工艺解读：车灯主装饰框磁控溅射镀技术

CMF设计军团号

2024-09-28

The following article is from 车灯研究院 Author 子房先生

产业的发展离不开CMF（色彩、材料、工艺）

本文来看主装饰框的工艺解读——磁控溅射镀。

提起特斯拉，你第一反应是什么呢？比如特斯拉前大灯，相信对车灯有一定了解的朋友们一定知道，前灯是由著名灯具供应商海拉(现在改名FORVIA)。

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特斯拉大灯，搭载海拉102像素模组，在万级模组没有上市之前，它仍然是海拉最高技术代表。在模组光环下，细心的你是否注意到它装饰框的与众不同呢？

通过仔细观察可以看到，装饰圈的颜色非常特别，不是传统真空镀铝，也不像是掺了金属粒子的塑料直接注塑，更不可能是水电镀了，还有这个颜色，烟灰色，说明特斯拉很懂男人的心，连选色都不离开‘烟‘字啊。它采用的是磁控溅射镀工艺。

溅射镀的原理

溅镀通常指的是磁控溅镀，属于高速低温溅镀法。该工艺要求真空度在1×10-3Torr左右，即1.3×10-3Pa的真空状态充入惰性气体氩气（Ar），并在塑胶基材（阳极）和金属靶材（阴极）之间加上高压直流电，由于辉光放电（glow discharge）产生的电子激发惰性气体，产生等离子体，等离子体将金属靶材的原子轰出，沉积在塑胶基材上。一般金属镀膜大都采用直流溅镀。因为车灯都是塑料件，所以更多采用的是交流溅镀(RF镀法)。

溅射镀的优缺点

溅射镀的优点：

1. 可以通过调节注塑参数，控制镀层的颜色

2. 外观上看，零件具有金属效果

溅射镀的缺点：设备价格高。

影响溅射镀的主要参数

1. 溅射阀值

溅射阀值指使靶材原子发生溅射的入射离子所必须具有的最小能量。入射离子不同时溅射阀值变化很小，而对不同靶材溅射阀值的变化比较明显，即溅射阈值取决于靶材料，与离子质量无明显依赖关系。

一些金属元素阈值能量

2. 溅射率

溅射率是指正离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极上打出的原子数。又称溅射产额或溅射系数，常用S表示。

溅射率与入射离子种类、能量、角度及靶材的类型、晶格结构、表面状态、升华热大小等因素有关，单晶靶材还与表面取向有关。这些内容理论性过于强，所以不在这里一一赘述，有兴趣的老铁可以自行查阅相关论文。

常见元素的溅射率

3. 溅射速率

一般来说：提高电压可以提高离化率。这样电流会增加，所以会引起阻抗的下降。提高电压时，阻抗的降低会大幅度地提高电流，即大幅度提高了功率。如果气体压强不变，溅射源下的基片的移动速度也是恒定的，那么沉积到基片上的材料的量则决定于施加在电路上的功率。功率的提高与溅射速率的提高是一种线性的关系。

4. 工艺气体

在气体可以电离的压强范围内如果改变施加的电压，电路中等离子体的阻抗会随之改变，引起气体中的电流发生变化。改变气体中的电流可以产生更多或更少的离子，这些离子碰撞靶体就可以控制溅射速率。

5. 气体压强

将气体压强降低到某一点可以提高离子的平均自由程、进而使更多的离子具有足够的能量去撞击阴极以便将粒子轰击出来，也就是提高溅射速率。超过该点之后，由于参与碰撞的分子过少则会导致离化量减少，使得溅射速率发生下降。如果气压过低，等离子体就会熄灭同时溅射停止。提高气体压强可提高离化率，但是也就降低了溅射原子的平均自由程，这也可以降低溅射速率。能够得到最大沉积速率的气体压强范围非常狭窄。如果进行的是反应溅射，由于它会不断消耗，所以为了维持均匀的沉积速率，必须按照适当的速度补充新的反应气体。

6. 系统参数

工艺会受到很多参数的影响。其中些是可以在工艺运行期间改变和控制的；而另外一些虽然是固定的，但是一般在工艺运行前可以在一定范围内进行控制。两个重要的固定参数是：

6.1 靶结构和磁场。

每个单独的靶都具有其自身的内部结构和颗粒方向。由于内部结构的不同，两个看起来完全相同的靶材可能会出现迥然不同的溅射速率。在镀膜操作中，如果采用了新的或不同的靶，应当特别注意这一点。如果所有的靶材块在加工期间具有相似的结构，调节电源，根据需要提高或降低功率可以对它进行补偿。在一套靶中，由于颗粒结构不同，也会产生不同的溅射速率。加工过程会造成靶材内部结构的差异，所以即使是相同合金成分的靶材也会存在溅射速率的差异。

6.2 磁场：

用来捕获二次电子的磁场必须在整个靶面上保持一致，而且磁场强度应当合适。磁场不均匀就会产生不均匀的膜层。磁场强度如果不适当(比如过低)，那么即使磁场强度一致也会导致膜层沉积速率低下，而且可能在螺栓头处发生溅射。这就会使膜层受到污染。如果磁场强度过高，可能在开始的时候沉积速率会非常高，但是由于刻蚀区的关系，这个速率会迅速下降到一个非常低的水平。同样，这个刻蚀区也会造成靶的利用率比较低。

溅镀注意事项

1. 溅镀时若欲增加成膜率，以提高cycle time，通常以加大溅镀电压或降低Ar流量(减少Ar压力)行之，但Ar流量若过低将产生无法形成辉光放电的危险，故最好还是以调整溅镀功率及电压为准。

2. 当靶材变薄后，由于靶与透明片距离增加，所以成膜率将减少，请适时调整成膜率。

3. 当仅溅镀一种材质的靶材时，请尽量降低透明片的温度以使溅镀粒子打到透明片上不致得到过多能量，因而破坏键结，又反弹回去(适用于CD、DVD)。但在镀多层膜时，镀第二层以上时即需提高温度以使溅镀面温度与尽量与溅镀粒子温度接近，增加界面间的平整性(适用于CD-RW、DVD-RAM)。

4. Ar流量过高会造成溅镀面粗糙或是孔洞增加，故请千万要适量。

磁控溅射镀的前景

自从2021年Model 3和Model Y上市之后，烟灰色系已经让各大OEM的造型工程师眼前一亮，据业内人士透露，近年来研发的车型，诸如“烟灰色”“金属光泽”的需求不断的从客户端提出，在没有最卷只有更卷的汽车行业来说，金属光泽需求只会多，不会少。一些材料供应商也在研究在塑料原材料里面参杂金属粒子来达到类似于特斯拉Model 3颜色效果，由于注塑某些注塑缺陷不能够被接受，仍然不能够被大多主机厂所接受(有兴趣的老铁可以搜一搜戴森吸尘器)。在溅射镀和其他效果面前，主机厂依旧对磁控溅射镀情有独钟。

而这种车灯技术的受限因素主要还在成本，据不保守估计，一台磁控溅射镀设备大约500万甚至更高，高额的成本吓退了很多主机厂。

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