100)以使其经过离子源系统(20)中的各个模块；以及下料系统(50)，构造成从真空处理装置(1)取出处理后的基材(100)。这种真空处理装置具有高效率、自动化、低成本的特点，能够实现数量众多的小型多面体块状器件的连续金属化。

Description

真空处理装置

技术领域

本发明涉及一种真空处理装置，尤其是适用于多面体小器件的金属化的真空处理装置，其中多面体小器件可用于制造各种微波器件，例如基于高分子树脂或者介质陶瓷的各种小型微波器件。

背景技术

微波器件是指工作在微波波段(即，频率为300MHz~300GHz)的范围内的器件，广泛地应用于发射机、接收机、天线系统、显示器、雷达、通信系统等中。微波器件包括绝缘基材和基材上的金属层，根据设计要求可形成有盲孔、凹槽、通孔或者通槽等特殊结构。绝缘基材的表面及特殊的孔、槽结构需要进行金属化以形成金属层，以便实现导电和信号传输的功能。

在现有技术中，通常采用喷涂或丝印银浆烧结的方法对绝缘基材的表面进行金属化，但是该方法存在效率低、良品率低以及电性能不稳定等问题。特别是在对带有通槽、凹槽、通孔或盲孔等复杂结构的槽壁、槽底、孔壁和孔底进行金属化时，喷涂或丝印银浆工艺容易导致金属层厚度不均匀，影响产品高频电性能或者产品良率，往往需要反复喷涂或滚镀银浆来弥补该缺陷，导致制作流程烦琐、成本较高。此外，当前还采用磁控溅射加电镀的工艺对绝缘基材进行金属化，但是磁控溅射得到的金属层与绝缘基材之间的结合力不足，难以实现该工艺的工业化大规模应用。对于深宽比或厚径比高的通槽、凹槽和孔，磁控溅射加电镀的工艺存在着难以实施金属化的问题。

申请人已有专利披露了离子注入技术对高分子树脂、陶瓷等绝缘材料的金属化以及对3D微波器件的金属化等应用，可以实现多面体小器件的表面金属化，同时满足低损耗、高可靠性、低成本等要求。然而，现有的金属化真空处理装置都是针对卷对卷布置的薄膜状绝缘基材、或者片状/板状的绝缘基材进行连续金属化，但无法对数量众多(例如每月上百万个)的小型多面体块状器件进行连续金属化。为了确保小型器件的高品质和稳定性，要求其制造过程尽可能避免人工接触和操作，并且最大限度地实现自动化生产。因此，为了推广离子注入技术在高频器件金属化领域中的应用，亟需一种高效率、自动化、低成本的真空处理装置，以实现数量众多的小型多面体块状器件的连续金属化。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的上述问题而做出的，其目的是在于提供一种适用于多面体小器件的金属化的真空处理装置。

在一方面，本发明所涉及的真空处理装置包括：上料系统，构造成将基材送入真空处理装置中；设置在真空腔体内的离子源系统，包括前处理模块、离子注入模块、多弧离子镀沉积模块以及磁控溅射模块，以对基材进行处理；电源系统，为离子源系统中的各个模块提供电力；移动系统，构造成移动基材以使其经过离子源系统中的各个模块；以及下料系统，构造成从真空处理装置取出处理后的基材。本发明的真空处理装置具有高效率、自动化、低成本的特点，能够实现小型多面体块状器件的连续金属化。

可选地，上料系统包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的自动上料装置，其构造成将多个基材在夹具上组装成串，再将夹具安装到移动系统上的相应位置。下料系统包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的自动下料装置，其构造成将夹具从移动系统卸下，再将处理后的基材从夹具卸下。使用机械手自动上料装置和下料装置既可以减少人为因素对多面体小器件造成的损坏或污染，又可以节省人力和时间，提高装夹上料的工作效率。

可选地，夹具包括底座、隔板、定位支撑杆和锁紧螺母，其中隔板隔开相邻的基材并屏蔽基材的不处理表面，隔板中的至少一些可滑动地由定位支撑杆引导。多面体小器件的形状和结构复杂，需要多次夹装才能完成所有表面(包括孔壁或槽壁)的金属化处理，而采用隔板屏蔽基材的不处理表面可以防止各工艺间的相互影响。这种夹具设计便于以串为单位夹装器件并组装至真空处理装置的移动系统上，有助于器件的量产化。

可选地，前处理模块包括霍尔源处理模块、阳极层处理模块、或者射频处理模块，以针对不同的基材选用。

可选地，前处理模块还包括用于在霍尔源处理模块中的霍尔源处理前加热基材的加热装置，加热装置采用红外灯管加热模式，以将电能转换为波长介于780nm~1mm之间的红外线辐射波。红外灯管加热具有众多优点，包括升温快、加热均匀、穿透性好、电能辐射转换效率高、冷热不炸裂、节能使用寿命长等。

