一种物理气相沉积镀膜过程中区域保护方法与流程

本发明涉及金属与非金属结合体中的非金属绝缘层保护技术，特别是一种物理气相沉积镀膜过程中区域保护方法。

背景技术：

传统的导电环是一种常用到的机电部件，由相对旋转的电刷组件和环体组成，其功能为在相对旋转的两个结构之间进行电传输。导电环环体通常具有多个金属环作为电传输通道，金属环之间使用非金属材料进行绝缘隔离。

导电环的使用寿命通常情况下由电刷和金属环表面的磨损情况决定。对于长寿命导电环而言，为减小磨损，通常情况下其环片为贵金属材料或廉价金属基材表面镀覆金等贵金属材料或其合金(以下简称镀金环)。与整体式贵金属材料环片相比，镀金环基材使用铜合金等廉价金属，成本大为降低。

在导电环金属环表面镀覆贵金属的工艺方法很多，包含电镀、物理气相沉积镀等方法。对于一些特种应用，如宇航应用的导电环，电镀后的电镀液残留在导电环中，很难清洗，因此可以选择物理气相沉积镀膜。物理气相沉积镀金环在镀膜过程中，只有金属环面需要镀膜，而金属环间的非金属表面不能有镀层，常用的有两种方法：(1)在镀膜过程中对非金属区域进行保护，或者(2)整体镀膜后通过车削方式去除非金属表面的镀层。

对于方法(1)，由于宇航用导电环结构精密，环间尺寸较小，且为圆柱形甚至异形，很难制作保护罩完全贴合非金属表面。即使制作了保护罩，也无法保证其与非金属表面的完美贴合。这样在物理气相沉积的气氛下可能会有离子通过缝隙渗入非金属材料。

对于方法(2)，为保证镀层与基体的结合强度，物理气相沉积工艺中必须使用高能量的离子对环体表面进行镀膜。这种高能量的离子会深入非金属材料内部，而且其渗入深度很难判断，甚至会改变部分非金属材料的导电率，破获环间绝缘。由于离子渗入很深且无法准确判断渗入深度，非金属材料表面的镀层无法通过简单的车削去除，因此非金属材料内部可能仍有离子残留，或者非金属材料的电导率已经升高，这样环间的绝缘性遭到破坏，留下未来电传输时环间短路的隐患。因此，需要设计一种新的工艺方法，能够实现在保证导电环金属环片表面镀层结合力的同时，对非金属表面进行保护，确保其绝缘性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种物理气相沉积镀膜过程中区域保护方法，主要适用于溅射镀膜、离子镀膜，克服了传统保护方法需要为非金属/敏感区域制作保护罩，带来的保护罩无法与非金属表面的完美贴合，在物理气相沉积的气氛下可能会有离子通过缝隙渗入非金属材料的问题。

本发明的技术解决方案是：一种物理气相沉积镀膜过程中区域保护方法，包括如下步骤：

(1)使用低能量的离子对导电环表面进行镀膜；所述的导电环表面包括希望镀膜区域、不希望镀膜区域；

(2)使用除料加工手段去除导电环表面中希望镀膜区域的镀层；

(3)使用高能量的离子对导电环表面镀膜；

(4)使用除料加工手段去除导电环表面中不希望镀膜区域的镀层，使得不希望镀膜区域本身材料完全暴露。

所述的对导电环表面进行镀膜的工艺为物理气相沉积镀膜工艺，其中，物理气相沉积镀膜工艺包括溅射镀膜、离子镀膜。

所述的对导电环表面进行镀膜为单层镀层或者多层镀层。

所述的步骤(1)中对导电环表面进行镀膜得到的镀层厚度为1～5μm。

所述的步骤(3)中对导电环表面进行镀膜得到的镀层厚度为1～30μm。

所述的除料加工手段包括切削、磨削。

所述的使用除料加工手段去除导电环表面中希望镀膜区域的镀层的深度与希望镀膜区域的镀层的厚度的差为0或者在[1～20μm]之间，使用除料加工手段去除导电环表面中不希望镀膜区域的镀层的深度与不希望镀膜区域的镀层的厚度的差为0或者在[1～20μm]之间。

所述的步骤(1)对导电环表面进行镀膜不会对不希望镀膜区域的物理、化学属性造成改变或造成改变的深度在30μm以内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法克服了传统保护方法需要为非金属/敏感区域制作保护罩，带来的保护罩无法与非金属表面的完美贴合，在物理气相沉积的气氛下可能会有离子通过缝隙渗入非金属材料的问题，通过使用物理气相沉积镀膜薄层作为非金属/敏感区域的保护层，能够实现对任意形状区域的无缝保护，确保后续高能量离子镀膜不会进入非金属/敏感区域；

(2)本发明方法与现有技术相比，不需专门的保护罩制作、保护罩粘接等费时费力的手段，仅使用镀膜、除料两种工艺手段即可实现区域保护，具有所需设备少、效率高的优点；

(3)本发明方法与现有技术相比，允许对金属/非敏感区域使用高能量的离子进行镀膜，具有结合力强、镀层不易脱落的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1一种一维间隔结构的初始状态图；

图2为本发明工艺步骤一：第1次镀膜；

图3为本发明工艺步骤二：第1次除料加工；

图4为本发明工艺步骤三：第2次镀膜；

图5为本发明工艺步骤四：第2次除料加工；

图6为本发明实施例2镀金圆柱式导电环的最终效果图；

图7为本发明实施例3镀金盘式导电环环体的最终效果图；

图8为本发明实施例3镀金盘式导电环环体的截面效果图；

图9为本发明实施例4一种镀金异形结构的最终效果图。

图10为本发明实施例5一种二维码形结构的最终效果图。

图11为本发明实施例6一种三维结构的最终效果图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种物理气相沉积镀膜过程中区域保护方法，在物理气相沉积镀膜时对非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)表面进行保护的同时，还可以保证金属/敏感区域(即希望镀膜的区域)表面镀层与基体的结合力，本发明方法包括如下步骤：

