Embed Size (px)
Citation preview
PONENTES BALABARCA MEDINA, MICHEL JACK
CASTILLEJO TORRES, VICTOR HUGO
ROMERO RIOS, JOEL ENRRIQUE
¿Qué es la deposición en fase vapor?
Es una técnica de recubrimiento basada en la formación de un vapor del
material que se pretende depositar en capa delgada, sobre otro material
con la finalidad de otorgarle a este segundo propiedades extras ya sea
contra el desgaste o la corrosión.
Las tres etapas principales de este proceso son:
1) Creación de la fase vapor de la especie del recubrimiento.
2) Transporte desde la fuente al sustrato
3) Deposición y crecimiento del recubrimiento en el sustrato
Pueden distinguirse dos procesos de deposición
Los basados en fenómenos físicos.
Los fundamentados en reacciones químicas.
¿Cuáles son los tipos de
deposición?
• Física
PVD ( por ejemplo, sputtering o
epitaxial)
• Química
Baja presión LPCVD
Con plasma PECVD
Presión atmosférica APCVD o Laser.
¿Como sucedió a través del
tiempo ?• Las primeras aplicaciones de PVD fueron técnicas,
siendo los recubrimientos de TiN, los primeros enrealizarse por este método, y tenían como finalidadaumentar la dureza de las piezas de acero recubiertas,consiguiendo de esta manera una mayor resistencia aldesgaste. Otros recubrimientos técnicos desarrolladosposteriormente son los de TiCN, CrN, TiAlN-AlTiN.
• Posteriormente se realizaron recubrimientostribológicos que son los que buscan no sólo mejorar ladureza de los materiales sino también las característicasde deslizamiento, rozamiento y auto lubricación encontactos metal-metal. Estos recubrimientos suelen sercapas de sulfuros y carburos metálicos sobresaturadosde carbono.
• Con el fin de mejorar las propiedades de losmetales para que tengan un mejor desempeñofrente las extremas condiciones y factoresindustriales como la fricción, las altastemperaturas, corrosión y el desgaste, existennumerosas técnicas de recubrimientos concapas delgadas de materiales súper duros detipo cerámico.
• De todas las técnicas empleadas para obtenerrecubrimientos duros, quizás las que hantenido mayor auge en los últimos 20 años,tanto a nivel académico como industrial, sonlas basadas en la deposición en fase vapor detipo físico (PVD).
Deposición física en fase vapor• Esta técnica está basada en la formación de un
vapor del material que se pretende depositar encapa delgada. Para ello, el material en formade sólido es sometido bien sea a un proceso decalentamiento hasta la evaporación(evaporación térmica) o bien se 'pulveriza'mediante un bombardeo intenso con partículascargadas en forma de iones (bombardeocatódico o 'sputtering'). También es posiblebombardear la muestra con un haz de ionesprocedentes de una fuente externa de iones.Esta última técnica permite variar la energía yla intensidad de los iones que alcanzan lasuperficie del material a depositar.
• Este proceso se realiza en atmósfera controladaen alto vacío (10-5 mbar), para evitar lainteracción del material en estado gaseoso conel aire, así como la absorción, por parte delsustrato, de gases contaminantes de laatmosfera, además se efectúa a temperaturas deentre 150 y 500 °c, dependiendo de lascaracterísticas a obtener en el recubrimiento.
Balabarca Medina, Michel Jack
Variantes
bombardeo del material sólido
a depositar con partículas
la evaporación se inicia por
calentamiento
La gran diferencia es el método de
evaporación
si la evaporación se produce por calentamiento
de un haz de electrones sobre un crisol
conteniendo el metalion plating
Si se produce por efecto de un arco eléctrico que
se desplaza sobre el metal (cátodo) evaporación por arco
Y si el vapor se consigue por bombardeo sobre el
material metálico o cerámico, mediante un haz de
iones de gas inerte (Ar)
sputtering o
pulverización catódica.
Proceso de deposición por pulverización.
Esta técnica es fundamentada en el lanzamiento de partículas, aceleradas por
un campo eléctrico , plasma, contra la superficie de un cátodo, el cual libera
átomos que se proyectan para depositarse en el sustrato.
una fuente de iones de alta energía, producen iones del material recubrimiento
que se dirigen a la pieza sustrato de la especie a depositar. El choque de los
iones produce la atracción de los átomos que se proyectan sobre el sustrato
ubicada paralelamente al cátodo .
En este proceso el vapor se
produce a partir del
material seleccionado para
el deposito ubicado en una
fuente que se calienta por
diversos métodos :
resistencia , inducción ,
arco eléctrico, proyección
de electrones o laser. Se
requiere realizar el vacío
dela cámara al nivel de
10−3 a 10−8 Pa .
