DLC-Plasmabeschichtung

Beschichten mit Dimond Like Carbon (DLC)

Kohlenstoff besitzt unterschiedliche Modifikationen. Liegt es als Graphit vor, ist sehr weich und schwarz. Es liegt die sp2 Modifikation vor, einzelne Graphenebenen liegen schwach gebunden übereinander vor.

Diamant hingehen ist das härteste Material das wir kennen. In der sp3 Modifikation liegt der Kohlenstoff in einer festen tetraederförmigen Struktur vor.

Kohlenstoffschichten bilden eine Mischung der Eigenschaften beider Materialien, je nachdem welche Modifikation überwiegt. Es liegt eine amorphe Struktur vor, DLC Beschichtungen haben eine charakteristische schwarze Färbung.

Prozessbeschreibung

DLC – Schichten werden in einer Niederdruckplasmaanlage, bei Drücken kleiner 0,1 mbar appliziert. Die Schichtbildung erfolgt aus der Gasphase, die Schichtbildungsreaktion wird durch das Plasma ermöglicht (plasma-enhanced chemical vapour deposition, PECVD) Alle Ausgangsprodukte liegen in flüssiger oder gasförmiger Form vor. Bei niedrigen Drücken wird der Precursor gasförmig in die Prozesskammer eingeleitet und das Plasma gezündet.

Vor der eigentlichen Beschichtung findet ein im Prozess integrierter Reinigungsschritt statt. Anschließend wird  eine Haftvermittlerschicht aufgebracht, die eine sehr gute Anbindung der Schicht zum Substrat gewährleistet. Diese werden speziell auf das zu beschichtende Substrat abgestimmt.

Durch Ionenbeschuss der Substratoberfläche kommt es zu einer Beschichtung. Durch die Auswahl der Parameter lassen sich die Schichteigenschaften gezielt auf Ihre Anforderung einstellen. Durch Dotierung (Zugabe weiterer Prozessgasse) lassen sich die Schichteigenschaften weiter einstellen.      Die übliche Schichtdicke beträgt 1 – 2 µm, durch spezielles Schichtdesign sind auch Schichtdicken bis zu 30 µm möglich.

 

Unsere Vorteile des PECVD Prozesses

  • Niedrige Abscheidetemperatur
  • Keine Nacharbeit nötig
  • Maskierung der Bauteile einfach möglich
  • Intrigierte Feinstreiniung der Bauteile im Prozess
  • Gleichmäßige Schichtdicke und sehr glatte Oberfläche
  • Entschichtung auf selber Anlage möglich
  • Anlagengeometrie kann speziell auf Ihr Bauteil angepasst werden
  • 3D – Beschichtungen möglich
  • Sehr umweltfreundliches Verfahren

 

Anwendung und Branchen

Tribologische Systeme: Motorbauteile, Zahnräder, Führungen, Lager .

  • Sehr gute Trockenlaufeigenschaften
  • geringer Reibungskoeffizient und Verschleiß
  • reduzierte Adhäsionsneigung

Medizintechnik: Implantate, Operationsbesteck, Bohrer, Fräser

  • Biokompatibel und Korrosionsbeständig
  • Hohe Kratzfestigkeit
  • Sterilisation bei erhöhten Temperaturen wird ermöglicht
  • Barrierewirkung

Schmuck und Dekoration: Uhren, Ringe, Piercings, Beschläge, Sanitäranlagen, Brillengestelle

  • Biokompatibel
  • Kratzfest
  • glatte glänzende Oberfläche

Umformtechnik: Ziehringe, Auswerfer, Schneidbacken

  • verringerte Adhäsionsneigung, gerade auch gegen Aluminium
  • Verschleißfest und Reibungsarm
  • Stähle mit geringer Anlasstemperatur ohne Härteverlust beschichtbar
  • Recycling problemlos möglich

Zerspanung: Bohrer, Fräser

  • Verschleißfest
  •  Verringerte Ausbildung einer Aufbauschneide
  • Geringere Schnittkräfte und Erwärmung durch Reibungsreduzierung

