DOE研究：手机壳PVD膜开裂与彩纹

赫沁雪

关于近年来欧洲大型汽车部件寿命周期的分析报告表明，由于在实际生产中减少了六氟化硫的使用，实现了金属的回收利用，镁相比于钢﹑铝﹑塑料，在产品的可回收利用与生产中的环境保护上有相当大的优越性。与镁压铸件生产需求的增长相对应，对镁压铸件的可回收能力的需求也在增长。

镁有比铝和锌更好的流动性能，可以生产出非常薄的铸件，这一点非常有利于手机壳压铸件的应用。某著名手机公司经过一段时间的仔细调查和试验研究后，毅然决定开发镁合金手机，想以此提高产品竞争力，尽管他们知道镁合金的精密加工仍然存在难度，压铸件表面沙孔、铸纹、流斑等缺陷较严重，镁合金必须经过复杂而特殊的表面处理后才能应用在手机产品上，且成本高昂，但是仍然没有退缩。

为此，某厂与客户同步进行了工艺开发，其中最关键的制程是真空镀膜。为弥补前工序压铸制程所带来的表面缺陷，该零件进行了诸如研磨、抛光、化成、涂装等一系列的表面处理，才开始镀PVD膜，镀完之后还要喷涂起保护作用的面漆。

1.开裂和彩纹问题

用于镀膜的PVD设备有多弧离子镀和磁控溅射镀两种功能，使用的靶材有Cr靶和SUS靶。膜层结构也有两种：

(1) 两层膜：多弧离子镀Cr与溅射镀SUS同时混镀，最后溅射SUS作面层；

(2) 三层膜：SUS溅射打底，然后是多弧离子镀Cr与溅射镀SUS同时混镀，最后溅射SUS作面层。

经过一段时间的生产实践，他们最终选择了三层膜结构。但这一工艺在解决了附着力、耐磨性、颜色等一系列问题之后，膜层制备工艺尚存在一些不稳定性，出现了膜层开裂和彩纹两大不良问题。

据悉，本产品共有四种零件，涂装流水线与PVD设备间的产量有时会存在不匹配现象。为提高设备利用率，在单一产品不能满炉的情况下，我们希望这四种零件可以同在一炉里镀膜，相互填补产能，但出现的彩纹和开裂问题严重影响产能。

2. 成因分析

PVD金属膜与面漆层之间产生的膜层开裂和彩纹不良率达到20%以上，有时甚至超过50%，这大幅提高了生产成本，影响了出货产能，进而影响到该厂的交货信誉，是以必须尽快寻找解决以上问题的方法。

（1）开裂

在通过大量试验后发现,当溅射或多弧沉积纯不锈钢时,不仅颜色较暗，而且表面喷完保护漆，在烘烤过程中膜层会出现开裂不良。在查阅了相关资料后，我们发现不锈钢与有表面保护涂装层的材料的热收缩膨胀系数差异较大。在面漆层烘烤过程中，面漆层、不锈钢层同时膨胀，面漆层对不锈钢层形成渗透效应，两者间具有了较好的结合力，但在冷却过程中，面漆层比不锈钢层的收缩更大，而且超出了不锈钢层的延展系数极限，从而造成了面漆层的开裂。

（2）彩纹

当沉积纯金属铬时，膜层亮度较高，颜色发白，对底层缺陷的掩盖能力较差，喷金油时会出现彩纹现象。通过高倍显微镜观察，可以看到发彩区域膜层呈条状分布，这导致透过表面面漆层的光线发生衍射，造成色差的出现，形成较为严重的外观不良。经过分析，我们认为是由于金属铬层与表面面漆层的附着力较差，在烘烤过程中金油层与铬层之间出现膜层的内部脱离，形成不均匀的附着，从而造成衍射条纹状分布的彩纹不良。
从以上分析得知，PVD不锈钢膜与面漆层之间在烘烤后因膨胀系数差异过大会产生开裂；而金属铬层和面漆层之间在烘烤结束之后不会出现裂纹，但因其遮盖力不够而出现彩纹不良。如何解决这一矛盾，需要进行试验研究。

3. DOE试验

为解决开裂与彩纹问题，我们决定对PVD参数使用DOE（Design of Experiments）方法(即试验设计)以确定最佳膜层结构。为此，我们将过滤弧靶金属Cr大颗粒的挡板去除,大幅提高金属Cr的沉积效率,使不锈钢和Cr粒子成分分布更加均匀,便于工艺参数的调控。PVD膜共有三层，因圆弧离子镀Cr在中间层，而上、中、下层均有直流溅射SUS，对膜层性能影响较大，故选择参数时确定使用A、B、C、D四因子（如表1），其中有三个因子（A、B、C）与直流溅射不锈钢有关。四因子定义如下：

