手機(jī)機(jī)殼的表面處理(磁控濺射專案)

1、手機(jī)機(jī)殼的表面處理-磁控濺射專案劉兵 2008.05.19-23一、目標(biāo)利用磁控濺射等技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品表面的功能化和美觀化，同時(shí)，盡最大可能降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本等。當(dāng)前重點(diǎn)在手機(jī)機(jī)殼表面的處理，使其具有抗腐蝕、抗磨損和高貴典雅的顏色等。將來，根據(jù)市場(chǎng)情況開發(fā)更多的產(chǎn)品，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率，實(shí)現(xiàn)超值盈利。圖1示出了生產(chǎn)/開發(fā)產(chǎn)品計(jì)劃制訂流程。預(yù)算資源分配.生產(chǎn)/開發(fā)計(jì)劃制訂的流程工作描述和指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（一二級(jí)計(jì)劃）產(chǎn)品生產(chǎn)/開發(fā)目標(biāo)$Time計(jì)劃的調(diào)整PDT信息技術(shù)WBSPERT主要/詳細(xì)時(shí)間表（三級(jí)計(jì)劃）VVVVVVVV計(jì)劃更改單合同書監(jiān)控計(jì)劃狀態(tài)轉(zhuǎn)移表01230246市場(chǎng)需求技術(shù)現(xiàn)狀資源約束生產(chǎn)/開發(fā)規(guī)

2、范Payoff tables工作計(jì)劃的監(jiān)控GANTT圖1 生產(chǎn)/開發(fā)產(chǎn)品計(jì)劃制訂流程二、手機(jī)機(jī)殼生產(chǎn)總路線N清洗鍍膜噴UV漆包裝品檢品檢品檢YNYN廢品Y機(jī)殼品檢YN廢品圖2 手機(jī)機(jī)殼生產(chǎn)總體技術(shù)路線以磁控濺射為主的手機(jī)機(jī)殼生產(chǎn)總體技術(shù)路線如下：欲完成產(chǎn)品的制造，每個(gè)環(huán)節(jié)都是相當(dāng)重要的，真可謂“一著走錯(cuò)，全盤皆輸”，尤其是鍍膜這一環(huán)節(jié)，因其是不可重復(fù)的，故下面將重點(diǎn)簡(jiǎn)述磁控濺射鍍膜相關(guān)的設(shè)備、技術(shù)等。三、真空設(shè)備的建制圖3 磁控濺射真空設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)備各部件功用及說明：1、 真空室材料及規(guī)格：SUS304，1900800mm。可向中國(guó)國(guó)內(nèi)相應(yīng)的廠商訂購(gòu)，最快完成時(shí)間估計(jì)3個(gè)月。2、 圓柱

3、靶材規(guī)格：（根據(jù)需要而定）冷卻水要求進(jìn)水溫度為17-190C，出水溫度不高于210C，活動(dòng)處采用動(dòng)密封以防止冷卻水泄露；總磁場(chǎng)強(qiáng)度約200-500Gs。3、 靶電源規(guī)格：P=0-10kW，10-20 kW (中頻a.c.，可調(diào))；P=0-10kW (d.c.，可調(diào))。最好選擇美國(guó)AE公司的產(chǎn)品，不過，中國(guó)國(guó)內(nèi)亦有產(chǎn)品可供選擇。4、 氣體流量計(jì)的選擇：500sccm（2只），一組靶和一個(gè)離子源各需2只，流量范圍：0-200sccm。氣體的供給需考量。國(guó)內(nèi)外均可訂購(gòu)。5、 加熱溫度范圍：0-300oC。采用電阻加熱絲加熱，加熱器應(yīng)離工件近些，離爐壁盡量遠(yuǎn)些。其背面應(yīng)加2-3層熱屏蔽板，板間相隔5-

4、10mm。這樣可以集中熱量向工件輻射，同時(shí)減少向爐壁的輻射，防止多出氣并降低對(duì)冷卻的要求。6、 陽極線性離子源規(guī)格：P=0-10kW(恒功率模式)，V=0-2kV(恒電壓模式)，根據(jù)需要選擇規(guī)格、數(shù)量及安裝方式。需安裝可調(diào)節(jié)流閥。離子源可向美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯、英國(guó)等相應(yīng)的廠商訂購(gòu)。7、 分子泵（4套）：泵的個(gè)數(shù)和抽速的選擇，要根據(jù)爐內(nèi)容積和極限真空度的要求來確定，極限真空度應(yīng)在40分鐘內(nèi)達(dá)到6x10-6Torr以上即可。分子泵可向德國(guó)萊堡、中科儀等廠商訂購(gòu)。萊堡產(chǎn)品質(zhì)量好但維修相當(dāng)麻煩；中科儀的產(chǎn)品質(zhì)量稍差，但使用和維修很方便。羅茨泵、機(jī)械泵（一套）可向四川南光泵業(yè)有限公司等訂購(gòu)。8、 工件架

