Deposición Física de Vapor (PVD): Tecnología Avanzada de Recubrimiento para Mejorar el Rendimiento de Materiales

La aplicación de recubrimientos sobre materiales es una de las estrategias más usadas en la industria para mejorar sus propiedades. Mediante la deposición de recubrimientos, se puede mejorar una amplia gama de características de un material, desde un punto de vista tribológico hasta uno estético.

En el artículo de hoy presentamos una tecnología con gran potencial en la aplicación de recubrimientos. Esta tecnología es la deposición física de 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 electricidad, magnetismo y el conocimiento de la química en estado gaseoso.

El concepto de deposición física de vapor surgió cuando los recubrimientos aplicados en atmósfera de vacío estaban en auge. En esos años se realizaron diferentes desarrollos en tecnologías como el sputtering o plasma, donde intervienen reacciones químicas en estado de vapor, evaporaciones térmicas y control de fuentes de energía.

La técnica PVD es un proceso en el que se produce una deposición de película fina sobre la superficie de un material, creciendo átomo a átomo sobre el sustrato. La deposición física de vapor consiste en un proceso de colisión físico-térmica que transforma el material a depositar, llamado blanco (target), en partículas atómicas, que son dirigidas a los sustratos en estado de plasma gaseoso a través de una atmósfera de vacío, generando un recubrimiento físico por condensación de los átomos proyectados.

Los recubrimientos depositados por PVD tienden a tener espesores finos, que pueden variar desde capas atómicas (menos de 10 angstroms (Å) a 0,1 nanómetros (nm)) hasta recubrimientos de varios micrómetros (espesor de una fibra de cabello).

¿Cuáles son las Tecnologías PVD más Utilizadas?

A pesar de que el proceso de evaporación e ionización del blanco, que finalmente compondrá el recubrimiento sobre el sustrato, siempre será de naturaleza física (de ahí el nombre de deposición física de vapor), existen diferentes tecnologías que usan PVD para la aplicación de recubrimientos.

Las tecnologías PVD más importantes y usadas son:

• Deposición Cátodica o Sputtering

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

• Evaporación Térmica

  Esta metodología PVD se caracteriza porque el blanco se evapora mediante un proceso de calentamiento en vacío y forma un flujo de vapor, que impacta sobre el sustrato en la cámara de proceso, resultando en la adhesión del recubrimiento. En este proceso, la atmósfera de vacío juega un papel especial al evitar la contaminación del recubrimiento formado.

• Deposición por Arco

  En esta tecnología PVD, se aplica un arco de alta intensidad y baja tensión de corriente eléctrica, elevando la temperatura hasta que las partículas del blanco subliman, evaporándose altamente ionizadas en la cámara de vacío. Las partículas ionizadas son dirigidas al sustrato aplicando un potencial. En la deposición por arco, el blanco puede actuar como cátodo (arco catódico) o ánodo (arco anódico), según su naturaleza y el recubrimiento a obtener. Al igual que en la deposición por sputtering, se pueden lograr recubrimientos con ciertas composiciones reaccionando los iones del blanco con un gas reactivo.

• Deposición Iónica (e-beam)

  En esta técnica PVD, la evaporación del blanco ocurre con los mismos procesos vistos anteriormente (sputtering, evaporación térmica o arco eléctrico). La diferencia radica en el uso de un bombardeo iónico inerte de alta energía (comúnmente Argón) para controlar y modificar el recubrimiento obtenido sobre el sustrato. La característica principal de esta técnica es que permite obtener recubrimientos metálicos puros sin contaminación atómica.

Ventajas y Desventajas del PVD

Hoy disponemos de una amplia gama de técnicas para depositar recubrimientos. Cada una tiene aplicaciones específicas, con sus ventajas y desventajas.

A continuación, presentamos las principales ventajas de la deposición física de vapor:

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

Las principales desventajas del PVD son:

• El proceso PVD usa equipos complejos, con un coste muy elevado.
• La velocidad de producción de recubrimientos PVD es lenta comparada con otros procesos de deposición.
• La técnica PVD está limitada en sustratos con geometrías complejas.

Aplicaciones del PVD

Como introdujimos el PVD al principio de este artículo, cabe destacar la precisión y pureza que ofrece la deposición física de vapor para obtener recubrimientos. Las principales aplicaciones del PVD actualmente en uso son:

• Recubrimientos metálicos para proporcionar propiedades de semiconductor a un sustrato que inicialmente no las tiene.
• Recubrimiento de películas magnéticas.
• Recubrimientos para fines decorativos, muy usados en joyería.
• Recubrimientos para cristales solares o espejos, que actúan como barreras de interferencia óptica o reflectivas.
• Capas conductoras de paladio o carbono, para muestras de microscopía electrónica.
• Recubrimientos de alta dureza de materiales compuestos, resistentes al desgaste y corrosión, muy usados para la mejora de herramientas mecánicas.

Proyectos Realizados con Tecnología PVD por ATRIA

A continuación, te mostramos algunos de los proyectos realizados por el equipo de ATRIA donde se usaron recubrimientos obtenidos por PVD:

• Desarrollo de colores dorados usando tecnología de deposición física de vapor. En este proyecto, el objetivo era obtener diferentes tonos de color dorado sobre sustratos metálicos. Para llevarlo a cabo, se realizó la optimización del proceso PVD de diferentes blancos metálicos y gases reactivos. Como se ve en la foto, se obtuvo desde un dorado intenso hasta un dorado más claro con tonos rosados.

• Desarrollo de películas metálicas como barreras contra la corrosión. En este proyecto, la corrosión ocurría en un sustrato metálico recubierto con diferentes capas metálicas al exponerse a ciertas condiciones ambientales. La solución propuesta por ATRIA fue el desarrollo de un recubrimiento metálico inerte bajo estas condiciones ambientales y depositado mediante PVD. El propósito de dicho recubrimiento es proporcionar gran resistencia al desgaste y corrosión.

¿Quieres aplicar recubrimientos por deposición física de vapor en alguno de tus proyectos? ¿Te gustaría mejorar las propiedades de tus materiales mediante tecnología PVD? ¡Contacta con nosotros!