CN116005105A - 离子轰击清洗工艺、装置及镀膜机和对现有机台的改造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子轰击清洗工艺、装置及镀膜机和对现有机台的改造方法，其中，所述离子轰击清洗装置采用磁控溅射靶对塑胶工件进行离子轰击清洗。靶材的离子比氩离子质量大，能量高，而且调整溅射功率，可方便地获得不同能量的等离子体，本发明直接利用这些可调控能量的靶材等离子体，对塑胶工件进行离子轰击清洗，不仅能收获更好的清洗效果，而且，可简便地适应不同牌号塑胶工件。
Description
技术领域
本发明涉及一种对镀膜工件，特别如塑胶手机后盖等透明塑胶工件，进行真空镀光学干涉薄膜前的离子轰击清洗的装置和工艺方法，还涉及一种采用所述工艺方法的光学镀膜机，及为采用上述工艺方法而对现有机台的改造方法。
背景技术
手机后盖材料自从金属(不锈钢、铝合金)退出历史舞台后，高端机型换成玻璃和陶瓷为主，而中低端机型则以塑胶材料为主打，其中PC/PMMA复合板材是塑胶材料当前主流选材。PC/PMMA复合板材是PMMA层和PC层复合在一起的板材。PMMA硬度可达亚克力加硬后的表面硬度，而PC片具有良好的韧性，复合板材兼合以上两种片材优点，能耐受更大强度的冲击。当前国产手机后盖广泛应用PC/PMMA复合板材。PC/PMMA复合板材用作手机后盖一般采用3D复合热压/高压成型。为了增加美感，让后盖呈现美观的纹理效果和呈现鲜艳彩色或渐变色、变幻彩色，在热压成型之前需先进行UV转印和真空镀光学干涉薄膜工艺。
UV转印是指，将树脂涂料均匀涂敷在表面刻有微纳米级的微细凹凸图案的模具上，进行微纳米压印制程，然后照射特制的紫外光(UV)，使树脂固化成膜片，再将其剥离。此膜片会呈现所述模具上的微细结构图案--纹理，将此膜片贴在PC/PMMA复合板材的PC层的表面，即完成UV转印，亦即把纹理转印到PC/PMMA复合板材上，从PMMA方向看过去，可看到美观的纹理图形。
为了获得美观纹理又同时具有鲜艳的彩色或变幻色效果，还必须在UV固化树脂纹理层表面，镀上光学薄膜干涉膜堆，例如符合光学干涉条件的SiO2/Nb2O3交替五至七层的膜堆。在镀膜工艺流程中，为了提高膜/基结合力，在镀膜前必须先对UV固化树脂层进行离子轰击清洗，以彻底去除工件表面的污垢，同时对镀膜表面进行微观粗化，以增加接触面积，有利结合牢固。
当前光学镀膜机配备的离子轰击清洗装置，主要包括线性阳极层离子源、射频离子源等，两者都属于用氩离子束轰击清洗。实践中发现对于不同配方的UV树脂膜层，用不同类型的离子源，有不同的清洗效果。对于许多配方的树脂层，阳极层离子源轰击清洗都有满意的清洗效果，但国内某家知名手机品牌生产企业，其手机出货量巨大，居国内前列，该品牌手机盖选用某种特殊配方的UV固化树脂材料，所转印的膜层用线性阳极层离子源清洗效果不佳，膜/基结合力差。经显微分析发现经轰击清洗后的工件表面形貌是清洁的，但没有微观粗化效果。若改用射频离子源轰击清洗，虽有很好膜/基结合力，但发现工件表面受到损伤。分析其原因是线性阳极层离子源的氩离子束能量不足，轰击清洁力度不够；而射频离子源的氩离子束能量够高，轰击清洗力度达到要求，增强了膜/基结力，但其离子束流存在部分能量过高的离子，造成工件轰击损伤，目前实际操控时，很难把那部分过高能量的离子流分离或消除。因此，目前这两种离子源对于某些特殊配方的UV树脂膜层的离子轰击清洗效果均不理想。
以上说明两点：1)离子轰击清洗的作用不但要去除工件表面污垢，还要对工件表面进行适当刻蚀获得微观粗化效果，增大接触面积，提高膜/基结合力；2)由于UV树脂膜层的配方不同，材料结构不同，内部交链强度也不同，对其进行有效的离子轰击清洗的离子束的能量也应不同。
