El PVD se usa para la aplicación de recubrimientos sobre materiales y es una de las estrategias más utilizadas en la industria para mejorar las propiedades de los mismos. Asimismo, mediante la deposición de recubrimientos se pueden mejorar un amplio abanico de características de un material, desde un punto de vista tribológico hasta el punto de vista estético.

En el blog de hoy, os presentamos una tecnología que posee un gran potencial en la aplicación de recubrimientos. Esta tecnología es la deposición física de fase vapor (PVD). 

¿Qué es la deposición física de vapor o PVD?

El origen de la deposición física de vapor (PVD) surge de la combinación de la electricidad, el magnetismo y el conocimiento de la química en estado gas.

De hecho, el concepto de deposición física de vapor surgió cuando los recubrimientos que se aplicaban en atmosfera de vacío estaban en auge. En estos años se llevaron a cabo distintos desarrollos de tecnologías como el sputtering o el plasma, donde intervienen reacciones químicas en estado vapor, evaporaciones térmicas y el control de fuentes de energía.

Equipo PVD
La técnica PVD es un proceso en el que se produce la deposición de una película delgada sobre la superficie de un material, creciendo átomo a átomo sobre el sustrato. La deposición física de vapor consiste en un proceso físico-térmico de colisión que transforma el material a depositar, denominado objetivo, en partículas atómicas, las cuales se dirigen a los sustratos en estado de plasma gaseoso a través de una atmósfera de vacío, generando un recubrimiento físico por condensación de átomos proyectados.

Los recubrimientos depositados por PVD suelen presentar espesores finos, los cuales pueden presentarse desde capas atómicas (de menos de 10 ángstrom (Å) a 0.1 nanómetros (nm)) hasta a recubrimientos de varias micras (espesor de una fibra de cabello).

¿Cuáles son las tecnologías de PVD más usadas?

A pesar de que el proceso de evaporización e ionización del target, que finalmente compondrá el recubrimiento sobre el sustrato, siempre va a ser de naturaleza física (de ahí la denominación de deposición física de vapor), existen diferentes tecnologías que utilizan PVD para la aplicación de recubrimientos.

Las tecnologías de PVD más importantes y utilizadas son:

  • Deposición catódica o sputtering

    En este tipo de tecnología PVD, la aceleración de iones mediante plasma permite que el choque de éstas con la superficie del objetivo produzca la liberación de partículas del mismo. Los iones transfieren su energía cinética a la superficie del objetivo y se vaporizan. Este tipo de PVD se caracteriza por permitir depositar compuestos que surgen al reaccionar el objetivo con el gas presente en el plasma. El ejemplo más característico es la deposición de nitruro de titanio (TiN), en el que el gas presente es nitrógeno y el objetivo es titanio, reaccionando ambos para dar lugar a un recubrimiento de TiN.

Deposición catódica por PVD
  • Evaporación térmica

    Este tipo de metodología PVD se caracteriza porque el objetivo se evapora mediante un proceso de calentamiento en vacío y forma un flujo de vapor, que golpea al sustrato en la cámara de proceso, dando lugar a la adhesión del recubrimiento. En este proceso, la atmósfera de vacío tiene un especial protagonismo ya que impide la contaminación del recubrimiento formado.

  • Deposición por arco

    En esta tecnología de PVD, se aplica un arco de corriente eléctrica de alta intensidad y baja tensión, elevando la temperatura hasta que las partículas del objetivo subliman, evaporándose altamente ionizadas en la cámara de vacío. Las partículas ionizadas son dirigidas al sustrato mediante la aplicación de un potencial. Además, en la deposición por arco se puede dar que el objetivo actúe como cátodo (arco catódico) o como ánodo (arco anódico), dependiendo de su naturaleza y del recubrimiento que se desee obtener. Al igual que la deposición por sputtering, se pueden conseguir recubrimientos con determinadas composiciones haciendo reaccionar los iones del objetivo con un gas reactivo.

Deposición por arco por PVD
  • Deposición iónica (e-beam)

    En esta técnica de PVD, la evaporación del objetivo se da con los mismos procesos que los vistos previamente (sputtering, evaporación térmica o arco eléctrico). La diferencia radica en el uso de un bombardeo de iones inertes (comúnmente de Argón) de alta energía para controlar y modificar el recubrimiento obtenido sobre el sustrato. Por consiguiente, la principal característica de esta técnica es que permite la obtención de recubrimientos metálicos puros sin contaminación atómica.

Ventajas y desventajas del PVD

Hoy en día disponemos de un amplio abanico de técnicas de depositar recubrimientos. Cada una de ellas, tienen especificas aplicaciones, con sus ventajas y desventajas.

A continuación, os exponemos las principales ventajas de la deposición física de vapor.

  • No requiere el uso de reactivos químicos ni postratamientos de limpieza, por lo que tiene muy bajo impacto medio ambiental.
  • El PVD se puede aplicar en cualquier tipo de material inorgánico.
  • Los recubrimientos obtenidos por PVD tienen una gran adherencia, resistencia y durabilidad.
  • La técnica de PVD permite un gran control de la composición y espesor de los recubrimientos.

Las principales desventajas del PVD son:

 

  • El proceso de PVD utiliza equipamientos complejos, con un coste muy elevado
  • La velocidad de producción de recubrimientos por PVD es lenta en comparación con otros procesos de deposición de recubrimientos.
  • La técnica de PVD esta limitada en sustratos con geometrías complejas

Aplicaciones del PVD

Tal y como introducimos el PVD al comienzo de este blog, cabe destacar la precisión y pureza que ofrece la deposición física de vapor para la obtención de recubrimientos. Las principales aplicaciones de PVD que actualmente se utilizan son las siguientes:

 

  • Recubrimientos metálicos para dotar de propiedades semiconductoras a sustrato que inicialmente no lo son.
  • Coating de películas magnéticas.
  • Recubrimientos con fines decorativos, ampliamente utilizados en el área de la joyería.
  • Recubrimientos para gafas solares o espejos, que ejercen de barreras de interferencia óptica o de barreras reflectantes.
  • Capas conductoras de paladio o carbono, para muestras de microscopía electrónica.
  • Recubrimientos de alta dureza de materiales compuestos, resistentes al desgaste y a la corrosión, utilizados ampliamente para la mejora de herramientas mecánicas.

Proyectos realizados con tecnología PVD en ATRIA

A continuación, os vamos a enseñar algunos de los proyectos realizados por el equipo de ATRIA donde se utilizaron recubrimientos obtenidos por PVD:

  • Desarrollo de colores dorados mediante tecnología de deposición física de vapor. En este proyecto, el objetivo era obtener diferentes tonalidades de color dorado sobre sustratos metálicos. Para llevarlo a cabo se llevó la optimización del proceso de PVD de diferentes objetivos metálicos y gases reactivos. Como se puede observar en la foto, se obtuvo desde un dorado intenso a un dorado más claro con tonos rosados.
  • Desarrollo de películas metálicas como barreras frente a la corrosión. En este proyecto, nuestro se producía corrosión en un sustrato metálico recubierto con diferentes capas metálicas cuando se exponía a ciertas condiciones ambientales. La solución propuesta por ATRIA fue el desarrollo de un recubrimiento metálico inerte en estas condiciones ambientales y depositado mediante PVD. La finalidad de dicho recubrimiento es proporcionar una gran resistencia al desgaste y a la corrosión

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