Proceso de deposición por evaporación
Velocidad de deposición.La velocidad de deposición 𝑉𝑛𝑚 expresada en átomos por segundo átomos/s.indica el crecimiento del espesor en cada puntos del sustrato y es funciónprincipal de la velocidad de encuentro de los átomos evaporados.𝑁𝑎,con lasuperficie del sustrato y esta influida por la separación y posición geométricaentre el metal fundido y el sustrato :
𝑀𝑚: peso molecular de la especie a depositar .
𝑃𝑣: presión de equilibrio de vapor en la superficie de evaporación.
T : temperatura .
𝑃𝑔: Presión del gas .
R : constante de Boltzman.
𝜂𝑒𝑟: rendimiento de la evaporación.(Rebajado por el ensuciamiento de lasuperficie)
S : superficie de deposición.
𝑉𝑛𝑚 =𝑑𝑁𝑎𝑑𝑡
= 𝜂𝑒𝑟𝑆 𝑃𝑣 − 𝑃𝑔
2𝑀𝑚. 𝑅. 𝑇1/2
Velocidad de crecimiento del espesor.
𝑉𝑛𝑚 : velocidad de deposición.
𝜌 : densidad .
S : superficie de deposición.
d : distancia .
𝑙 : longitud.
𝑉ℎ =𝑉𝑛𝑚
𝑆. 𝜋. 𝜌. 𝑑21
1 +𝑙𝑑
2
2
Variación de espesores en función de la variación de
los valores (l,d) de cada punto del sustrato
Con esta tecnología se pueden recubrir todo tipo de aceros de alta y baja
aleación y metales duros; además, casi todos los materiales metálicos no
ferrosos, e incluso, cerámicos. Pueden producirse recubrimientos de una o de
varias capas (multicapas), así como capas de varios elementos y sistemas de
recubrimiento con muy buena adhesión. Los recubrimientos PVD tienen
infinidad de aplicaciones pero, básicamente, según su microestructura son
muy útiles para aplicaciones tribológicas (desgaste y fricción); resistencia
química, para proteger superficies frente a la corrosión; eléctricas y
magnéticas, con el fin de crear capas superconductoras, aislantes y
magnéticas.
Se usan en el recubrimiento de componentes de motores para vehículos y
autopartes, para proteger y prolongar la utilidad de herramientas de corte,
troqueles y moldes, en la construcción de dispositivos electrónicos,
biomateriales e implantes médicos, herramientas para minería y la industria
aeroespacial.
APLICACIONES DE LA DEPOSICION FISICA
• prolongan la vida útil de los herramentales, aumenta los niveles de producción,
reduce los esfuerzos de corte o estampado, evita agarrotamientos y reduce los
tiempos muertos por cambios de herramientas o reprocesos.
• El recubrimiento abre nuevas dimensiones en la fabricación y diseño con claras
ventajas en la reducción de costos de numerosas aplicaciones.
• Los recubrimientos duros proporcionan una combinación ideal de bajo
coeficiente de fricción, elevada resistencia al desgaste y capacidad extrema de
carga. Una característica especial, es el notable rendimiento durante el rodaje y
en seco de los recubrimientos desarrollados por PVD y CVD.
• Reducción de costos: menos gastos en refrigerante, consumo de energía, esfuerzo
de la máquina y remplazo de herramientas, mejora la resistencia contra la
corrosión.
• Acortan los plazos de entrega: aumenta la productividad ya que permite mayores
velocidades de mecanizado, menos paradas de máquina.
• Mejoran la calidad del producto: mejor acabado superficial, menos rugosidades,
protege la herramienta cuando se mecaniza en seco (autolubricación).
Ventajas y Limitantes
• Ofrecen un excelente desempeño industrial e impulsan la competitividad de las
empresas y la apertura de nuevos mercados.
• Reducen el impacto medioambiental, al ahorrar recursos. Sin duda, el limitante más
evidente de deposición física en fase vapor, PVD, es el alto costo de los equipos y el
proceso, según expertos en el tema un equipo completo de tipo industrial, instalado y
puesto a punto, para aplicar capas delgadas de diferentes espesores y materiales,
puede costar alrededor de US$2 millones. Para lograr el retorno de la inversión se
necesitarían aproximadamente tres o cuatro años y aplicar entre dos y tres turnos de
recubrimientos al día.
• La tecnología PVD (Deposición Física en Fase Vapor) es una interesante vía para la
obtención de recubrimientos decorativos sobre superficies cerámicas y de cristal, de
excelente resistencia tanto mecánica como química.
• Las técnicas de tratamiento superficial mediante métodos físicos en fase vapor (PVD)
se han consolidado desde hace varios años como una herramienta eficaz para el
aumento de las prestaciones de soportes, herramientas y componentes empleados en
distintos sectores industriales. Entre las propiedades de este tipo de recubrimientos
cabe destacarse su elevada resistencia al desgaste, su buena adhesión, su elevada
resistencia a la corrosión, etc.