可选地，霍尔源处理模块具有1~2kV的电源输出电压和0.1~2A的电流，用于清洗活化基材的表面。霍尔源处理模块可以去除污染物和杂质，以提高基材表面与金属层之间的结合力。

可选地，离子注入模块具有10~30kV的电源输出电压和1~20mA的电流，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种注入到基材的表面下方，以形成离子注入层。离子注入模块在多面体小器件的基材内部形成掺杂层，从而提高基材表面与金属层之间的结合力。

可选地，多弧离子镀沉积模块具有45~70A的电源电流、6~15A的引出电流、以及5~20V的偏压电场，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种沉积到基材的表面上方。多弧离子镀沉积模块可以通过电场和磁场等控制粒子束能量和方向，具有准确的方向性，能够在深宽比高的槽底和槽壁均匀金属化，而不受槽深和槽口的影响。

可选地，多弧离子镀沉积模块包括第一多弧离子镀设备和第二多弧离子镀设备，用于相继地在基材的表面上方形成第一金属打底层和第二金属打底层。

可选地，磁控溅射模块具有0.5~20A的电源电流和5~50kW的功率，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种沉积到基材的表面上方，以形成第三金属打底层。磁控溅射的沉积速率高，方便在基材表面形成较厚的金属层，以进一步降低方阻并提高导电性能。

可选地，真空腔体具有多面体单腔体结构，其中前处理模块、离子注入模块、多弧离子镀沉积模块以及磁控溅射模块沿圆周方向分布在主腔体的周围，移动系统包括设置于主腔体的行星传动机构，以实现基材的自转和公转。这种结构的整机体积小、占地空间较小，有利于减少整个装置的制造成本。

可选地，真空腔体具有线型多腔体结构，其中前处理模块、离子注入模块、多弧离子镀沉积模块以及磁控溅射模块沿直线方向分布在彼此连接固定的多个腔体中，移动系统包括水平传动机构和设置于各个腔体的旋转机构，并构造成当基材抵达各个腔体时停止水平传动机构且开启相应的旋转机构，以实现基材的自转。这种结构可以同时实现多串器件的表面处理，可以通过设计隔离腔来实现连续的上料、加工处理及下料，具有较高的生产效率。

可选地，真空处理装置还包括辅助系统，辅助系统包括：真空系统，用于在真空腔体内建立真空环境；压控系统，用于为真空处理装置中的各个部件的动作提供动力源；冷却系统，用于冷却离子源系统；以及气体供应系统，包括用于为离子源系统中的各个模块供应工作介质气体的介质气体供应系统、以及氮气供应系统。在工艺结束后及真空破坏前向腔体内快速地主动充入氮气，可以防止器件的氧化，同时还可以使系统降温。

可选地，真空处理装置还包括防护装置，防护装置包括安装于真空腔体内的可拆卸的防护板、以及用于各离子源头的清洗及空打的法拉第筒。在清理腔体时直接更换防护板即可，能够减少设备的维护时间，提高整机使用效率。在各离子源头进行清洗及空打时，法拉第杯伸出以避免离子束流空打到隔离阀等部件，影响使用寿命。

可选地，真空处理装置还包括控制系统，控制系统包括光纤和PLC控制器，以控制真空处理装置中的各个部件。

可选地，基材是包括盲孔、凹槽、通孔或者通槽的多面体绝缘基材，并由高分子树脂或陶瓷材料制成，其中盲孔或凹槽的深度为30μm以上。这种基材适用于制造各种小型多面体块状器件的制造，并且适用于本发明所涉及的真空处理装置和夹具。

附图说明

在参照附图阅读以下的详细说明后，本领域技术人员将更容易理解本发明的上述及其他的特征、方面和优点。为清楚起见，附图不一定按比例绘制，而是其中有些部分可能被夸大以示出具体细节。在所有附图中，相同的参考标号表示相同或类似的部分。