5、：需要機(jī)械工程師設(shè)計(jì)通過相應(yīng)的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)良好的公/自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速比，公轉(zhuǎn)速度介于8-12轉(zhuǎn)/分鐘之間且可調(diào)。形狀類似于“鳥籠”。9、 靶基距：在80-130mm間可調(diào)。在靶與工件之間設(shè)置可拆卸的電極柱以便加負(fù)偏壓，形成非平衡磁場(chǎng)濺射系統(tǒng)，提高等離子體的濃度，從而提高濺射速率。10、預(yù)留孔：可安裝監(jiān)控裝置等。預(yù)留孔數(shù)量亦可增加至6個(gè)，甚至可在側(cè)面設(shè)置一個(gè)及以上的預(yù)留孔。11、一般連接部位的密封采用氟橡膠圈，特殊部位，如靶材的動(dòng)密封需采用磁流體等密封。12、另外，掛具（支撐貨件的機(jī)構(gòu)）、反應(yīng)氣體布局（增強(qiáng)等離子體輝光均勻性）和擋板機(jī)構(gòu)（避免清洗靶材對(duì)貨件的污染）等的設(shè)計(jì)亦是相當(dāng)重要。13、 須焊接的部分采

6、用氬弧焊，內(nèi)部滿焊，外部點(diǎn)焊。14、環(huán)境要求：真空設(shè)備安裝于操作間，空氣潔凈度為百萬或萬級(jí)，只要干凈即可，但溫度需要在20-250C；主要?dú)庠?、機(jī)械泵和羅茨泵等放置在服務(wù)間。15、設(shè)計(jì)的真空設(shè)備與當(dāng)前所用真空設(shè)備的差異在于以下幾點(diǎn)：1） 陽極線性離子源的使用和布局；2） 工件架的運(yùn)動(dòng)方式；3） 擋板機(jī)構(gòu)；4） 在靶與工件之間設(shè)置可拆卸的電極柱的使用，這增加了設(shè)備使用的靈活性，即既可以采用平衡磁控濺射方法鍍制各種薄膜，亦可采用非平衡磁控濺射生產(chǎn)各種產(chǎn)品； 5） 采用此設(shè)備可使?jié)M足性能的薄膜的厚度為薄膜級(jí)（nm級(jí)）而不是殼層級(jí)（m級(jí)），須據(jù)不同種類的薄膜而定。當(dāng)然，可在該設(shè)備上利用常規(guī)硬膜工藝完成

7、產(chǎn)品的制造。四、磁控濺射鍍膜的技術(shù)及關(guān)鍵依據(jù)于薄膜濺射沉積的總技術(shù)路線及產(chǎn)品的需要，下面從不同基體出發(fā)，簡(jiǎn)述磁控濺射鍍膜的技術(shù)及關(guān)鍵。1、不銹鋼基體為達(dá)到耐磨損、抗腐蝕和客戶需求的外觀，在此基體上濺射沉積薄膜時(shí)必須進(jìn)行材料選擇和工藝設(shè)計(jì)等。具有豐富的外觀顏色和抗腐蝕的薄膜大多屬于碳化物、氧化物和氮化物形成的吸收/干涉膜，目前用于手機(jī)殼表面的薄膜多為Cr(C,N)x或Ti(C,N)x。如果直接在不銹鋼表面沉積這些薄膜，就會(huì)造成產(chǎn)品的抗磨損能力很差。維達(dá)力和富士康已具有的常規(guī)工藝技術(shù)路線，在此就不累述。他們的技術(shù)路線大致差不多，僅就沉積Cr(C,N)x而言，薄膜沉積時(shí)間需要6-8小時(shí)，目前都是通過

8、增加真空設(shè)備或增大真空設(shè)備的容積來增加產(chǎn)能，正在進(jìn)行工藝優(yōu)化或選擇其它鍍膜材料替代Cr(C,N)x，以縮短Cr(C,N)x薄膜沉積時(shí)間。在他們的工藝參數(shù)中，偏壓參數(shù)、濺射功率、靶材和氣流量及分布等的選擇是絕對(duì)關(guān)鍵的因素。例如，在生產(chǎn)CrCx硬膜時(shí)，偏壓參數(shù)選擇不好的話，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀不合格，或薄膜與基體間的結(jié)合力差等；在濺射功率一定的條件下，濺射氣體與反應(yīng)氣體的比例決定了外觀的顏色，如需要白色薄膜，則需使薄膜中Cr含量高于C含量，如需要黑色薄膜，則需使C含量高于Cr含量，而要其它顏色就需調(diào)整薄膜中的Cr/C比，也就是說，CrCx硬膜的顏色決定于薄膜中的Cr/C比。另外，外觀的顏色是我們用肉眼去

