Revêtements PVD: comment et pourquoi

Technologie PVD en résumé

Dans le dépôt PVD, un matériau (la cible) est porté en phase vapeur pour pouvoir atteindre la surface de l'objet à recouvrir (appelé substrat) où il se condensera pour former la pellicule. En plus d'améliorer l'adhérence des films, ce mécanisme permet l'utilisation d'une large gamme de matériaux pour recouvrir des substrats de différentes natures, de l'acier au laiton, du fer au zamak, en passant par les plastiques, le verre et la céramique, contrairement à d'autres technologies qui se limitent à quelques types de métaux.

Pulvérisation cathodique, arc cathodique et évaporation thermique (souvent simplement appelée métallisation) sont les principales méthodes employées au niveau industriel et diffèrent par la façon dont les constituants (atomes et ions) de la phase vapeur sont extraits de la cible et l'énergie qui leur est fournie. Le choix d'une méthode plutôt qu'une autre est dicté par les propriétés à obtenir, en termes de compacité, d'adhérence et de couleur du film, et par le type de matériau à déposer. En particulier:

• Pulvérisation cathodique : la cible est frappée par une pluie de particules provenant d'un gaz ionisé (plasma). Ces « projectiles » érodent le matériau et en extraient les atomes qui se déposeront ensuite uniformément sur le substrat.
• Arc cathodique : une décharge électrique produit une évaporation localisée de la cible qui génère alors un flux de matière ionisée en direction de l'objet à revêtir. S’agissant d’ions, il est possible de leur fournir de l'énergie et d'obtenir ainsi des revêtements compacts et résistants.
• Évaporation thermique (ou métallisation) : le matériau à déposer est placé dans un creuset et porté à haute température pour provoquer une évaporation rapide vers le substrat.

Le vide est une condition nécessaire pour pouvoir déclencher ces mécanismes, ainsi que pour favoriser le transfert du matériau qui, n'étant pas ralenti par l'air ou par un autre fluide, atteindra la surface du substrat avec plus d'énergie et adhèrera plus solidement. Bien que la création du vide dans la chambre de traitement semble être un obstacle, elle présente en réalité deux avantages fondamentaux :

1. minimiser les contaminations et donc obtenir des revêtements de haute qualité ;
2. avoir un processus de dépôt défini et répétable, le vide étant une condition de travail bien contrôlée, par opposition à un dépôt galvanique qui est très sensible à la concentration ionique et aux additifs, à la densité du courant, à la température et à la polarisation.

Aucune solution polluante n’est utilisée dans les procédés PVD, et les métaux utilisés sont purs ; durant le dépôt, il n'y a par conséquent pas de dispersion de substances nocives pour l’environnement dans l’atmosphère, ce qui en fait une technologie durable compatible avec la prise de conscience croissante sur les questions écologiques.

Un autre point fort de la technologie PVD est la possibilité de produire des matériaux composites (nitrures, carbures, oxydes), c'est-à-dire constitués d'éléments différents, en introduisant des gaz qui se combinent avec les atomes qui sont sur le point de se déposer. On obtient ainsi des revêtements ayant des caractéristiques supérieures, comme la résistance élevée à l'usure et aux rayures des nitrures, mais aussi des couleurs spéciales qui ne peuvent pas être obtenues avec d'autres technologies. C'est précisément pour ces raisons que le PVD est parfois utilisé comme technologie complémentaire à d'autres traitements. Par exemple, dans certains cas, un pré-revêtement galvanique est effectué pour avoir une surface brillante et augmenter la résistance à la corrosion, après quoi une fine couche de PVD est appliquée pour donner de la dureté et le ton de couleur souhaité particulière, du jaune paille à l'or, du chrome au noir brillant, en passant par le rose pâle et le marron cerisier.

Le système et le dépôt

Un système PVD se compose essentiellement de trois parties : la chambre de traitement, le système de pompage et la partie électronique de contrôle. Les deux premières sont étroitement liées l’une à l’autre : en effet, des chambres plus grandes, dimensionnées en fonction de la géométrie des pièces à revêtir et de la productivité souhaitée, demandent des systèmes de pompage à plus grand débit. L’électronique gère en revanche tous les composants du système, contrôle et ajuste les différents paramètres pour que le processus soit stable et reproductible.

Avant le dépôt, la préparation des pièces est une opération primordiale. Selon l'objet à revêtir et les matériaux (par exemple zamak, laiton et plastiques), un prétraitement galvanique ou une peinture peut être nécessaire pour créer une surface brillante et impénétrable par les agents chimiques. Le nettoyage des pièces est indispensable dans la chaîne de traitement. Cela peut être fait manuellement ou à l'aide de systèmes à ultrasons. Il demande un soin particulier car, en travaillant sous vide, il est nécessaire d'éliminer autant que possible les substances qui, par évaporation, pourraient ralentir le pompage de la chambre ou contaminer le traitement.

des pièces propres ou prétraitées et le cadre sur lequel elles sont placées, constitué de carrousels conçus pour obtenir une distribution uniforme du matériau sur une surface 3D, sont insérées dans la chambre. Après avoir atteint le vide idéal pour le dépôt, les sources sont allumées, c'est-à-dire les dispositifs, mécaniques et électroniques, qui servent à extraire les atomes de la cible. Pour obtenir un oxyde, un nitrure ou un carbure, un gaz contenant respectivement de l'oxygène, de l'azote ou du carbone peut être introduit. En faisant varier le débit de gaz et le taux d'extraction des atomes de la cible, il est possible d’obtenir des matériaux de composition différente et donc ayant des caractéristiques physiques et des couleurs différentes. En fonction de l’objectif du revêtement, décoratif ou fonctionnel, la longueur déposée de matériau est habituellement comprise entre 0,2 et 5 µm. Cela influencera la durée du traitement, qui variera de quelques minutes à plusieurs dizaines de minutes, qui dépendra également du type de revêtement souhaité et de la technique utilisée. Ensuite, l'air est réintroduit dans la chambre et les pièces peuvent être extraites, sans besoin de traitements supplémentaires. De même qu’aucune opération d'élimination n'est nécessaire car aucun déchet n'est produit avec cette technologie écologique.

Le processus PVD en apparence compliqué, est entièrement géré par le logiciel qui régule automatiquement les débits de gaz, le pompage, les durées, les tensions et la rotation des pièces et contrôle tous les aspects qui font partie de la recette, c'est-à-dire la séquence des opérations qui mèneront au résultat final. En raison de la manière dont les systèmes modernes sont structurés, la technologie PVD ne présente pas de plus grandes difficultés d'utilisation que d'autres technologies telles que, par exemple, le dépôt galvanique ou la peinture.

Comme toute machine industrielle, les machines PVD ont elles-aussi besoin d’une maintenance, qui va du nettoyage périodique de la chambre au remplacement des cibles, des opérations qui sont toutes simplifiées par une conception intelligente du système. Il appartient évidemment au fabricant de fournir un système efficace, accessible et intuitif dans son utilisation, adapté aux exigences du client.

Un système PVD est un objet technologiquement avancé et raffiné, ce qui justifie son coût plus élevé. On obtient en retour une fiabilité et une polyvalence, des caractéristiques qui permettent d'obtenir des produits d’une valeur esthétique et technique supérieure à ceux fabriqués avec des techniques plus traditionnelles et, surtout, de toujours satisfaire les modes et les exigences du marché. Grâce au large éventail de possibilités offertes par le PVD, il est par ailleurs possible d'imaginer de nouvelles lignes de produits destinées à des marchés non encore explorés.