在以往的塑胶镀膜工艺中，有采用高电压阴极放电氩等离子体轰击清洗工件的。因为塑胶不导电，不能把高偏压施加在工件上，故通常另置金属棒作阴极施加上高偏压，充入氩气，引发辉光放电产生氩等离子体，对塑胶进行轰击清洗。这种方法通常能达到很好的效果，而且对不同牌号的塑胶，还可通过调整放电电压进行适配。但使用金属棒电极放电，除产生氩辉光放电等离子体外，金属电极也会飞出一些金属原子，成为金属等离子体，它也会轰击工件，甚至少量沉积在工件上。对于不透明塑胶，金属的沉积物看不见，不影响后续镀膜，但对于如透明的UV固化树脂膜片而言，残留金属沉积物会影响透光率，故不能使用金属电极放电。
在此基础上，有人提出用石墨电极取代上述金属电极，再通过活性气体氧去除石墨电极飞出的碳造成的污染，生成CO或CO2气体抽走的方案，如授权公告号为CN216574617U，名称为〝一种表面清洁装置〞的中国实用新型专利。
上述专利的工作原理是，利用石墨电极通入交变高压电，在空间产生交变电场，从而在稀薄气体中引发气体电离放电，主要利用氩气电离，产生等离子体轰击处于放电〝阳极区〞的工件表面进行去污清洗。
从原理上看，上述专利方案是可行的，但应用在当前已经在工厂大量使用的立式镀膜机上，却非常困难，致使这些镀膜机基本不可能按照上述专利方案进行更新。
更新这些机台，最为可行的办法是利用已有机台进行低成本的改造，最好能充分利用已有机台的现有配置。
目前大量在用机型多是立式磁控溅射光学镀膜机，其包括真空室，其真空室内配置绕其炉中轴旋转的公转工件转架，其真空室的炉壁上安装有多对向炉内溅射的中频磁控溅射孪生靶，每对所述孪生靶配备有一台中频电源，该中频电源的两极分别与该对孪生靶之一相连，其炉壁上的炉门上还安装有一台离子源，所述立式磁控溅射光学镀膜机还配置有用于向其真空室内输送氩气和氧气的供气系统。
上述现有立式磁控溅射光学镀膜机应用上述专利方案的困难在于：
1)该专利方案下置石墨电极、上置工件，这种放电轰击清洗模式不适合现有立式机台的竖立旋转工件架使用，必须改变工件架结构，让离子轰击时工件转向朝炉内，镀膜时工件又再转向炉壁，这样改造工程复杂且工程量大；
2)要重新购置交变高压电源；
3)需要重新制造石墨电极装置；
4)高压电源运行有安全风险。
鉴于以上因素，上述专利方案不适宜在现有机型中使用推广，寻找一种适宜用于现有立式磁控溅射光学镀膜机的简易有效的离子轰击清洗装置和方法是当务之急。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能简便有效地适应不同牌号(品牌型号)塑胶工件的离子轰击清洗工作的装置和工艺方法。
本发明的装置方案如下：一种离子轰击清洗装置，其用于对塑胶工件进行离子轰击清洗，其特征在于，其采用磁控溅射靶对工件进行离子轰击清洗。
溅射靶材的离子比氩离子质量大，能量高，而且调整溅射功率，可方便地获得不同能量的等离子体。本发明直接利用这些可调控能量的靶材等离子体，对塑胶工件进行离子轰击清洗，不仅能收获更好的清洗效果，而且，可简便地适应不同牌号塑胶工件。
采用如金属磁控溅射靶对工件进行离子轰击清洗，存在金属材料污染难以去除的缺点，这对于不透明塑胶，由于金属沉积物看不见，不甚影响。在面对如UV固化树脂膜片这类对透明度有要求的工件，由于残留金属沉积物会影响透光率，故推荐采用石墨磁控溅射靶，因为石墨磁控溅射靶造成的碳污染可用如活性气体氧去除。
本发明的工艺方法方案如下：一种离子轰击清洗工艺，利用石墨磁控溅射靶通过直流或中频磁控溅射产生碳溅射等离子体，在氩和氧等离子体共同参与下，对塑胶工件进行离子轰击清洗。
该工艺利用可调控能量的溅射碳等离子体对工件进行离子轰击清洗，同时利用环境中的活性氧和氧离子清除溅射的残留碳对工件的污染，达到离子轰击清洗表面清洁，且适当微观粗化的效果要求。而且，通过调整靶溅射功率，可以获得不同能量的碳等离子体，以适应对不同配方的塑胶工件，特别是透明塑胶工件，如不同配方的UV固化树脂膜片的离子轰击清洗刻蚀强度要求。
本发明还提供一种采用上述工艺的光学镀膜机。
