Как выбрать вакуумный насос для системы покрытия PVD: руководство по масляному или сухому насосу

Две расценки на один и тот же инструмент магнетронного распыления среднего размера, используемый для нанесения покрытий методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), могут отличаться более чем на 20 000 долларов США, а зазор обычно находится в корпусе насоса. Один поставщик предлагает двухступенчатую масляную поворотную лопатку с усилителем Рутса; другой предлагает сухой винтовой насос с продувкой азотом. Оба потянут камеру вниз. Только один из них по-прежнему выглядит доступным на третий год, и какой из них зависит от химического состава вашего процесса и рабочего цикла. В этом руководстве объясняется, как выбрать вакуумный насос для системы покрытия PVD с реальными цифрами вместо заявленных в брошюре значений.

Что делает опорный насос внутри системы покрытия PVD

Подкладочный насос определяет как время цикла, так и предел загрязнения, поскольку каждая молекула, входящая в камеру или выходящая из нее, проходит через нее. Он выполняет две задачи: черновую обработку камеры от атмосферы до давления около 0,05–0,1 мбар, где на смену приходит турбомолекулярный или диффузионный насос, а затем непрерывную поддержку этого высоковакуумного насоса во время осаждения, пока он обрабатывает нагрузку аргоном, азотом, ацетиленом или кислородом, а также мусор, возвращающийся с мишеней.

Риск загрязнения концентрируется в одном окне давления. При давлении от 1 до 0,01 мбар масляный насос хуже всего подходит для обратного потока углеводородов: пары масла мигрируют против потока газа в сторону камеры. Повреждения редко проявляются при откачке; они проявляются в конце партии в виде мутной декоративной отделки, серых покрытий инструментов или неудачных испытаний на адгезию.

Пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением: где они все еще выигрывают

Для декоративного PVD-покрытия и любой бюджетной установки двухступенчатый роторный лопастной насос с масляным уплотнением остается наиболее экономически эффективным насосом поддержки, при условии, что масло используется в качестве расходного материала. Двухступенчатый агрегат производительностью 100 м3/ч стоит в разы меньше сухого винтового насоса аналогичной скорости, его можно переоборудовать с помощью недорогих комплектов лопаток и прокладок, а также он имеет сервисную поддержку практически в каждом промышленном регионе. Предельное давление составляет около 0,002 мбар при закрытом газовом балласте и около 0,05 мбар при открытом балласте для обработки водяного пара.

Слабость — это сама нефть. Распыленный металлический порошок и реактивные побочные продукты превращают нефть в шлам, поэтому при нанесении покрытия следует планировать замену масла и фильтров каждые 1000–2000 часов работы, а не каждые 4000–8000 часов, как указано для чистой эксплуатации. Каждое изменение требует от 30 до 60 минут простоя.

Сухие винтовые и кулачковые насосы: больше платить за безмасляный вакуум

Сухие насосы изначально стоят примерно в два-четыре раза дороже и потребляют больше энергии, но они устраняют масляные загрязнения как вид отказа и выдерживают самые грязные технологические потоки. Современный сухой винтовой насос достигает предельного давления от 0,005 до 0,01 мбар со скоростью от 100 до 750 м3/ч, в то время как кулачковые насосы имеют давление около 0,02–0,05 мбар в компактной раме. Непрерывная продувка азотом позволяет саже и конденсатам перемещаться в выхлопные газы, а не оседать внутри механизма.

Именно поэтому сухие винты используются по умолчанию на линиях с алмазоподобным углеродом (DLC) и Ta-C, где ацетиленовая химия производит сажу, которая полимеризует насосное масло в течение нескольких недель. Компромиссы реальны: температура поверхности от 70 до 90 °C, шум около 75–85 дБА, потребляемая мощность на 30–50 процентов выше, чем у масляного агрегата с аналогичной скоростью, и перестройка концов передач за 20 000–30 000 часов.

Как выбрать вакуумный насос для системы покрытия PVD: 5-этапная структура

Определите размер насоса с учетом вашего худшего часа обработки, а не технического описания в лучшем случае. Пять шагов, описанных ниже, займут около часа с учетом чертежа камеры и рецепта процесса.

