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DLC類金剛石表面涂層技術(shù)在模具中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2018-01-30
1、引言
DLC(類金剛石)涂層技術(shù)是一種應(yīng)用于沖切工具領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)。DLC涂層的工業(yè)化生產(chǎn)開始于20世紀(jì)末。與應(yīng)用于模具上的硬質(zhì)涂層(如TiN,TiAlN,CrN,TiCN等)相比是一種嶄新的涂層技術(shù)。在半導(dǎo)體封裝、管腳切割和成形制造過程中，高精度的模具是確保產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。模具表面質(zhì)量又決定了產(chǎn)品優(yōu)良率、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品電學(xué)性能等。所以，應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝行業(yè)的模具不但要求高精度，同時(shí)也要求模具刃口件向表面低摩擦因數(shù)和高硬度的方向發(fā)展，而運(yùn)用等離子體DLC涂層技術(shù)的涂層是這一問題的主要解決方案。
2、基本原理
DLC涂層處理使用的是一種物理氣相沉積工藝技術(shù)PVD(physical vapor deposition)。是在真空條件下(1.3x10-2～1.3x10-4Pa)，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。
DLC涂層是一種在微觀結(jié)構(gòu)上含有金剛石成分的涂層。構(gòu)成DLC的主要元素為碳，碳原子之間的不同結(jié)合方式，最終產(chǎn)生不同的物質(zhì)：金剛石(diamond)--碳碳以sp3鍵的形式結(jié)合；石墨(graphite)一碳碳以sp2鍵的形式結(jié)合。類金剛石(DLC)一碳碳以sp3和sp2健的形式結(jié)合；其涂層結(jié)構(gòu)是由碳的sp3和sp2形態(tài)混合而成的無定型組織(沒有顯性的晶格結(jié)構(gòu))，涂層性能的好壞取決于形成的膜層結(jié)構(gòu)中sp3和sp2各自所占的百分比，sp3所占的比率越高，膜層性能越接近天然金剛石，顯微硬度越高；sp2所占的比率越高，膜層的自潤(rùn)滑性能越好，摩擦因數(shù)越小，但顯微硬度會(huì)降低(它和金屬之間的摩擦因數(shù)的范圍一般是0.05～O.2)。通過設(shè)定生產(chǎn)流程中的工藝參數(shù)和選擇不同的靶材，可以控制最終成形膜層的屬性來滿足不同場(chǎng)合的需求。
3、工藝流程及參數(shù)
DLC處理的工藝流程包括所需處理工件基體的處理(拋光、清洗)、靶材的選擇、成形工藝條件的設(shè)定、成形及成形后的檢測(cè)等。
要想得到高品質(zhì)的DLC涂層，工件基體處理的好壞至關(guān)重要。將工件要拋光到小于Ra0.2um,涂覆處理后的工件才可得到滿意的表面質(zhì)量，這對(duì)成形一些具有光學(xué)性能要求的零件是非常重要的(如成形光學(xué)鏡頭和成形LED零件)。這里要注意的是基體表面處理不能留有死角，這關(guān)系到膜層是否能與基體牢固地結(jié)合。
將要涂覆的工件還要充分清洗。清洗工藝取決于涂覆的質(zhì)量水平、母材和幾何形狀。工件裝在設(shè)定的夾具上，夾具是在使腔體裝載尺寸最優(yōu)化和保證涂覆均勻的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。真空室抽真空至10-6托(高真空)來排除系統(tǒng)中的任何污染物。真空室中通入惰性氣體并使其離子化。導(dǎo)致產(chǎn)生輝光放電(等離子體)。這是氣體清洗階段并使零件做好最初的金屬沉淀準(zhǔn)備。
在靶材(用于沉淀的固體金屬)上加載高電流、低電壓電弧，金屬被蒸發(fā)并且瞬間離子化，這些金屬離子在高能量的作用下通過惰性氣體或活性氣體進(jìn)入腔體并沉淀在工件上。在金屬沉淀過程中蒸發(fā)了的金屬(靶材)保持不變。在激活的沉淀過程中，改變氣體的體積或種類將會(huì)改變膜層的性質(zhì)，形成像碳化物、氮化物或氧化物的陶瓷。同樣，通過改變靶材的材質(zhì)也可以產(chǎn)生不同的膜層。表1是不同的膜層所用的工藝參數(shù)。
在涂覆完成后，還需要對(duì)成形后工件的膜層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，包括工件的光澤、膜層的厚度是否均勻而且尺寸在控制范圍之內(nèi)，以及膜層是否出現(xiàn)分層現(xiàn)象等。
如果成形后的膜層出現(xiàn)光澤不均勻、有花紋現(xiàn)象，則有可能是靶材的材質(zhì)的純凈度不夠，含有較多的雜質(zhì)所致。另外還有一種可能性是涂覆設(shè)備出現(xiàn)了問題，沒有穩(wěn)定的工藝環(huán)境。出現(xiàn)這種情況，首先要排查是否設(shè)備出現(xiàn)了問題，如果不是則必須更換靶材。在設(shè)備穩(wěn)定的情況下，膜層的厚度取決于成形的工藝時(shí)間.出現(xiàn)膜層厚度超差一般都是處理時(shí)間過長(zhǎng)或過短所致，只要調(diào)整處理時(shí)間就可以解決問題。