所述光学镀膜机为立式磁控溅射光学镀膜机，其包括真空室，其真空室内配置绕其炉中轴旋转的公转工件转架，其真空室的炉壁上安装有多对向炉内溅射的中频磁控溅射孪生靶，其中至少包括一对用于对工件进行离子轰击清洗的石墨中频磁控溅射孪生靶，每对所述孪生靶配备有一台中频电源，该中频电源的两极分别与孪生靶之一相连，所述立式磁控溅射光学镀膜机还配置有用于向其真空室内输送氩气和氧气的供气系统。
所述光学镀膜机为立式磁控溅射光学镀膜机，其包括真空室，其真空室内配置绕其炉中轴旋转的公转工件转架，其真空室的炉壁上安装有多对向炉内溅射的中频孪生靶，每对所述孪生靶配备有一台中频电源，该中频电源的两极分别与孪生靶之一相连，其炉壁上的炉门上还安装有一支用于对工件进行离子轰击清洗的石墨磁控溅射靶，该石墨磁控溅射靶连接直流溅射电源负极，直流溅射电源正极接炉壳然后接地，所述立式磁控溅射光学镀膜机还配置有用于向其真空室内输送氩气和氧气的供气系统。
所述立式磁控溅射光学镀膜机采用旋转柱状磁控溅射靶。
另外，本发明还提供一种针对现有已大量使用的立式磁控溅射光学镀膜机的改造方法，具体方案如下：
将所述立式磁控溅射光学镀膜机炉壁上原有的一对中频磁控溅射孪生靶替换成一对用于对工件进行离子轰击清洗的石墨中频磁控溅射孪生靶，对应原中频磁控溅射孪生靶的中频电源的两极分别与该石墨中频磁控溅射孪生靶之一相连。
在该改造方案中，仅将现有立式磁控溅射光学镀膜机里的一对孪生靶(该靶原来是溅射金属或硅靶材的)，改造成了溅射石墨靶材，延用了原来的中频电源和供气系统，工件保持原来镀面向靶的装挂方式即可。可见，本改造方案只需对现有立式磁控溅射光学镀膜机其中一对溅射靶进行改造即可，其他配置不变。
还可以采用如下改造方案：将所述立式磁控溅射光学镀膜机炉门上原有的离子源拆下，替换成一支用于对工件进行离子轰击清洗的石墨磁控溅射靶，该石墨磁控溅射靶连接直流溅射电源负极，直流溅射电源正极接炉壳然后接地，其它保持不变即可。
本发明的有益效果：
1)本发明利用石墨磁控溅射靶通过直流或中频磁控溅射产生碳溅射等离子体，在氩和氧等离子体共同参与下，对如UV固化树脂膜片等工件进行离子轰击刻蚀清洗同时，利用活性氧和氧离子清除了残留碳对工件的污染，获得良好清洗效果，提高了膜/基结合力，解决了长期困扰透明树脂膜片离子轰击清洗效果不佳的难题；
2)通过调整靶溅射功率可获得不同能量的碳等离子体，从而简便地适应如不同配方的UV固化树脂膜片的离子轰击刻蚀清洗强度要求，可承担各种配方的UV固化树脂膜片的离子清洗工作；
3)本发明适用于现有手机后盖立式磁控溅射光学镀膜机的改造，工程简单易行，无需作大的变动，工作量少，无需购置高压电源，成本低，效果好；
4)本发明不涉及高电压运行，安全性好。
附图说明
图1石墨中频磁控溅射孪生靶离子轰击清洗装置示意图；
图2直流石墨磁控溅射靶离子轰击清洗装置示意图；
图3经过石墨中频磁控溅射孪生靶离子轰击清洗后UV固化树脂膜片表面形貌图；
图4经线性阳极层离子源离子轰击清洗后UV固化树脂膜片表面形貌图；
附图标记说明：
1真空室；2炉壁；3石墨磁控溅射孪生靶；3-1孪生靶之一；3-2孪生靶之二；3-3石墨靶管；4中频电源；4-1直流溅射电源；5氧气布气管；6氩气布气管；7公转工件转架；8手机后盖；9等离子体。
具体实施方式
本实施例对现有立式磁控溅射光学镀膜机的改造方案如下：
将现有手机后盖镀光学薄膜的立式磁控溅射光学镀膜机装在炉壁上的一对旋转柱状中频磁控溅射孪生靶(该靶原来是溅射金属或硅靶材的)，改造成溅射石墨靶材，靶管直径100mm、长1650-1850mm，石墨靶管旋转，溅射轨道朝向炉内，仍用原来的中频电源(40KHz，20KW)，电源两极仍然分别连接两只孪生靶，工件架置于悬浮电位，工件保持镀面向靶的装挂方式不变，仍然使用原来氩和氧的供气系统，即气瓶-质量流量计-可控针阀-布气管配置。可见，只需对溅射靶进行改造，其他配置不变。
另一种改造方案是把原炉门上安装的离子源拆下，改装成单支的石墨旋转柱状磁控溅射靶，连接直流溅射电源负极，电源正极接炉壳接地，其它不变。
下面结合附图说明石墨中频磁控溅射孪生靶离子轰击清洗装置结构。