1. Инвентаризируйте химию процесса. Магнетронное распыление только на аргоне — простой случай; режимы реакции с азотом, ацетиленовая DLC и оксиды кислорода повышают ставки, а дуговое испарение добавляет капли жидкого металла, которые перемещаются вверх по потоку.
2. Рассчитайте время черновой обработки. Формула: t = (V/S) x ln(p1/p2). Камера объемом 500 литров, перекачиваемая с 1000 мбар до 0,1 мбар с эффективной скоростью 100 м3/ч, требует около 3 минут на бумаге и от 4 до 6 на практике, поскольку скорость падает вблизи кроссовера.
3. Установите бюджет загрязнения. Декоративное оборудование допускает наличие следов углеводородов; оптические стеки и DLC — нет. Если одна отбракованная партия стоит дороже, чем разница в цене между семействами насосов, решение принимается само собой.
4. Соответствуйте конфигурации. Сравните эффективную скорость в диапазоне от 0,1 до 1 мбар, где фактически происходит черновая обработка и пропускная способность газа, используя диаграмму ниже.
5. Модель пяти лет владения. Энергия, масло, фильтры, комплекты для восстановления и одна незапланированная остановка в год учитываются в расчетах, а не только в счете.

Стоимость владения: цифры, которые решают спор

В течение пятилетнего периода расходные материалы и время простоя определяют, какой насос дешевле, а не его покупную цену. В таблице собраны цифры, имеющие значение на момент покупки.

Для однокамерной декоративной линии за одну смену масляный маршрут выигрывает за счет чистых денег. Для многокамерной установки для нанесения покрытий на инструменты, работающей в три смены, сухая упаковка часто окупает свою стоимость в течение 24–40 месяцев за счет отсутствия необходимости в обслуживании масла и меньшего количества брака из-за загрязнений.

Подбор комплекта насоса к процессу нанесения покрытия PVD

Пусть технологический газ забирает насос; одна и та же камера может оправдать противоположные ответы в зависимости от того, что внутри нее работает.

• Декоративные TiN (нитрид титана) и CrN на смесителях и фурнитуре: Обычно достаточно двухступенчатой лопатки с фильтром тумана, цеолитовой ловушкой и быстрым временем перехода.
• Покрытия инструментов TiAlN: Флюгер и усилитель Рутса работают, но металлический порошок быстро загружает масло; сухой винт заметно сокращает незапланированные остановки.
• Углеродные слои DLC и Ta-C: Практическим базовым вариантом является сухой шнек с продувкой азотом, поскольку ацетиленовая сажа полимеризует масло в течение нескольких недель.
• Реактивное оксидное и оптическое распыление: Предпочтительны сухие насосы, поскольку кислород и влага ускоряют окисление масла и увеличивают количество частиц.

Компания Shanghai Zenix Vacuum Coating Technology Co., Ltd. предлагает соответствующие комплекты насосов для своих систем нанесения твердых, декоративных и функциональных покрытий PVD, поэтому этот выбор является частью сметы на систему, а не второстепенной мыслью.

Часто задаваемые вопросы

Может ли масляный насос вообще управлять системой распыления?

Да, и многие декоративные линии до сих пор так делают. Держите газовый балласт частично открытым во время черновой обработки, установите цеолитовую ловушку и туманный фильтр, быстро перейдите через окно от 1 до 0,01 мбар и проверяйте масло еженедельно. Если масло потемнеет в течение 200 часов, процесс говорит вам о необходимости его высушить.

Какой размер опорного насоса необходим для камеры PVD объемом 500 литров?

Запланируйте эффективную скорость около 100 м3/ч для 3–5-минутного цикла черновой обработки плюс равномерное поддержание турбомолекулярного насоса. Добавьте усилитель Roots, если вам нужны циклы продолжительностью менее 2 минут или вы используете высокую пропускную способность газа во время осаждения.

Исключают ли сухие насосы необходимость технического обслуживания?

Нет. Они исключают необходимость замены масла со стороны вакуума, но все равно требуют обслуживания продувочного фильтра, проверки коробки передач и капитального ремонта примерно через 20 000–30 000 часов. Разница в том, что график их технического обслуживания предсказуем, а не зависит от процесса.

Необходим ли усилитель Roots для установки для нанесения покрытия PVD?

Это становится необходимым, когда время цикла или пропускная способность газа от 0,1 до 1 мбар доминируют над производительностью, что обычно встречается на дуговых и высокоскоростных реактивных линиях. Для небольших декоративных камер периодического действия часто бывает достаточно одной двухступенчатой лопатки.