(1)第1次镀膜：使用低能量的离子对整个导电环表面，包含金属/非敏感区域(即希望镀膜的区域)和非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)进行镀膜，本次镀膜层为保护层。由于离子能量低且不会深入材料表面，因此不会对非金属或敏感的材料造成损伤。本发明方法中可以用来对导电环进行镀膜的材料包括大部分金属材料，常见材料如金、银、铜、镍、钯，当进行溅射镀膜时，镀膜时可以不加偏压，当进行离子镀膜时，工件偏压在数十V以内。

(2)第1次除料加工：使用除料加工手段去除金属/非敏感区域(即希望镀膜的区域)的镀层。

(3)第2次镀膜：使用高能量的离子对整个整个导电环表面镀膜，本次镀膜层为实际所需的镀层。此时非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)的表面已有的低能量离子镀层形成的保护膜，阻止了高能量离子深入材料表面。本发明方法中可以用来对导电环进行镀膜的材料包括大部分金属材料，常见材料如金、银、铜、镍、钯，当进行溅射镀膜时，加正常所需偏压，如数十V，当进行离子镀膜时，偏压在数百甚至数千V左右。

(4)第2次除料加工：使用除料加工手段去除非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)的镀层，使得非金属或敏感区域(即不希望镀膜的区域)本身材料完全暴露，恢复了绝缘状态，有效实现了导电环上相邻金属的绝缘隔离。

本发明方法通过上述四步既保护了非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)，又实现了对金属/非敏感区域(即希望镀膜的区域)的高结合强度镀膜。另外，本发明方法中的物理气相沉积镀膜工艺可以使用物理物理气相沉积、化学物理气相沉积等不同物理气相沉积方法；镀膜层可以为单层镀层，也可为多层镀层，第一次镀膜层是作为后面非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)的保护层，一般为单层镀层，厚度为1～5μm，第二次镀层为实际所需的镀层，根据需要可以为单层镀层，也可为多层镀层，总厚度为1～30μm；除料加工手段包含切削、磨削等机械手段，除料深度与相应的镀膜层厚度相等或略大约1～20μm；非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)表面只要为其本体材料即可发挥作用，为去除其表面镀膜层的除料加工可能会去除其表面部分材料，但不影响其发挥作用；第1次镀膜、第2次镀膜可以为相同的镀膜工艺，也可以为不同的镀膜工艺，第1次除料加工和第2次除料加工可以为相同的工艺手段，也可以为不同的工艺手段；第1次镀膜使用的离子能量不会对非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)的物理和化学属性造成改变或造成改变的深度在30μm以内，可以通过后续除料加工去除；本发明方法适用于线性、二维、三维空间上金属/非敏感区域(即希望镀膜的区域)和非金属/敏感区域(即不希望镀膜的区域)交错存在的结构。

下面结合附图和实施例对本发明方法作进一步说明。

实施例1为一种一维间隔结构产品，该产品最终状态为镀金金属与绝缘非金属间隔排列状态。

如图1所示，该产品初始状态为多个金属片1与多个非金属材料2间隔排列。如图2所示，第1次镀膜：使用低能量的离子对整个表面，包含金属片1与非金属材料2进行镀膜，本次镀膜层3为保护层。如图3所示，第1次除料加工：使用除料加工手段去除金属片1上的镀层3。如图4所示，第2次镀膜：使用高能量的离子，对整个表面，包含金属片1与非金属材料2镀膜，本次镀膜层4为实际所需的镀层，此时非金属材料2的表面上的镀层3防止了高能量离子进入非金属材料2，金属片1表面只有镀膜层4，非金属材料表面的镀膜层4覆盖在镀膜层3上。如图5所示第2次除料加工：使用除料加工手段去除非金属材料2上的镀层3和镀层4，这样非金属材料2本身材料完全暴露，恢复了绝缘状态，有效实现了相邻金属片1的绝缘隔离，而金属片1表面也覆盖了所需的强结合力的镀层4。

实施例2

本实施例同实施例1，不同点在于该产品为圆柱式导电环，其金属环片1表面为圆柱面，最终镀膜层4也为圆柱面，如图6所示。绝缘材料2也为环形，其镀膜过程中需保护及最终暴露表面包含圆柱面5、两侧端面6及7。

实施例3

本实施例同实施例1，不同点在于该产品为盘式导电环，如图7所示。如图8所示金属1表面为V形平面，最终镀膜层4也为V形面。绝缘材料2为环形，其镀膜过程中需保护及最终暴露表面包含顶层平面5、两侧柱面6及7。

实施例4

本实施例同实施例1，不同点在于该产品金属1表面为平面，最终镀膜层4也为平面，如图9所示。非金属绝缘材料2为T形结构，其镀膜过程中需保护及最终暴露表面包含顶层上端面5、上侧面6及7、下端面8及9、上侧面10及11。

实施例5

本实施例同实施例1，不同点在于该产品所需大量镀膜区域1(及其镀层4)和非镀膜区域2为在平面两个方向上的复杂间隔，如图10所示。

实施例6

本实施例同实施例1，不同点在于该产品所需大量镀膜区域1(及其镀层4)和非镀膜区域2为在三维各个方向上的复杂间隔，如图11所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。