图1示出真空处理装置的组成单元示意图；

图2示出真空腔体为多面体单腔体结构的、根据第一实施例的真空处理装置的示意图；

图3示出真空腔体为线型多腔体结构的、根据第二实施例的真空处理装置的示意图；

图4示出待处理的基材的六面视图；

图5(a)至5(d)示出利用夹具保持基材以对其侧面进行处理时的示意图；

图6(a)至6(b)示出利用夹具保持基材以对其顶面和底面进行处理时的示意图；

图7示出使用真空处理装置对基材进行处理的工艺流程示意图；以及

图8示出处理后的基材的剖面示意图。

附图标记：

1：真空处理装置

C：真空腔体

10：上料系统

15：加热装置

20：离子源系统

21：霍尔源处理模块

22：离子注入模块

23：多弧离子镀沉积模块

231：第一多弧离子镀设备

232：第二多弧离子镀设备

24：磁控溅射模块

30：电源系统

40：移动系统

41：行星传动机构

42：水平传动机构

43：旋转机构

50：下料系统

60：辅助系统

70：防护装置

80：控制系统

90：夹具

91：底座

92：隔板

93：定位支撑杆

94：锁紧螺母

100：绝缘基材

101：基材顶面

102：基材底面

103：基材左侧面

104：基材右侧面

105：基材前侧面

106：基材后侧面

107：盲孔

108：通槽

110：离子注入层

111：第一金属打底层

112：第二金属打底层

113：第三金属打底层。

具体实施方式

以下，将参照附图详细地描述本发明的实施方式。本领域技术人员容易理解，这些描述仅仅列举了示例性实施例，而决不意图限制本发明的保护范围。例如，在一个附图或实施例中描述的元素或特征可以与在其它附图或实施例中描述的其它元素或特征相结合。

[整机结构]

图1示出本发明所涉及的真空处理装置1的组成单元示意图。按照功能区域划分，该真空处理装置1包括上料系统10、加热装置15、离子源系统20、下料系统50、防护装置70、电源系统30、移动系统40、辅助系统60以及控制系统80。离子源系统20又包括霍尔源处理模块21、离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块23以及磁控溅射模块24。在一个实施例中，霍尔源处理模块21可以替换为阳极层处理模块或者射频处理模块，以针对不同的基材选用不同的前处理工艺。当然，这些前处理模块当然也可以并行使用。在操作中，先通过上料系统10将绝缘基材组装成串，然后放入加热装置15中进行加热处理，再使加热处理过的绝缘基材依次经过离子源系统20中的霍尔源处理模块21、离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块23和磁控溅射模块24，最后通过下料系统50将处理后的基材取出。防护装置70针对离子源系统20的各个处理模块提供防护作用。电源系统30提供电力给整个真空处理装置1中的各个部件，例如加热装置15和离子源系统20的各个离子源、以及自动操作的上下料系统等。移动系统40构造成移动绝缘基材，以使其从上料系统10依次经过加热装置15和离子源系统20的各个处理模块，并最终抵达下料系统50。辅助系统60为真空处理装置1提供各种辅助功能，例如真空度监测、冷却降温功能等。此外，控制系统80与真空处理装置1的各个部件进行通信，监测这些部件的运行状态并控制它们的具体操作。

下面，将详细地描述各个组成单元的具体结构和功能。由于本发明的真空处理装置主要用于多面体小器件的金属化，其中的绝缘基材为小型块状的多面体，因此本文中提及的“基材”、“绝缘基材”和“多面体小器件”具有基本相同的含义。此外，在基材开设有孔、槽结构时，“基材表面”也涵盖槽壁、槽底、孔壁和孔底等。

[上料系统和下料系统]

上料系统10用于将基材送入真空处理装置1中，可以包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的机械手自动上料装置。借助于控制系统程序，自动上料装置首先通过机械手臂将数量众多的多面体小器件在夹具上组装成串，再通过输送机构将包含已组装成串的多个多面体小器件的夹具整体安装到移动系统上的相应位置。

下料系统10用于从真空处理装置1取出处理后的基材，也可类似地包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的自动下料装置。在基材处理完成之后，自动下料装置在系统程序控制下，首先通过输送机构将包含经过处理的多个多面体小器件的夹具整体从移动系统卸下，再通过机械手臂将这些多面体小器件从夹具上卸下。

使用机械手自动上料装置和下料装置既可以减少人为因素对多面体小器件造成的损坏或污染，又可以节省人力和时间，提高装夹上料的工作效率。

[加热装置]

真空处理装置1的加热装置15可以在150℃~400℃的温度范围内对多面体小器件加热，从而在霍尔离子源处理之前充分地排出器件内部的空气和水分，以便顺利地进行后续的各种离子源处理。在加热处理过程中，可以根据基材类型和最终器件的性能要求来调整加热处理的温度和时间。在一个实施例中，加热处理时间可以为5~30分钟，加热温度范围可以为150~200℃。

加热装置15可以包括红外加热装置，其中高温烘烤采用红外灯管加热模式。红外加热灯管是根据热辐射原理制成的，利用灯管内的钨丝在电压作用下将电能转换为波长介于780nm~1mm之间的红外线辐射波，并将红外线辐射波照射到绝缘基材上以对其加热。红外灯管可以安装到真空处理装置1的主腔体门上，通过改变灯管的电压来控制腔室的加热温度，以在上料之后和霍尔源处理之前对多面体小器件进行烘干加热。红外灯管加热具有众多优点，包括升温快、加热均匀、穿透性好、电能辐射转换效率高(可达到例如60%-75%)、冷热不炸裂、节能使用寿命长等。