(Chemical Vapour Deposition o CVD) se basa en la reacción de una
mezcla de gases o vapores químicos, para dar lugar a un producto
sólido, generalmente en forma de recubrimiento sobre un substrato,
aunque también es posible obtener el material en forma de polvo.
La diferencia con las denominadas técnicas de tipo físico, (Physical
Vapour Deposition o PVD) estriba en que en este segundo caso no
hay reacción química, y las capas se obtienen directamente por
condensación en vacío de los vapores procedentes de un material
sólido que es calentado hasta la fusión o bombardeado con
partículas suficientemente energéticas
La deposición química en fase de vapor
• Estos procesos son muy extensos pues
conjugan una alta versatilidad en los
materiales que depositan y un alto grado
de optimas características del deposito.
• Se define como los procesos en los que los
productos reaccionantes en fase vapor se
conducen a la cámara de reacción y
mediante su activación , por medio del
calor, del plasma o del laser , en la
aproximidad del sustrato , se produce la
reacción y se deposita el producto sobre el
mismo sustrato .
• Se depositan películas muy uniformes y de
baja porosidad aun con las formas
complejas del mismo .
CARACTERISTICAS DEL CVD
Las reacciones químicas tienen lugar cuando las temperaturas alcanzan un cierto nivel. El
calor es producido por el calentamiento de sustratos por resistencias . Este principio
determina el reactor denominado de paredes calientes .
PROCESOS ACTIVADOS POR CALOR
Es idóneo para reacciones químicas exotérmicas pues la alta temperatura de
las paredes impide la deposición sobre las mismas y lo permite sobre el
sustrato, que permanece a las temperaturas adecuadas para que suceda la
reacción.
Otra alternativa es el calentamiento del sustrato por inducción o radiación de
lámparas.
Es definida por las etapas principales del proceso de deposición química:
1) Velocidad de absorción de los reactantes por la superficie del sustrato.
2) Cinética de la reacción química de los reactantes en el sustrato y
nucleación del embrión depositado.
3) Difusión de los productos resultantes atreves de la capa limite depositada.
VELOCIDAD DE DEPOSICION
Existen numerosas variantes de la técnica de CVD, clasificadas según el sistema de
activación mediante el cual se posibilita la reacción, ya que se supone que en
ausencia de activación los gases no reaccionarían o lo harían con una velocidad muy
lenta. A continuación se presenta una clasificación esquemática de las técnicas de
CVD de uso más frecuente.
• CVD térmico
El calentamiento directo de los gases de reacción para aumentar la velocidad de
reacción constituye el método de activación más usado en los reactores de CVD (7-
10). Básicamente, un reactor de CVD térmico (ver Figura 2) consta de un sistema de
inyección de gases o vapores precursores, un sistema que mantiene la presión
constante durante el proceso, una fuente de calor que activa la reacción, y un
substrato sobre el cual se deposita el producto sólido de la misma. Con objeto de
evitar la incorporación de impurezas en la película, tanto los gases precursores de
partida como los subproductos de la reacción y otras especies presentes en el proceso
deben ser volátiles en las condiciones existentes de presión y temperatura.
TECNICAS DE CVD
• En la técnica de activación por fotones, lasmoléculas son excitadas mediante exposición aradiación electromagnética de energíasuficientemente elevada (7, 9, 14). Lautilización de radiación ultravioleta (porejemplo, la emitida por una lámpara demercurio) lleva a las moléculas de los gases dereacción a estados excitados muy reactivos, ycon ello se incrementa notablemente lavelocidad de deposición (Ultra-Violet CVD oUV-CVD). Con objeto de aumentar latransferencia de energía a las moléculas delgas, se puede añadir vapor de mercurio alreactor. Los átomos de mercurio absorben laenergía muy eficientemente, y posteriormentela transfieren a las moléculas del gas porcolisiones. De este modo es posible alcanzarvelocidades de deposición aceptables incluso atemperaturas bajas.
CVD ASISTIDO POR FOTONES
.
Infiltración química en fase gaseosa (CVI)Mediante la técnica de infiltración es posible reducir el tamañode los poros de dicho medio o, incluso, llenarlos por completo.La técnica recibe el nombre de infiltración química en fase devapor (Chemical Vapor Infiltración o CVI).
Las técnicas de CVI son muy variadas y encuentran numerosasaplicaciones en ingeniera de materiales, ya que permitepreparar materiales compuestos, también llamados“composites”, de alta densidad, en donde se aprovechan laspropiedades de materiales de distinta naturaleza (cerámicas,metales, polímeros) para formar nuevos materiales concaracterísticas œúnicas.