Anti – Haft – Beschichtung: Kunststoffformen, PTFE – Ersatz,

  • Geringe Adhäsionsneigung
  • Verringerte Benetzbarkeit für Wasser

Lebensmittelindustrie: Rührwerke, Transportbänder, Behälter

  • Biokompatibel
  • Verschleißfest

Dichtungstechnik: O – Ringe

  • Verschleißfest
  • Verringerte Klebeneigung
  • Barrierewirkung für diverse Medien

Mikrosystemtechnik: dünnste Isolationsschichten für Stecker, Wafer, Halbleiterplatten

  • elektrisch Isolierend
  • sehr genaue, gleichmäßige Schichtdicken einstellbar
  • Maskierung einfach möglich

Haushaltstechnik: Blenden, Dichtungen,

  • Biokompatibel
  • Verschleißfest

 

Bauteile und Anforderungen

Eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate ist beschichtbar. Durch die geringe Prozesstemperatur ist auch eine Beschichtung von Kunststoffen kein Problem.

  • Metalle
  • Kunststoffe
  • Keramiken
  • Gläser
  • Wafer

Um ein gleichmäßiges Beschichtungsergebnis bei elektrisch isolierenden Bauteilen zu erzielen, sollten diese eine Elektrodennahe Geometrie besitzen.

Um ein gutes Beschichtungsergebnis zu gewährleisten, stellen sich an die Oberfläche verschiedene Anforderungen vor der Beschichtung

  • Oberfläche muss metallisch blank sein, es dürfen sich keine korrosiven Rückstände auf dieser befinden. Verschmutzungen wie Späne, Fette, Kühlmittel müssen komplett entfernt sein. 
  • Es dürfen sich keine Grate oder Oxidhäute auf der Oberfläche befinden.
  • Eine möglichst glatte polierte Oberfläche ist vorteilhaft
  • Die Bauteile sollten entmagnetisiert sein
behandelt und unbehandelt im direkten Vergleich
DLC-Plasnmabeschichtung einer Zange für die Medizintechnik
Diamond-like-Carbon (DLC) Plasmabeschichtung bei O-Ringen
Elektronikteile DLC-beschichtet und unbeschichtet
Leiterplatte DLC-Plasmabeschichtung
Industrie-Anwendung Schrauben DLC-Plasmabeschichtet

Es kann eine Vielzahl unterschiedlicher DLC Schichten erzeugt werden. Diese unterscheiden sich in:

  • Verhältnis sp2 zu sp3 Bindungsanteil
  • Wasserstoffanteil
  • Dotierung mit Nichtmetallischen und Metallischen Elementen

Damit ein einheitliches Bezeichnungssystem für die unterschiedlichen Schichtvarianten vorliegt, wurde in der VDI 2840 eine Empfehlung für eine Kurzschreibweiße ausgesprochen.

Tabelle 1: Klassifizierung der Kohlenstoffschichten nach VDI 2840

Kurzschreibweise

Bezeichnung

a-C

wasserstoffreife amorphe Kohlenstoffschicht

ta-C

tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht

a-C:H

Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht

ta-C:H

Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht

a-C:H:Me

Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht

a-C:H:X

Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht

Eigenschaften und Vorteile

DLC – Schichten bieten eine große Bandbreit an verschiedene Eigenschaften. Durch unsere Prozessführung ist es möglich die Eigenschaften gezielt Einzustellen und auf die Anforderungen für den Einsatzzweck einzustellen.  