[离子源系统]

真空处理装置1的离子源系统20包括前处理模块、离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块23以及磁控溅射模块24，以分别对多面体小器件进行前处理、离子注入处理、多弧离子镀沉积处理和磁控溅射处理，从而实现多面体小器件的表面金属化，形成具有导电和信号传输功能的金属层。其中，前处理模块可包括霍尔源处理模块21、阳极层处理模块、或者射频处理模块，以针对不同的基材选用。各个处理模块可以包括一套或多套离子源，这些离子源的数量和位置可根据产能和产品特定工艺需求来进行布置。在一个实施例中，离子源系统20可以包括一套霍尔离子源、一套高能离子注入源、两组四套多弧离子镀沉积源(每组两套)、以及一套磁控溅射源。

霍尔源处理模块21起到清洗活化作用，用于清洁多面体小器件的基材表面，并去除污染物和杂质，以提高基材表面与后续形成的金属层之间的结合力。此外，霍尔源处理也可适用于薄膜沉积过程中的改性或薄膜特性的增强，例如增强硬度、钝化表面、产生优选的晶体方向以及激活表面的化学反应等方面。

离子注入模块22用于将金属元素或合金注入到多面体小器件的基材内部，以形成掺杂层或者说离子注入层，从而提高基材表面与后续形成的金属层之间的结合力。在注入过程中，金属或合金靶材由于真空环境下的电弧作用而电离产生离子；离子在高电压下加速而获得很高能量，接着以很高的速度撞击到基材的表面上，并且注入到表面下方的一定深度处。注入的金属材料可以根据基材的类型来选择，例如可以使用Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们之间的合金等。

多弧离子镀沉积模块23通过触发电极引发电弧并在阴极靶的表面形成阴极斑，阴极斑使金属靶材料蒸发而在强电场下电离形成等离子体，等离子体在多面体小器件的表面上沉积而形成金属打底层。多弧离子镀所用的介质气体需要不能与靶材反应，而且放电容易，一般采用惰性气体，例如氩气。阴极靶材料可以根据基材类型或者之前注入的材料类型来选择，例如可以使用Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们之间的合金等。金属打底层与由离子注入模块22形成的掺杂层结合，能够增强整个金属层的致密性，并提高结合力。在操作中，可以利用偏压模块对多面体小器件施加-50~300V的偏压，以进一步增强附着力和致密性。多弧离子镀技术从阴极直接产生等离子体而无需使用熔池，所以阴极靶可以根据基材形状在任意方向上布置，适用范围极其广泛。而且，沉积时的粒子束能量和方向可以通过电场和磁场等进行控制，具有准确的方向性，因而能够在深宽比高的槽底和槽壁均匀金属化，不受槽深和槽口的影响。

磁控溅射模块24用于在由多弧离子镀沉积模块23形成的金属打底层上通过磁控溅射技术得到另一金属打底层，也可以用于直接在基材的掺杂层上沉积得到金属打底层。磁控溅射所用的靶材可根据基材类型、注入材料类型或者多弧离子镀沉积材料类型等来选择，例如也可以使用Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们之间的合金等。磁控溅射的沉积速率高，方便在基材表面形成较厚的金属层，以进一步降低方阻并提高导电性能。磁控溅射所用的介质气体要求不能与靶材反应，而且容易放电、溅射率高，一般采用惰性气体，例如氩气，工作过程中需要控制氩气的流量。

[电源系统]

电源系统30为离子源系统20中的各个处理模块提供相应的配套电源。例如，霍尔源处理模块21的电源输出电压可以为1~2kV，电流可以为0.1~2A。离子注入模块22的电源输出电压可以为10~30kV，电流可以为1~20mA。多弧离子镀沉积模块23的电源电流可以为45~70A，引出电流可以为6~15A，偏压电场可以为5~20V，该偏压电场可通过如上文所述利用偏压模块对多面体小器件施加-50~300V的偏压而获得。磁控溅射模块24的电源电流范围可以为0.5~20A，功率可以为5~50kW，例如为10kW。此外，电源系统30还可以为上料系统10、下料系统50、加热装置15、移动系统40、控制系统80和其它装置提供电力，以满足这些系统或装置工作时的能量需求。

[移动系统]

真空处理装置1的移动系统40用于移动多面体小器件，以使其依次经过上料系统10、加热装置15、离子源系统20的各个处理模块21~24、以及下料系统50。移动系统40还包括旋转机构，以当多面体小器件位于各处理模块21~24的真空腔体中进行相应的处理时，使这些器件自转，从而实现器件不同表面的均匀金属化，避免金属层过厚或过薄甚至漏镀的情形。下文将针对两个不同的实施例分别描述两种不同的移动系统40。