9、感覺的，這樣，外觀顏色在一定程度上會(huì)取決于薄膜表面的粗糙度；為減小靶材購(gòu)買成本和便于采用孿生對(duì)靶中頻交流磁控濺射技術(shù)，圓柱靶材最好采用金屬/合金靶而不是陶瓷靶。Si系、W系等都是很好的高性能外觀薄膜材料，例如SiNx薄膜具有典雅的玫瑰紅且抗腐蝕和抗磨損性能好，WCx薄膜雖具有豐富的顏色和高硬度但在通常情況下薄膜的抗腐蝕性能和抗磨損性能較差，我已掌握涉及它們的制備技術(shù)（中頻反應(yīng)磁控濺射）及相關(guān)難題的解決方法。為縮短薄膜沉積時(shí)間，除選擇替代材料外，優(yōu)化制備技術(shù)更具有前景。如采用離子源輔助沉積，因?yàn)橄鄬?duì)于當(dāng)前工藝技術(shù)（無離子源輔助沉積），采用離子源輔助沉積既能獲得滿足客戶需要的產(chǎn)品，又能大大縮短成膜

10、時(shí)間。此方法中，離子源的工作參數(shù)、濺射功率、靶材和氣體等的選擇是十分關(guān)鍵的因素。離子源在此過程中的作用主要有兩點(diǎn)：一、在薄膜沉積中，提供一定的能量，促進(jìn)原子遷移和薄膜生長(zhǎng)；二、離子源提供了反濺射過程，這樣會(huì)促使薄膜表面粗糙度變小，這要根據(jù)薄膜生長(zhǎng)模式而論。在工作期間，某些產(chǎn)品就是利用離子源輔助沉積方法開發(fā)的。如果采用離子源輔助沉積生產(chǎn)CrCx薄膜，其厚度約為1m，而采用常規(guī)工藝其厚度必須大于3m。表1 離子源輔助沉積工藝和常規(guī)工藝制備CrCx薄膜的性能比較工藝厚度(L，a，b)抗磨損性能（評(píng)分?jǐn)?shù)）抗腐蝕性（評(píng)分?jǐn)?shù)）加熱離子源輔助沉積1m（80，0，4）800HV（4”）優(yōu)（10”）不需要常規(guī)工

11、藝3m（60，0，3）600HV (3”)好（6-8”）需要采用以上方法獲得CrCx薄膜的方案均以下面的路線為基礎(chǔ)：1）基體：不銹鋼（有消息稱，市場(chǎng)將選擇無Ni不銹鋼作為日常用品的基材）2）靶材：Cr、SS、3）氣體：純Ar、C2H24）沉膜參數(shù)：本底真空度、濺射功率、Ar/C2H2比、離子源參數(shù)（電壓、時(shí)間、氣量等）、成膜時(shí)間等5）鍍膜操作都需要有嚴(yán)格的規(guī)范，包括操作次序、參數(shù)一致性檢查、濺射電壓穩(wěn)定性、爐壓變化、操作時(shí)間的記錄等6）需要說明的是，用同樣的方法制備同一產(chǎn)品，因設(shè)備的不同而需適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)。2、鎂/鋁合金基體為利用鎂/鋁合金輕質(zhì)和高彈性模量等的優(yōu)點(diǎn)而克服不抗腐蝕的缺點(diǎn)等，人們

12、利用微弧氧化技術(shù)（亦稱為陽極等離子電漿沉積）在鎂/鋁合金表面生長(zhǎng)鎂/鋁合金陶瓷層，陶瓷層的顏色主要是白色或黑色色調(diào)，且因陶瓷層表面多孔（孔徑處于微米級(jí)）導(dǎo)致外觀色澤亟需改善。為滿足客戶更多更高的要求，人們通常在拋光的陶瓷層表面采用噴涂或蒸發(fā)的方法獲取具有好色澤的外觀薄膜。這兩種常用的方法各具有優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于高檔產(chǎn)品來說，他們也存在致命的弱點(diǎn)，即表層薄膜抗磨損能力不能滿足客戶的要求，這主要是因陶瓷層中微孔里的殘留物引起表層薄膜與基體（陶瓷層）間的結(jié)合力不夠所致。有人會(huì)提出采用超聲波清洗可將這些殘留物去除，這是一個(gè)很值得商榷的辦法。因超聲波清洗能否成功地將微米級(jí)孔中由拋光殘留物和陽極氧化電渣等組成的