一般最常見也是比較難解決的的問題是膜層和工件基體之間的結(jié)合力不強(qiáng)。出現(xiàn)分層現(xiàn)象(見圖3)。出現(xiàn)這種問題的原因有很多種，最主要的有工件清洗得不干凈、不徹底，工件的基體沒有拋光到工藝要求或者存在缺陷，成形工藝參數(shù)不合理等。出現(xiàn)這種情況要一項(xiàng)項(xiàng)去排除，直至找到真正的原因。為了解決基體與膜層分層的問題，有時(shí)還需要對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處理，即在工件上預(yù)先涂覆一層金屬來消除基體本身的缺陷。
表1膜層種類及工藝參數(shù)
圖3 膜層與基體出現(xiàn)分層現(xiàn)象
| 名稱 | 成分 | 膜層厚度/um | 硬度/HV | 摩擦因數(shù) | 最高工作溫度/℃ | 處理溫度/℃ |
| C10 | DLC(ta-C) | 0.5~2.5 | 5000~9000 | 0.1 | 400 | 204 |
| C11 | DLC(a-C:H) | 1.0~4.0 | 2000~3000 | 0.1 | 350 | 204 |
| C12 | Me-DLC | 1.0~5.0 | 1000~2000 | 0.1 | 350 | 160 |
| C14 | C-DLC | 1.0~3.0 | 2200~4000 | 0.06~0.15 | 350 | 180 |
圖3 膜層與基體出現(xiàn)分層現(xiàn)象
4、典型應(yīng)用
DLC涂層以其特有的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于對(duì)摩擦和磨損有特殊要求的場(chǎng)合，典型應(yīng)用以下幾個(gè)領(lǐng)域。
(1)切削領(lǐng)域：鉆頭、銑刀、硬質(zhì)合金刀片等。
(2)金屬材料成形領(lǐng)域：凸模、凹模、精密沖裁、壓印成形零件等。
(3)模壓成形領(lǐng)域：模腔和型芯、頂桿及各類鑲件等。
(4)引擎領(lǐng)域：閥類、活塞銷、頂桿、活塞等。
(5)半導(dǎo)體領(lǐng)域：引腳成形模具的刀口件、封裝模具的成形鑲件和鑲塊等。
(6)其他零部件：軸類、齒輪、軸承、凸輪和從動(dòng)滾輪等。
在半導(dǎo)體封裝模具領(lǐng)域中，由于綠色環(huán)保樹脂的廣泛應(yīng)用使得成形后產(chǎn)品的脫模越來越困難。在傳統(tǒng)工藝加工的模具中，經(jīng)常出現(xiàn)由于脫模困難而造成產(chǎn)品的報(bào)廢，相對(duì)應(yīng)需要洗模的周期也越來越短，產(chǎn)品的優(yōu)良率和生產(chǎn)效率也越來越低，模壓工序中生產(chǎn)成本的居高不下成為半導(dǎo)體后道生產(chǎn)中的瓶頸。而使用DLC涂覆工藝處理的模具可以很好地解決這一問題，通過對(duì)模具中關(guān)鍵零件(型腔和型芯)的表面涂覆一層DLC涂層，可以大大降低產(chǎn)品脫模力，杜絕因脫模力太大而造成產(chǎn)品報(bào)廢的現(xiàn)象。同時(shí)，生產(chǎn)效率也得到了極大的提高，以前生產(chǎn)不到100模就需要洗模，現(xiàn)在生產(chǎn)1000模以上才需要洗模。
在半導(dǎo)體產(chǎn)品的引腳成形模具中，DLC涂層同樣得到了廣泛的應(yīng)用。由于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高和PPF框架的逐步推廣使用，引腳成形時(shí)的表面損傷越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)，引腳表面在成形時(shí)的損傷不但會(huì)影響產(chǎn)品的電性能參數(shù)，降低產(chǎn)品的使用壽命，而且容易引起產(chǎn)品管腳的虛焊，造成整塊電路板的報(bào)廢。在傳統(tǒng)模具中，人們不得不花費(fèi)大量的時(shí)間和精力從數(shù)量眾多的產(chǎn)品中剔除那些因?yàn)橐_損傷而不合格的產(chǎn)品，同時(shí)，成形模具的維護(hù)、清洗也極為頻繁，一般幾個(gè)小時(shí)就要清洗一次，對(duì)生產(chǎn)效率造成了極大影響。DLC涂層由于其極低的摩擦因數(shù)和自潤(rùn)滑性能而能極大改善這一現(xiàn)象。通過在模具成形零件上涂覆一層DLC涂層。可以有效提高產(chǎn)品的品質(zhì)、減少維護(hù)時(shí)間、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
5、結(jié)束語
DLC涂層技術(shù)是新興發(fā)展起來的一種表面涂覆處理技術(shù)，以其優(yōu)異的高硬度、低摩擦因數(shù)和自潤(rùn)滑性能而被用于對(duì)摩擦和磨損有特殊要求的場(chǎng)合。其在模具刃口件和成形零件中的應(yīng)用，可以有效提高模具本身的使用性能，提升產(chǎn)品的品質(zhì)，明顯地增加模具的使用壽命、減少維護(hù)時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了單位生產(chǎn)成本。隨著產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高和對(duì)產(chǎn)品單位成本的嚴(yán)格控制，DLC表面涂覆技術(shù)會(huì)在模具工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
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