[辅助系统]

辅助系统60用于为真空处理装置1提供各种辅助功能，可以包括真空系统、冷却系统、压控系统和气体供应系统等。真空系统用于在真空处理装置1的主腔体和离子源腔体内建立真空，为各种离子源提供必要的工作环境。在一个实施例中，真空系统可以包括一个或多个干泵、一个或多个分子泵、多个真空管道、角阀、隔离阀以及真空规管等，通过真空规管对真空度实施监测，并通过各种泵、管道和阀等调整各个腔体的真空，以满足不同离子源的真空需求。

冷却系统起冷却作用，可以包括去离子水系统，以向各个离子源及其腔体和其他需要冷却的部件提供冷却流体或冷却水，从而避免由于温度过高而减少装置零部件的寿命，影响整机上线时间。压控系统用于为真空处理装置中的各个部件的动作提供动力源，例如可以使用液压系统来调整角阀、插板阀等部件的开关，从而在相应的腔体内建立或调整真空环境。

气体供应系统可包括介质气体供应系统和氮气供应系统。介质气体供应系统用于为离子源系统20的各个处理模块提供相应的工作介质气体，例如上文所述的用于多弧离子镀沉积模块23和磁控溅射模块24的氩气。氮气供应系统主要用于多面体小器件的冷却及腔体的清理，还可以用于使系统降温。在工艺结束后及真空破坏前向腔体内快速地主动充入氮气，可以防止器件的氧化。为了准确控制各离子源中工艺气体的流量，可以采用单工艺双源头的设计，对不同气体采用不同的气体流量计(MFC)。

[防护装置]

真空处理装置1的防护装置70用于针对离子源系统20的各个处理模块提供防护作用。防护装置70可以包括可拆卸的防护板，防护板安装于主腔体和各个离子源腔体中，以避免各处理工艺对腔体的污染。在清理腔体时直接更换防护板并对防护板进行清洗即可，能够减少设备的维护时间，提高整机使用效率。防护装置70还可以包括法拉第筒，主要用于实现各离子源头的清洗及空打。在各离子源头进行清洗及空打时，法拉第杯伸出，以避免离子束流空打到隔离阀等部件，影响这些部件的使用寿命。

[控制系统]

控制系统80是真空处理装置1的中枢神经，用于指挥和驱动整机及装置各个部件来完成预先设定的功能。控制系统80可以采用包括光纤和PLC控制器的光纤控制系统，以采集和控制各个部件的输入和输出信号。其中，光纤通信环路由一个主PLC控制器和多个从PLC控制器构成；主PLC控制器是带有CPU处理器的嵌入式控制器，与主控制计算机直接通信；每个从PLC控制器分别采集和控制一个或多个部件；主控制计算机发送的命令经由主PLC控制器下达到从PLC控制器；从PLC控制器执行命令，以实现对各个部件的控制。控制系统80与真空处理装置1的上料系统10、加热装置15、离子源系统20、下料系统50、防护装置70、电源系统30、移动系统40、辅助系统60等进行通信，涵盖了这些系统或装置的部分或全部控制功能。

上文描述了本发明所涉及的真空处理装置1的各个组成单元的具体结构和功能，这些组成单元可以以不同的方式进行布置。下面，将参照图2和图3详细地描述真空处理装置1的两个具体实施例。

(实施例1)

图2示出了根据第一实施例的真空处理装置的示意图。在该实施例中，真空处理装置1的真空腔体C为多面体单腔体结构，图中示出为六面体结构。真空腔体C可以使用304不锈钢或者6061铝等不会对多面体小器件造成影响的材料，通过焊接等工艺制成。如图所示，真空处理装置1的上料系统10、霍尔源处理模块21、离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块、磁控溅射模块24以及下料系统50沿圆周方向分布在主腔体的周围，其中多弧离子镀沉积模块包括第一多弧离子镀设备231和第二多弧离子镀设备232，以相继地在多面体小器件的表面上方形成第一金属打底层和第二金属打底层。图中省略了加热装置15，该加热装置15位于上料系统10与霍尔源处理模块21之间，或者与上料系统10整合而位于与上料系统10相同的位置。上料系统10和下料系统50首尾相接，因此可使用同一个装置来实现。例如，可以使用具有机械手臂和输送机构的自动上下料装置，最初装载多面体小器件并将其送入真空腔体C中，最后再将处理后的多面体小器件从真空腔体C取出。

相应地，移动系统可包括行星传动机构41，其既可以实现围绕真空腔体C轴线的公转，也可以实现位于圆周上的绝缘基材100的自转。公转可用于调节单串基材相对于各个离子源处理模块的位置，而自转可用于实现针对单串基材的不同表面的工艺处理。在整个过程中，公转和自转可以在任意的位置停止，可以实现正反转，也可以调整旋转速度，从而实现基材所有表面的处理。