A.混镀时，两种不锈钢靶电流；

B.开弧靶后，两种不锈钢靶电流；

C.关弧靶后，不锈钢靶两种时长；

D.两种工作气压。



表1：A、B、C、D四因子定义



表2：通过上述四因子两水平参数表，列出16组试验

表3 DOE工艺参数试验记录
编号
反应气压
溅射电流
多弧电流
微闪电流
微闪时间
试验结果
1
6.0×10-1Pa
0A
70A
8A
4S
轻微七彩
2
3.0×10-1Pa
0A
70A
8A
4S
侧边轻微七彩
3
6.0×10-1Pa
0A
70A
8A
16S
全部轻微七彩
4
3.0×10-1Pa
0A
70A
8A
16S
严重七彩
5
6.0×10-1Pa
12A
70A
2A
4S
全部裂纹
6
3.0×10-1Pa
12A
70A
2A
4S
有少量裂纹
7
6.0×10-1Pa
12A
70A
2A
16S
全部裂纹
8
3.0×10-1Pa
12A
70A
2A
16S
全部严重七彩
9
6.0×10-1Pa
0A
70A
2A
4S
轻微七彩
10
3.0×10-1Pa
0A
70A
2A
4S
全部严重七彩
11
3.0×10-1Pa
0A
70A
2A
16S
全部严重七彩
12
6.0×10-1Pa
0A
70A
2A
16S
全部七彩
13
6.0×10-1Pa
12A
70A
8A
4S
全部严重七彩
14
3.0×10-1Pa
12A
70A
8A
4S
全部严重七彩
15
6.0×10-1Pa
12A
70A
8A
16S
全部裂纹
16
3.0×10-1Pa
12A
70A
8A
16S
全部OK

表3：试验参数及结果记录

表3中，溅射电流指的是Cr与SUS同时混镀的直流磁控溅射靶的电流。“微闪”是制造工程师的习惯用语，意指时间很短的等离子体辉光溅射。

鉴于上述试验结果，我们可以看出：

（1）这四个因子都对表面开裂和七彩纹有影响，但我们从表中无法判断是哪一个因素起主要作用或次要作用。

（2）两种气压参数均有产生开裂和七彩纹的同等机会。

（3）两种混镀的SUS溅射电流没看到规律，面层微闪的两种电流和时间也没有规律性。但这16组参数的试验结果中，第16个参数组合的试验产品居然既无裂纹也无七彩纹，全部合格，让我们感到十分惊喜！

据此，我们确定了最终的PVD量产参数：

（1） 反应工作气压：3.0×10-1Pa；

（2） 混镀时直流磁控溅射靶电流：12A；

（3） PVD面层微闪的溅射电流：8A；

（4） 微闪时间：16S。

4. 分析与结论

因PVD镀膜产生的膜层开裂和彩纹的原因是相互矛盾的，我们只能通过DOE试验寻找解决方法。实验结果说明，表面元素含量对PVD膜层和表面涂装金油保护层的配合至关重要。当Cr含量太高，金油层会出现发彩现象；不锈钢含量太高，金油层则会出现开裂。这两者必须达到某种平衡，才能避免膜层开裂和彩纹的产生。

当产品的某些不良的影响因素很多，这些因素又交互作用，无法采用简单排除法的时候，DOE试验就可以帮助我们找到答案。通过DOE试验，我们不仅找到了解决问题的最佳参数外，还积累了经验，可以作为将来镁合金手机量产的参考：

（1）由于UV底漆内部含有的碳元素及氧元素与PVD成膜物质可能会发生各种物理和化学反应，PU面漆内部含有的各种添加剂会使某些膜层颜色变暗，因此PVD膜与上、下两层油漆的配合是膜层开发过程中必须注意的重要问题。

（2）PVD膜层采用直流溅射不锈钢打底，其附着力优于圆弧离子镀Cr打底。

（3）PVD中间混镀时，不锈钢靶和Cr弧靶对膜层开裂和彩纹的影响，不如最后一步不锈钢微闪时电流和时间产生的影响大，所以可以通过调整中间一步的两种电流比例来控制膜层的颜色。相对说来，通过最后一步的溅射靶电流和时间以减少膜层开裂和彩纹产生的几率，调节范围更大，比较容易控制。PVD镀膜工艺的成功开发，为前、后底漆及面漆的参数腾出了充裕的调整空间，且不至于有过严的参数要求，从而有利于保证涂装制程的质量和生产的稳定性，大大提高整个制程的良率。