  • Einstellbare Härte von graphitähnlich bis sehr hart
  • Sehr günstige tribologische Eigenschaften, geringer Reibungskoeffizient und geringer Verschleiß
  • Hoher Korrosionsschutz und chemisch Beständig gegen fast alle Materialien
  • Geringe Adhäsionsneigung gegen Metalle und Kunststoffe
  • Biokompatibel und Lebensmittelecht
  • Geringe Abscheidetemperatur von < 100°C
  • Reduzierte Benetzbarkeit für Wasser
  • Elektrisch isolierend aber hohe Wärmeleitfähigkeit
  • Temperaturbeständigkeit 300 – 400°C

Kombinationsverfahren DLC + Parylene

Prozessbedingt lassen sich pin-holes in der DLC-Beschichtungen nie komplett vermeiden. Dies sind Poren die sich von der Oberfläche bis zum Substrat erstrecken können. Dadurch können bestimmte Eigenschaften wie z.B. die Korrosionsbeständigkeit oder elektrische Isolation nicht komplett genutzt werden.  Die Lösung ist eine Kombinationsbehandlung aus einer DLC – Beschichtung mit anschließender Parylenebeschichtung. Durch die sehr hohe Spaltgänigkeit der Parylene werden die Poren aufgefüllt. Selbst, wenn die Vergleichsweiße weiche Paryleneschicht von der Oberfläche abgetragen wird, bleibt Sie in den Poren erhalten.

Vorteile der Kombinationsbehandlung

  • Sehr gute Korrosionsbeständigkeit durch dichte Oberfläche
  • Barrierewirkung für viele Medien
  • Erhöhter elektrischer Widerstand
  • Biokompatible und verschleißfeste Oberfläche
  • Chemisch quasi inerte Oberfläche

Grundlagen der Tribologie

Reibung und Verschleiß beruhen auf einem komplexen tribologischen System, bestehend aus Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenmedium, Belastung, Bewegung und Umgebungseinflüssen. Aufgrund der wirkenden Kräfte kommt es an der Oberfläche zu verschiedenen Verschleißmechanismen:

  • Abrasiver Verschleiß: Materialabtrag durch harte und kantige Rauheitsspitzen des Gegenkörpers oder lose Partikel die sich im System befinden. Wird begünstigt bei unterschiedlicher Härte der Oberflächen, es kommt zu Kratzer- und Riefenbildung auf der Oberfläche.
  • Adhäsiver Verschleiß: An den Kontaktstellen der Körper kommt es zu einer Ausbildung von chemischen Bindungen. Es kommt zu Kaltaufschweißungen und Materialübertrag.
  • Oberflächenermüdung: Durch wiederholte mechanische Belastung kommt es zu einer Ermüdung des Werkstoffs und damit zur Ausbildung von Rissen. An der Oberfläche bilden sich Grübchen und Risse aus.
  • Tribooxidation: Tritt auf, wenn chemische Reaktionen an der Oberfläche stattfindet. Die Nebenprodukte aus dieser Reaktion führen zu einer Verklemmung der Bauteile, es entsteht Passungsrost.

 

Reibungsmechanismen von DLC Schichten

Die herausragenden tribologischen Eigenschaften von Kohlenstoffschichten beruhen auf verschiedenen Effekten die während dem Reibvorgang ablaufen

  1. Graphitisierung: Während dem Einlaufvorgang kommt es zur Ablösung kleinster graphitartiger Partikel von der Oberfläche. Diese wirken als Zwischenfilm zwischen den Reibpartnern à Adhäsiver Verschleiß und Triboxidation wird verhindert
  2. Transferfilm: Der Graphitfilm überträgt sich auf den Reibungspartner, es kommt zu einer Glättung der Oberflächen à Adhäsiver Verschleiß und Triboxidation wird verhindert
  3. Passivierung: Offene chemische Bindungen an der Oberfläche werden durch OH – Gruppen aus der Umgebungen abgebunden, es kommt zu einer Passivierung der Oberfläche  à Adhäsiver Verschleiß und Triboxidation wird verhindert

Durch die sehr hohe Härte wird der abrasive Verschleiß deutlich verringert.

1. Vakuumkammer
2. Plasmagenerator mit Kühlung
3. Vakuumpumpen
4. PC – Steuerung: Einstellung und Überwachung der Prozessparameter
5. Elektronisch angesteuerte MFCs für Gaszufuhr
6. Druckmessung