13、殘留物去除？鑒于此，如果采用等離子體清洗就會(huì)容易得多，并且可采用磁控濺射技術(shù)沉積各種顏色的薄膜。相對(duì)于在金屬基體表面沉積碳化物、氧化物和氮化物薄膜而言，因薄膜與基體間的應(yīng)力差較小，故在拋光的陶瓷層表面沉積這些薄膜也容易得多。當(dāng)然，因不同形狀的產(chǎn)品而引起的陶瓷層的拋光亦是需要解決的技術(shù)之一。因此，結(jié)合微弧氧化技術(shù)和磁控濺射技術(shù)，制造輕質(zhì)和高性能（抗震、抗腐蝕、抗磨損及優(yōu)質(zhì)外觀等）的產(chǎn)品（如手機(jī)外殼、筆記本電腦框架等）就成為可能。表層薄膜的制備可參照不銹鋼基體表面薄膜的制備技術(shù)路線。3、塑料基體塑料基材因資源豐富而成本低廉，目前人們采用多種方法在塑料機(jī)殼表面沉積具有金屬質(zhì)感但不影響手機(jī)信號(hào)的薄膜，

14、例如Si合金系列（黑色）和In合金系列（白色）的NCVM薄膜，目前采用的主流生產(chǎn)技術(shù)我還未弄清楚。不過，我認(rèn)為可以采用磁控濺射的方法在塑料基體上生產(chǎn)NCVM薄膜，采用這種方法的難點(diǎn)之一是解決NCVM薄膜與塑料基材間結(jié)合力差的問題。依據(jù)于塑料基材與NCVM薄膜間的成分和熱學(xué)性質(zhì)差異，可考慮采用梯度層的方法解決結(jié)合力的問題。梯度層的成分靠近塑料基材的部分應(yīng)含有較多的SiNyOx，以增強(qiáng)薄膜與基材間的結(jié)合力。為更有效的解決該問題，亦可采用離子源輔助沉積。另一個(gè)難題可能是在形成真空或沉膜過程中，基材會(huì)釋放出一些氣體或水分等，影響薄膜在基材表面的附著。這可借助于離子源和冷凝技術(shù)（如采用polycold設(shè)

15、備使基材溫度很低）得到改善。解決了梯度層的問題，表層NCVM的鍍制就比較方便啦。但在采用磁控濺射技術(shù)鍍制NCVM薄膜的時(shí)候，離子源參數(shù)、靶材濺射功率和氣流量的選擇是需要慎重考慮的。五、其他產(chǎn)品的開發(fā)根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展，很多表面處理的產(chǎn)品均有可能采用磁控濺射技術(shù)生產(chǎn)，例如ITO、AZO透明導(dǎo)電膜，鏡頭表面處理；小連接件表面處理可考慮采用多弧離子鍍。下面以AZO薄膜的制造為例，談?wù)勂溟_發(fā)過程。第一，據(jù)合金相圖和前人的經(jīng)驗(yàn)，選擇一定配比的Al/Zn合金靶材，如2-3at%Al，其余為Zn和少量雜質(zhì)；第二，在適當(dāng)?shù)谋镜渍婵眨ㄈ?10-5torr）和某一恒定濺射功率下，調(diào)整Ar/O2比，做遲滯回線，選擇AZ

16、O薄膜沉積的Ar/O2比；第三，在確定基本的濺射功率和Ar/O2比后，選擇適當(dāng)?shù)募訜釡囟取⒓訜釙r(shí)間、加熱方式和沉膜時(shí)間；第四，如果條件允許，可以考慮加以離子源輔助沉積（離子源輔助沉積是制備ITO薄膜的一種低溫技術(shù)）；第五，性能檢測(cè)，包括電阻、光透過率、厚度、濕熱、耐酸堿等常規(guī)檢測(cè)。六、產(chǎn)品的檢測(cè)當(dāng)前Nokia、Moto對(duì)手機(jī)機(jī)殼表面的檢測(cè)項(xiàng)目主要有：1、 就抗磨損性能而言，Nokia采用溜桶（Tumbling）測(cè)試，以檢驗(yàn)產(chǎn)品抗磨損能力，能抵抗2小時(shí)的溜桶測(cè)試相當(dāng)于日常生活中至少可使用2年；Moto采用往還摩擦測(cè)試，記錄在一定載荷下的往還次數(shù)，以確定產(chǎn)品的使用壽命。2、 對(duì)于抗腐蝕性能來說，基本上是采用鹽霧測(cè)試。3、 在外觀質(zhì)量方面，通常采用色