图1为石墨中频磁控溅射孪生靶离子轰击清洗装置示意图，显示溅射靶与被离子清洗工件相互位置关系。图示1为大型机真空室，有效内径达1.8—2.1米、高达2.1米，2为真空室炉壁，3为石墨磁控溅射孪生靶，它是一对相同结构的旋转柱状靶，3-1为孪生靶之一，3-2为孪生靶之二，两靶相对且靠近竖立安装，内部有山型磁铁芯，外套铜或不锈钢制的靶座套管，管内通水冷却；靶座套管外套装石墨靶管3-3，新靶管直径100mm、长1650-1850mm，两靶分别连接中频电源4的两个电极，向孪生靶输入频率为40KHz中频交变电。电压可调，输出额定最大功率20KW。该孪生靶附近置有氧气布气管5和氩气布气管6，分别向炉内输入氧气和氩气，两布气管分别外连炉外的各自供气系统，即质量流量计和气瓶等。炉内中轴安装公转工件转架7，它绕炉中轴转动。公转工件转架7外周面上贴有被镀工件(手机后盖8)，工件镀面朝向溅射靶面。靶/基距一般100-120mm，靶面到工件之间的空间是溅射等离子体9。
离子轰击清洗UV固化树脂膜片的工艺参数
主要参数：其一，是靶电压和靶电流。靶压决定碳离子能量，靶流决定碳离子流量，它们决定了离子轰击膜片的强度。不同配方的树脂材料的结构和交链强度不同，必须调整溅射出来的碳等离子体能量与之相适应，要有足够高的能量清除树脂表面污垢，同时刻蚀出均匀的微观粗糙化，但能量不能过高，不允许出现基体损伤的现象。实验数据显示，用于离子轰击清洗的靶压比正常用于沉积非晶碳黑色膜层的靶压低很多，这表明离子轰击清洗的碳粒子能量相对较低，它沉积到工件的结合力不会很牢固，会很容易用氧反应去除。其二，要调整氧的供入量，要有足够活性氧量与沉积到工件上的碳及时彻底反应去除，不留残余，以免导致影响透光率的问题。
经过反复试验和测试，优化出如下最佳工艺参数，用于各种配方的UV固化树脂膜片，均能得到满意的效果。
石墨孪生靶中频磁控溅射离子轰击清洗工艺：
1)装炉；
2)抽真空起始真空度3x10-3Pa；
3)充入工作气体：Ar 200-350sccm，充入反应气体：O2 80-120sccm；
4)轰击清洗真空度：5x10-2—8x10-1Pa；
5)石墨靶压：400-535V，靶流：25-35A；
6)轰击清洗时间：10-15分钟；
7)结束离子轰击清洗工艺，转入镀光学薄膜工艺流程。
石墨靶直流磁控溅射离子轰击清洗工艺：
在直径2100mm炉体内，使用单支石墨靶
1)装炉；
2)抽真空起始真空度3x10-3Pa；
3)充入工作气体：Ar 250—350sccm共7路，充入反应气体：O2150-250 sccm共3路；
4)轰击清洗真空度：4x10-1---8x10-1Pa
5)石墨靶压：450-500V，靶流：5--8A；
6)轰击清洗时间：10-15分钟
7)结束离子轰击清洗工艺，转入镀光学薄膜工艺流程。
经试验，证实上述工艺有效且稳定。
生产实例1：
石墨孪生靶中频磁控溅射离子轰击清洗生产工艺
工件：某品牌手机后盖，基体材料：UV固化树脂/PC/PMMA
机台1#装炉：满载；本底真空度：3x10-2Pa；充入Ar：300sccm；充入O2：99sccm；轰击清洗真空度：4x10-1Pa；靶压：500-490V；靶流：26-28A；轰击清洗时间：10分。
轰击清洗效果：显微观察工件表面清洁，且表面形貌显示表面被刻蚀，呈现微观粗糙化。见图3。后续镀膜结合力佳。参照图4作对比，图4显示线性阳极层离子源离子轰击清洗后UV固化树脂膜片表面形貌，表面清洁，但未见刻蚀微观粗化。后续镀膜结合力差。
生产实例2
单石墨靶直流磁控溅射离子轰击清洗生产工艺
设备2100镀膜机
工件：某品牌手机后盖，基体材料：UV固化树脂/PC/PMMA
装炉：满载；本底真空度：3x10-3Pa；充入Ar：300sccm，共7路，共2100sccm；充入O2：200sccm，共3路，共600sccm；轰击清洗真空度5x10，Pa；靶压：460-500V，靶流5A；轰击清洗时间：10分。