(实施例2)

图3示出了根据第二实施例的真空处理装置的示意图。在该实施例中，真空处理装置1的真空腔体C为线型多面体结构，也就是将多个腔体沿水平方向彼此固定连接而得到的结构。真空腔体C可以使用304不锈钢或者6061铝等不会对多面体小器件造成影响的材料，通过焊接等工艺制成，多个腔体之间通过螺钉和密封圈等进行连接固定。如图所示，真空处理装置1的上料系统10、霍尔源处理模块21、离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块、磁控溅射模块24以及下料系统50沿直线方向分布在彼此相连的多个腔体中，其中多弧离子镀沉积模块包括第一多弧离子镀设备231和第二多弧离子镀设备232，以相继地在多面体小器件的表面上方形成第一金属打底层和第二金属打底层。图中省略了加热装置15，该加热装置15位于上料系统10与霍尔源处理模块21之间，或者与上料系统10整合而位于与上料系统10相同的位置。

相应地，移动系统可包括水平传动机构42和旋转机构43。水平传动机构42可以采用皮带或链条传动的水平连续行走方式，以实现基材沿水平方向的往复运动，用于调节单串基材相对于各个离子源处理模块的位置。旋转机构43设置在各个离子源处理模块的相应腔体内，可以采用齿轮传动的圆周行走方式以实现基材的自转，用于实现针对单串基材的不同表面的工艺处理。当承载了绝缘基材100的夹具90抵达某个处理腔体时，水平传动机构42停止而旋转机构43开启，在腔体内对基材的各个表面进行离子源处理，以形成均匀的金属层。可以利用位置传感器来监测绝缘基材相对于各离子源的位置，并在各离子源头处设置一套旋转机构。当传感器检测到基材抵达各离子源处理模块的合适位置时，停用水平传动机构42并开启旋转机构43。

在上述两个实施例中，实施例1的整机体积小、占地空间较小；而实施例2的整机较长，占地面积大。在不同功能的离子源处，实施例1仅可实现单串器件的表面处理；而实施例2可以同时实现多串器件的表面处理，并且可以通过设计隔离腔来实现连续的上料、加工处理及下料。在生产效率方面，实施例1需要按节拍生产完一批产品后，重新打开真空腔体装料，并再次抽真空以进行生产；而实施例2可以实现连续进料、生产及卸料。这两种方案各有优劣，但均可以实现中、大批量生产，具体方案可根据生产规模选取。

[绝缘基材]

多面体小器件的绝缘基材可使用高分子树脂、陶瓷等绝缘材料，并可采用形状规则的长方体、圆柱体、锥体或其它形状复杂的异型体等。多面体小器件具有三个以上的表面，其中最长边的尺寸为100mm以下，例如可以低至80mm、50mm等。多面体小器件可包括各种结构复杂的盲孔、通孔、通槽或凹槽等，其中槽口或孔口的形状可以为圆形、长方形和正方形等，槽或孔的深度可以为30μm~3mm，也可以超过3mm。

图4示出了适用于本发明的待处理基材的六面视图，其中的基材为长方体的绝缘基材100，包括基材顶面101、基材底面102、基材左侧面103、基材右侧面104、基材前侧面105以及基材后侧面106。如图所示，绝缘基材100在顶面包括四个圆形的盲孔107，还包括贯穿顶面和底面的异型通槽108，但在各个侧面不具有孔或槽结构。

[夹具]

本发明的真空处理装置适用于处理数量众多的多面体小器件，在对这些器件进行处理时，需要先将它们成串地组装在夹具上，再送入离子源系统20中进行各种处理。在此，夹具的整体设计及组装需要在真空处理装置的各离子源头覆盖范围内，且需要避免移动或旋转时与腔室壁、腔室隔板等部件发生干涉。夹具的所有零部件可以选用304不锈钢进行设计，设计需要考虑拆装方便性、夹装稳固性等，并结合多面体小器件的外形及结构特点，以防划伤器件的表面。因为多面体小器件的形状和结构复杂，需要多次夹装才能完成所有表面(包括孔壁或槽壁)的金属化处理，所以为了防止各工艺间的相互影响，未被加工处理的表面需要用隔板封闭。此外，为了实现量产，夹具在设计时需要结合器件本身的结构特点以串为单位夹装并组装至真空处理装置的移动系统上。现在以图4所示的长方体绝缘基材100所适用的夹具90举例进行说明。

