一周一个CMF工艺猜测 - 镀膜工艺（一）PVD溅镀

由于本网站没有放置文章编辑的特定模块，所以文章内容不完整，形式结构上也不清晰，所以强烈建议大家看我在普像网上发的原文，如下是文章链接：https://www.puxiang.com/articles/1100a72920bc66dfab4e8e80f8d1fc33

系列标题起猛了，一天一个CMF完全搞不过来，改成一周一个CMF工艺推测了。还是联想这个笔记本，C壳上有一个塑料件，关机状态是深灰色电镀效果，开机并打开氛围灯功能后，该塑料件能透灯光，虽然仔细看还是能看到塑料件涂层的不精致细节，但是依然挡不住我要继续摸透它的步伐。

我猜测这个塑料件是用了镀膜工艺的，但是不确定具体是那种镀膜工艺，然后问了一圈同事，得到了各种名字，如电镀、水镀、真空镀、溅镀，再问深一些，就经不起刨了。其实我过去也做过采用NCVM、PVD工艺的项目，但当时也没太在意这个技术细节，就是人云亦云，得过且过了。但是这次看到这么多同事也是一知半解，显然，这种状况，又一次激起了我的求知欲。这次经过翻物理化学书、搜刮专家（抖音博主）信息，反复对比验证信息。我觉得我第一次对各种镀的工艺有了一次从从容容的认知。

镀膜工艺的本质

镀膜工艺（PVD和CVD）本质上就是把膜层元素从靶材/前驱气体中，转移到目标零件上。

靶材成分有纯金属、金属化合物、Si/C等非金属等，我也找不到更合适的名字来统一，暂且用“膜层元素”来表示。

为什么要在外观件上用镀膜工艺

对于设计师来而言，我们选择镀膜的核心目的就是利用薄膜层给外观件增加额外的功能，我总结了6类功能，这6类功能也是利用了镀膜工艺的5个特性。

外观结构件常用镀膜工艺

目前镀膜工艺主要包含三个：PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）和电镀（电化学沉积）；因为PVD、CVD是在真空环境里进行，电镀是在电解溶液里进行的（水镀），所以行业里通常把PVD、CVD称为“干镀”，电镀称为“湿镀”。所以，根据三个工艺段不同，我把这三种工艺的分类整理了如下图：

我们工业设计行业中，常用的是PVD和电镀。相比较电镀，PVD的工艺制程更为精密复杂，最终效果更好，相应成本更高，所以一般中高端零件多采用PVD工艺；PVD工艺主要包含三种工艺：真空蒸发镀、溅射镀和电弧离子镀；为了方便记忆，我是这么来分的：根据释放膜层元素的方式不同分成蒸发镀和溅射镀。在沉积膜层元素过程中对待镀件增加了溅射工艺增加附着力的，叫做电弧离子镀。

一、PVD工艺 - 磁控溅射镀

目前PVD用的最多的是溅射镀，其中又以磁控溅射镀最主流。

溅射镀的工艺原理

电离氩气产生Ar离子，Ar离子快速撞击靶材，把靶材中的金属原子溅射出来，运动的金属原子被待镀件拦截，在待镀零件上完成沉积。整个工艺过程是在PVD罐里完成，工艺图解如下图：

PVD设备一般长成这个样子：

整个工艺基本上分成两个阶段：

阶段一：电离氩气

抽真空：氩气只有在真空环境里才能被很好的电离，并产生稳定的等离子体。所以，这一步，需要把PVD罐体内抽真空。
生成等离子体：PVD罐体被施加强电场，罐体里残留的初始自由电子在强电场的作用下，加速向阳极（腔体）运动，电子在高速运动中，携带的能量大于氩气的电离能撞击氩气，将氩气分子外的一个电子撞出，形成带正电的氩离子。同时被撞出的新的自由电子被强电场再次加速，继续撞击其他氩气分子，产生更多的氩离子和自由电子，这个过程就像“雪崩”一样，短时间会产生大量的电子和氩离子；
等离子体形成：当电子、氩离子达到一定浓度了，并且与PVD罐体内的氩分子形成动态平衡（电离速度＝符合速度）时，就形成了氩气等离子体。这个时候，我们就会在PVD罐上的观察口里观察到均匀的淡紫色辉光。

阶段二：氩离子撞击靶材，靶材原子沉积

氩离子撞击靶材：被电子撞出来的氩离子带正电荷，靶材是高电压负极，所以在强电场的作用下，氩离子快速轰击靶材表面，撞击能量大于靶材金属原子之间的结合能时，靶材金属原子被撞击出来，成为高速直线运动的气态原子。这个过程就是溅射。

一般靶材包括金属靶材、合金靶材、化合物靶材，如下图：
靶材原子沉积：靶材原子沉积的过程大体上是：靶材金属原子在高速运动中，被待镀件拦截，在待镀零件上完成沉积。目前有两种沉积方式：

a) 纯金属原子沉积：通常是Al、Ti、Cr、Cu原子，沉积为纯金属单质。这种沉积方式的优点是，工艺简单易控，沉积速度高，导电性能好，同时金属质感纯正。同时缺点也很明显，耐磨性差，硬度低，耐腐蚀性有限，膜层的致密性相对较大。

b) 金属化合物沉积：在溅射气体（氩气）加入活性反应气体（如N2、O2、CH4、C2H4），靶材原子在快速穿过等离子体时，与活性反应气体产生化学反应，形成全新的金属化合物（TiN、Al₂O₃、TiC），这些金属氧化物继续运动到待镀件上进行沉积，形成金属化合物薄膜层。这种沉积方式的优点是，金属氮化物/碳化物的化学键为强共价键，硬度远高于纯金属，所以高耐磨；化合物膜层致密且化学惰性高，可抵御酸、碱、盐等腐蚀介质；化合物膜的颜色由成分和厚度共同决定，可实现金色、黑色、彩色等多种外观，且颜色稳定性优于电镀染色。