複合類鑽碳膜層與超厚PVD膜表面改質技術：材料世界網

王鼎翔、鄭皓文、施進德、官鈺庭／工研院材化所；張守一／清華大學材料科學工程學系

物理氣相沉積簡稱PVD，具備較環保且低溫製程等優點，其鍍製之膜層硬度可高達3,800 HV以上，同時具備良好之物理與化學特性，目前已成為國內高階工具機與高階模具等產品主流之表面改質鍍膜技術。其中利用陰極電弧離子鍍膜法製備之硬質塗層，由於高解離率等特性，所製備之膜層有著良好的機械性質與緻密性而廣泛應用於上述高階產品。針對陰極電弧離子鍍膜，工研院材化所先進金屬與複合材料研究組於近年開發出可穩定量產之複合類鑽碳膜層製程技術，膜層硬度達到3,700 HV、厚度達到3 μm、摩擦係數約為0.1；同時亦開發膜層厚度12 μm之複合耐蝕膜層製程技術。相關表面改質鍍膜技術皆已於各類產品進行運用，未來將針對不同領域之產品進行進一步之開發。

【內文精選】

硬質塗層表面改質鍍膜技術之發展與近況

表面改質鍍膜技術或是業界俗稱的鍍膜技術，一般泛指於原有工件表面，進行表面沉積（堆疊）異質材料，進一步利用材料特性以達到所需要之功能。目前國內主要可量產之表面改質鍍膜技術，可分為電鍍、熱處理以及物理氣相沉積(PVD)或是化學氣相沉積(CVD)等技術。

通常所沉積之材料或是膜層，比起原有之基材，要有著更良好的物理或是化學特性，如更高的機械強度或是耐酸鹼等能力。以人工髖關節為例，圖一為應用於人工髖關節之類鑽碳(Diamond-like Carbon; DLC)膜層表面改質後之硬度與其耐酸鹼之特性。其主要是利用PVD製程鍍製之DLC膜層，提供更高之表面硬度（約3,700 HV）與更良好之耐酸鹼等特性（優於304不鏽鋼），進一步提升產品使用壽命。

表面改質鍍膜技術重心，已逐步從傳統之電鍍硬鉻或滲碳、氣體、離子氮化等表面硬化，演進到較環保且低溫製程之PVD製程技術，表面改質材料之表面硬度也從1,000 HV逐步提升到>2,500 HV以上。應用範圍則從手工具擴大到圖二所展示之刀具、模具等高品質、高精密以及高單價之生醫產品。

在接下來的文章，將進一步介紹並探討在硬質塗層中被最為廣泛使用的離子鍍膜製程技術，並針對目前主流之技術，包含膜層材料發展以及應用進行介紹。

高密度電漿陰極電弧離子鍍膜與其高階產品之應用

前述所提到之離子鍍膜，其製程原理與構想是在1963年由Mattox所提出。但傳統離子鍍膜製程之解離率只有0.1~1%左右，因此增加解離率的各種方式便應運而生。例如中空陰極放電式電漿離子鍍膜法(Hollow Cathode Discharge Plasma Ion Plating)，其解離率提升至>40~70%。而另一鍍膜製程，陰極電弧離子鍍膜法(Cathodic Vacuum Arc)更是進一步將解離率達>40~90%，其整體製程與原理如圖三所示，使用陰極電弧(Cathodic Arc)將欲鍍之材料原子從靶源蒸發出來，並經由靶源前方之高密度電漿區，將蒸發出來未解離的中性原子解離，經由外加於基材上之負偏壓的引導，使這些離子被吸引往基材沉積。

圖三、陰極電弧靶材產生離子化現象示意圖

複合DLC表面改質技術及厚膜PVD技術

針對上述陰極電弧離子鍍膜製程之改良，工研院材化所先進金屬與複合材料研究組投入研發，同時利用改良式磁濾電弧離子鍍膜系統，針對DLC薄膜進行結構設計，成功開發出可用於不同材質與構型，且可穩定量產之DLC表面改質鍍膜技術。相關DLC膜層硬度達到3,700HV、厚度可達到3 μm、摩擦係數約為0.1左右，最重要的是其結構為多層複合結構，且為不含氫之非晶ta-C，如圖五所示。除此之外，ta-C膜層更可在高達450˚C環境下，穩定提供高硬度與耐磨耗等特性，圖二、圖四之黑色鍍膜物件即為廠商委託本部門開發之量產成品。

在設備改良方面，本部門也成功利用改良式磁濾電弧離子鍍膜系統，並搭配上述多層膜複合結構，製備出低表面粗糙度之複合DLC膜層。其結果如圖七所示，除了膜層硬度可維持在~3,700 HV之外，經過磁濾系統之多層膜DLC的表面顆粒，明顯低於傳統無磁濾系統之單層DLC膜層。此一優勢可進一步提供鍍膜工件更平滑之表面與更緻密之膜層，提升物件使用時之壽命。