图5(a)-5(d)示出利用夹具90保持基材以对其侧面进行处理时的示意图，图6(a)-6(b)示出利用夹具90保持基材以对其顶面和底面进行处理时的示意图。如图所示，夹具90包括底座91、隔板93、定位支撑杆93和锁紧螺母94。定位支撑杆93固定于底座91的四个拐角部，并且可滑动地支撑多个隔板93。例如，多个隔板93可具有穿过定位支撑杆93的四个通孔，并能借助这些通孔沿着定位支撑杆93自由地上下滑动。锁紧螺母94固定于定位支撑杆93的上方，能够通过螺纹接合方式调整隔板92、以及隔板92之间的绝缘基材100在竖直方向上的位置并进行固定。

长方体绝缘基材100的六个面均需要进行金属化处理。为了防止工艺间的相互影响，金属化处理需要分两次完成。在每次真空处理时，先通过图2所示的行星传动机构41中的公转机构、或者图3所示的水平传动机构42将基材移动至对应的离子源位置，然后通过0~360°自转实现对不同表面的金属化处理。

在第一次真空处理时，用隔板92隔开相邻的绝缘基材100并屏蔽封住基材顶面101和基材底面102，仅仅对基材左侧面103、基材右侧面104、基材前侧面105以及基材后侧面106进行处理。图5(a)-5(d)分别示出了夹具90依次自转90°时，分别对基材前侧面105、基材左侧面103、基材后侧面106以及基材右侧面104进行各种离子源处理。此时，可以借助绝缘基材100上的盲孔或通孔进行基材间的相互定位，以使其在竖直方向上叠加成串。

在第二次真空处理时，首先取出隔板92之间的绝缘基材100并使其旋转90°而露出基材顶面101和基材底面102，然后用上、下隔板92屏蔽封住基材前侧面105和基材后侧面106，并用左、右隔板92屏蔽封住基材左侧面103和基材右侧面104，最后用锁紧螺母94固定这些隔板92和绝缘基材100，仅仅对基材顶面101和基材底面102进行处理。图6(a)-6(b)分别示出了夹具90依次自转180°时，分别对基材底面102和基材顶面101进行各种离子源处理。

[工艺流程]

图7示出使用本发明的真空处理装置对基材进行处理的工艺流程示意图。整个工艺流程大体上包括：步骤S1，对基材进行前处理；步骤S2，对基材进行离子注入；步骤S3，对基材进行多弧离子镀沉积；以及步骤S4，对基材进行磁控溅射。其中，步骤S1包括加热处理和霍尔源处理，在上文描述的加热装置15和霍尔源处理模块21中进行，而步骤S2、S3和S4分别在离子注入模块22、多弧离子镀沉积模块23和磁控溅射模块24中进行。在前处理模块中包括阳极层处理模块或者射频处理模块以作为霍尔源处理模块21的替代或补充的情况下，步骤S1便包括相应的阳极层处理模块或者射频处理。

具体而言，在使用真空处理装置对多面体小器件进行表面金属化处理时，先通过机械手自动上料装置将单个多面体小器件夹装成串，每串包含的多面体小器件的数量可以根据选用的各种离子源的功能覆盖范围来确定。然后将夹装好的多面体小器件送至真空处理装置的移动系统上。再关闭腔门、抽真空至工艺要求的真空环境，依次进行前处理、高能离子注入处理、多弧离子镀沉积处理、磁控溅射处理。每串多面体小器件通过传动机构运行至离子源的相应位置，并可通过自转实现多个表面的金属化处理。处理后，供应惰性冷却气体至真空腔体以将多面体小器件冷却。最后待真空腔体放气后，通过机械手自动下料装置将器件取出。由于多面体器件的形状和结构较为复杂，一次真空处理不能完成对所有表面(包括通孔/盲孔的孔壁、或者通槽/凹槽的槽壁)的金属化处理，通常需要更换夹具以按照图5(a)-5(d)和图6(a)-6(b)所示的方式对其它表面进行处理，直至所有的表面均完成金属化。

图8示出利用上述工艺流程进行金属化处理后的基材的剖面示意图，其中采用了图2所示的根据第一实施例的真空处理装置1、或者图3所示的根据第二实施例的真空处理装置1。如图所示，处理后的多面体小器件包括：通过离子注入模块22形成的离子注入层110，位于绝缘基材100的表面下方；通过第一多弧离子镀设备231形成的第一金属打底层111，附着于离子注入层110上并位于绝缘基材100的表面上方；通过第二多弧离子镀设备232形成的第二金属打底层112，形成于第一金属打底层111上方；以及通过磁控溅射设备24形成的第三金属打底层113，形成于第二金属打底层112上方。在一个实施例中，离子注入层110和第一金属打底层111可以使用相同的金属材料形成，例如Cr、Ni、Ti、Mo、W、Sn或者由它们之中的一种或多种元素组成的合金，而第二金属打底层112和第三金属打底层113可以使用另一相同的金属材料形成，例如Ag、Cu、Au、Pt、Al等或者由它们之中的一种或多种元素组成的合金。