轰击清洗效果：显微观察工件表面清洁，且表面形貌显示表面被刻蚀，呈现微观粗糙化。后续镀膜结合力佳。
Claims (10)
1.一种离子轰击清洗装置，其用于对塑胶工件进行离子轰击清洗，其特征在于，其采用磁控溅射靶对工件进行离子轰击清洗。
2.根据权利要求1所述的离子轰击清洗装置，其特征在于，所述磁控溅射靶采用石墨磁控溅射靶。
3.一种离子轰击清洗工艺，其特征在于，利用石墨磁控溅射靶通过直流或中频磁控溅射产生碳溅射等离子体，在氩和氧等离子体共同参与下，对塑胶工件进行离子轰击清洗。
4.根据权利要求3所述的离子轰击清洗工艺，其特征在于，所述塑胶工件为透明塑胶工件，包括UV固化树脂膜片。
5.一种采用权利要求3或4所述离子轰击清洗工艺的光学镀膜机。
6.根据权利要求5所述的光学镀膜机，其特征在于，所述光学镀膜机为立式磁控溅射光学镀膜机，其包括真空室，其真空室内配置绕其炉中轴旋转的公转工件转架，其真空室的炉壁上安装有多对向炉内溅射的中频磁控溅射孪生靶，其中至少包括一对用于对工件进行离子轰击清洗的石墨中频磁控溅射孪生靶，每对所述孪生靶配备有一台中频电源，该中频电源的两极分别与孪生靶之一相连，所述立式磁控溅射光学镀膜机还配置有用于向其真空室内输送氩气和氧气的供气系统。
7.根据权利要求5所述的光学镀膜机，其特征在于，所述光学镀膜机为立式磁控溅射光学镀膜机，其包括真空室，其真空室内配置绕其炉中轴旋转的公转工件转架，其真空室的炉壁上安装有多对向炉内溅射的中频孪生靶，每对所述孪生靶配备有一台中频电源，该中频电源的两极分别与孪生靶之一相连，其炉壁上的炉门上还安装有一支用于对工件进行离子轰击清洗的石墨磁控溅射靶，该石墨磁控溅射靶连接直流溅射电源负极，直流溅射电源正极接炉壳然后接地，所述立式磁控溅射光学镀膜机还配置有用于向其真空室内输送氩气和氧气的供气系统。
8.根据权利要求6或7所述的光学镀膜机，其特征在于，所述立式磁控溅射光学镀膜机采用旋转柱状磁控溅射靶。
9.一种现有立式磁控溅射光学镀膜机的改造方法，其特征在于，改造方法如下：
将所述立式磁控溅射光学镀膜机炉壁上原有的一对中频磁控溅射孪生靶替换成一对用于对工件进行离子轰击清洗的石墨中频磁控溅射孪生靶，对应原中频磁控溅射孪生靶的中频电源的两极分别与该石墨中频磁控溅射孪生靶之一相连。
10.一种现有立式磁控溅射光学镀膜机的改造方法，其特征在于，改造方法如下：将所述立式磁控溅射光学镀膜机炉门上原有的离子源拆下，替换成一支用于对工件进行离子轰击清洗的石墨磁控溅射靶，该石墨磁控溅射靶连接直流溅射电源负极，直流溅射电源正极接炉壳然后接地。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN201598329U (zh) * | 2010-01-12 | 2010-10-06 | 深圳森丰真空镀膜有限公司 | 一种配置气体离子源的对靶磁控溅射装置 |
| KR20150076467A (ko) * | 2013-12-26 | 2015-07-07 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 조직제어가 가능한 알루미늄 코팅층 및 그 제조방법 |
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| CN114086143A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-02-25 | 湘潭宏大真空技术股份有限公司 | 基材镀膜工艺 |
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2022
- 2022-12-14 CN CN202211604934.7A patent/CN116005105A/zh active Pending
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