在上述实施例中，通过多弧离子镀形成了第一金属打底层和第二金属打底层，但是也可以不形成第二打底层，而是通过磁控溅射直接在第一打底层的上方形成第三打底层。此外，可以不通过磁控溅射来形成第三金属打底层，而是直接通过多弧离子镀形成第一打底层和第二打底层即完成处理，或者也可以不使用多弧离子镀而是直接在掺杂层上通过磁控溅射形成金属打底层。也就是说，在具体操作时，绝缘基材不必在每一个离子源处理模块中经受处理。另外，也可以使用多个离子注入设备来形成两个或更多的掺杂层。

上文描述的内容仅仅提及了本发明的特定实施例，但是本发明并不受限于这些特定实施例。本领域技术人员容易想到，在不脱离本发明要旨的范围内，可以对这些实施例进行各种显而易见的修改、调整及替换，以使其适合于特定情形。实际上，本发明的保护范围是由权利要求书限定的，可以包括本领域技术人员可预想到的其它示例。

Claims (13)

1.一种真空处理装置，包括：

上料系统，构造成将基材送入所述真空处理装置中；

设置在真空腔体内的离子源系统，包括前处理模块、离子注入模块、多弧离子镀沉积模块以及磁控溅射模块，以对所述基材进行处理；

电源系统，为所述离子源系统中的各个模块提供电力；

移动系统，构造成移动所述基材以使其经过所述离子源系统中的各个模块；以及

下料系统，构造成从所述真空处理装置取出处理后的所述基材；

其中，所述上料系统包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的自动上料装置，其构造成将多个所述基材在夹具上组装成串，再将所述夹具安装到所述移动系统上的相应位置；

所述下料系统包括具有一组或多组机械手臂和输送机构的自动下料装置，其构造成将所述夹具从所述移动系统卸下，再将处理后的所述基材从所述夹具卸下；

其中，所述真空腔体具有多面体单腔体结构，其中所述前处理模块、所述离子注入模块、所述多弧离子镀沉积模块以及所述磁控溅射模块沿圆周方向分布在主腔体的周围，所述移动系统包括设置于所述主腔体的行星传动机构，以实现所述基材的自转和公转。

2.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述夹具包括底座、隔板、定位支撑杆和锁紧螺母，其中所述隔板隔开相邻的所述基材并屏蔽所述基材的不处理表面，所述隔板中的至少一些可滑动地由所述定位支撑杆引导。

3.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述前处理模块包括霍尔源处理模块、阳极层处理模块、或者射频处理模块，以针对不同的基材选用。

4.根据权利要求3所述的真空处理装置，其特征在于，所述前处理模块还包括用于在所述霍尔源处理模块中的霍尔源处理前加热所述基材的加热装置，所述加热装置采用红外灯管加热模式，以将电能转换为波长介于780nm～1mm之间的红外线辐射波。

5.根据权利要求3所述的真空处理装置，其特征在于，所述霍尔源处理模块具有1～2kV的电源输出电压和0.1～2A的电流，用于清洗活化所述基材的表面。

6.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述离子注入模块具有10～30kV的电源输出电压和1～20mA的电流，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种注入到所述基材的表面下方，以形成离子注入层。

7.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述多弧离子镀沉积模块具有45～70A的电源电流、6～15A的引出电流、以及5～20V的偏压电场，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种沉积到所述基材的表面上方。

8.根据权利要求7所述的真空处理装置，其特征在于，所述多弧离子镀沉积模块包括第一多弧离子镀设备和第二多弧离子镀设备，用于相继地在所述基材的表面上方形成第一金属打底层和第二金属打底层。

9.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述磁控溅射模块具有0.5～20A的电源电流和5～50kW的功率，用于将Cr、Ni、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Al、Mo、W以及它们的合金中的一种或多种沉积到所述基材的表面上方，以形成第三金属打底层。

10.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，还包括辅助系统，所述辅助系统包括：

真空系统，用于在所述真空腔体内建立真空环境；

压控系统，用于为所述真空处理装置中的各个部件的动作提供动力源；

冷却系统，用于冷却所述离子源系统；以及

气体供应系统，包括用于为所述离子源系统中的各个模块供应工作介质气体的介质气体供应系统、以及氮气供应系统。

11.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，还包括防护装置，所述防护装置包括安装于所述真空腔体内的可拆卸的防护板、以及用于各离子源头的清洗及空打的法拉第筒。

12.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统包括光纤和PLC控制器，以控制所述真空处理装置中的各个部件。

13.根据权利要求1所述的真空处理装置，其特征在于，所述基材是包括盲孔、凹槽、通孔或者通槽的多面体绝缘基材，并由高分子树脂或陶瓷材料制成，其中所述盲孔或所述凹槽的深度为30μm以上。