手機(jī)后蓋板金屬增亮膜鍍膜工藝研究

鄭琦林 鐘汝梅 劉月豹 呂明澤 王共志

（1. 安徽方興光電新材料科技有限公司 蚌埠 233010；2. 凱盛科技股份有限公司蚌埠華益分公司 蚌埠 233010）

0 引言

第五代移動(dòng)通訊技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為5G。其性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接［1］。其主要優(yōu)勢(shì)在于：數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，最高可達(dá)10 Gbit/s，比當(dāng)前的有線互聯(lián)網(wǎng)要快，比以前的4G LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較低的網(wǎng)絡(luò)延遲（更快的響應(yīng)時(shí)間），低于1 ms，而4G為30～70 ms。

伴隨著第五代移動(dòng)通訊技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)5G）的日益成熟、普及，5G手機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。然而傳統(tǒng)手機(jī)金屬后蓋板雖具有較為理想的機(jī)械性能以及符合大眾審美的金屬質(zhì)感，但因其具有對(duì)信號(hào)的屏蔽作用，致使金屬后蓋板已不再適用于5G手機(jī)。

就目前而言，后殼方面可以采用塑膠、玻璃、陶瓷等非金屬類(lèi)材料。但是隨著生活水平的提高，人們對(duì)于外觀效果越來(lái)越注重，因此要想做仿陶瓷和多種色彩就需要磁控鍍膜來(lái)實(shí)現(xiàn)［2］。在復(fù)合材料上制備光學(xué)薄膜，所制備增亮膜既不會(huì)對(duì)手機(jī)高頻信號(hào)產(chǎn)生屏蔽作用，在外觀上也能獲得傳統(tǒng)手機(jī)背板的金屬質(zhì)感及一定的防刮傷性能。

通過(guò)鍍膜提高復(fù)合材料的光學(xué)性能，結(jié)合2D、3D及其他觸控技術(shù)，在連續(xù)性真空磁控濺射鍍膜生產(chǎn)線上制備5G手機(jī)后蓋增亮膜，不僅從根本上解決傳統(tǒng)金屬手機(jī)背板對(duì)信號(hào)屏蔽這一桎梏，而且具有金屬背板的金屬質(zhì)感，符合廣大消費(fèi)者的審美。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)5G增亮膜系

通過(guò)在復(fù)合材料基板上疊加金屬材料，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有金屬質(zhì)感的外觀裝飾膜系。使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)鍍膜膜系及膜層所需厚度，并模擬光學(xué)效果，以金色膜系做實(shí)驗(yàn)。理論模擬金色膜系膜層厚度見(jiàn)表1。

表1 理論模擬金色膜系膜層厚度

按所選用材料設(shè)計(jì)金色，符合電子產(chǎn)品需求，鍍膜后需絲印白色或黑色反射工藝，生產(chǎn)時(shí)的工藝控制可選擇550 nm處的透射率值或反射率值。理論模擬金色反射率曲線、色度圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 理論模擬金色反射率曲線圖

圖2 理論模擬金色色度圖

1.2 增亮膜磁控濺射鍍膜工藝流程

增亮膜磁控濺射鍍膜工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 增亮膜磁控濺射鍍膜工藝流程圖

①離子清洗：采用條形陽(yáng)極離子源，清洗基片表面污染物（氧化物、含碳?xì)浠衔锏龋⒃黾幽せY(jié)合力、減少基底缺陷、增加基片表面能；

②打底層：又稱(chēng)為附著力增強(qiáng)膜，用于提高復(fù)合材料與膜層的結(jié)合力；

③介質(zhì)層：用作炫彩膜層；

④金屬層：是塑料具有金屬質(zhì)感；

⑤介質(zhì)層：用作保護(hù)層。

1.3 材料要求

以滿足膜層的光學(xué)特性和使用要求為準(zhǔn)，確定所需材料及材料純度要求：

①Nb2Ox陶瓷靶（2N）：厚度為6 mm，所選用的Nb2Ox陶瓷靶（2N） 反應(yīng)濺射后制備10～15 nm 保護(hù)層，具有不導(dǎo)電特性，用作保護(hù)層；作為炫彩膜層，具有高折射率的特性；

②Si靶（2N）：厚度為6 mm，所選用Si靶在復(fù)合材料表面鍍制一層底層膜，又稱(chēng)為附著力增強(qiáng)膜，所選增強(qiáng)膜的材料采用Si，鍍制金屬態(tài)Si也是提高復(fù)合材料與膜層附著力的主要工藝措施之一，所鍍制的Si膜厚度為10 nm左右。對(duì)于金屬膜層為40 nm以上的膜系，需增加SiO2作為保護(hù)層；

③In靶（In∶Sn＝70∶30）： 厚度為5 mm，所選的In靶為In、Sn合金靶材，利用其金屬分子連續(xù)性差的原理，把它的厚度控制在一定范圍內(nèi)，使其具有銀白色的外觀并且電阻超大；

④高純氬氣（Ar）：純度99.999%，作為濺射氣體；磁控濺射鍍膜的基本原理是在真空條件下充入氬氣，使氬氣進(jìn)行輝光放電，這是氬氣被電離成氬離子，在電場(chǎng)的作用下，加速轟擊陰極靶材，靶材會(huì)被濺射出來(lái)而沉積到膜片表面；

⑤高純氧氣（O2）： 純度99.999%；作為反應(yīng)氣體，與磁控濺射出Nb2Ox原子、Si原子反應(yīng)生產(chǎn)Nb2O5和SiO2。

1.4 工藝參數(shù)確定

測(cè)定各層膜物質(zhì)的濺射速率，設(shè)定固定鍍膜走速，調(diào)整功率，獲取較厚的膜層，利用臺(tái)階儀進(jìn)行膜層厚度測(cè)定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得出鍍膜設(shè)備各膜層工藝參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 鍍膜工藝參數(shù)

2 鍍膜工藝技術(shù)分析

2.1 鍍膜后的產(chǎn)品需要特殊保護(hù)的原因

①金屬鍍膜層僅僅幾十納米（一般≤50 nm），對(duì)底層的UV層表面不良，不具備遮蔽能力；

②因鍍層太薄，鍍膜層金屬極其柔弱，極易刮傷、碰傷；

③金屬鍍膜層長(zhǎng)期暴露在空氣中會(huì)氧化發(fā)黑，不同材料氧化速度不同，其中錫鍍層氧化速度最快，4 h就會(huì)明顯發(fā)黑，所選用In靶中摻雜有30%Sn，一般實(shí)際經(jīng)驗(yàn)工作時(shí)間為8～12 h；

2.2 膜層附著力工藝分析

對(duì)復(fù)合材料表面需要進(jìn)行離子前處理和鍍制附著力增強(qiáng)層，避免膜層脫落、麻點(diǎn)及開(kāi)裂。

采用一定能量的等離子體在鍍膜前對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行轟擊，不僅可以起到清潔復(fù)合材料表面吸附和去除靜電的作用，而且在合適的等離子能量下還會(huì)激活復(fù)合材料表面，提高表面能。

適當(dāng)控制等離子能量包含控制等離子與基材距離以及等離子電流，能量過(guò)大，基材變形或UV層脫落，會(huì)造成附著力下降。一般將離子源與基材之間的間距控制在30 mm左右，可以在低能耗的情況下有效處理基材表面。用表面張力測(cè)試筆測(cè)試，經(jīng)過(guò)等離子處理的基材表面的達(dá)因值由32 mN/m提升至40 mN/m以上。

鍍制所需膜層之前，先在復(fù)合材料表面鍍制一層底層膜，又稱(chēng)為附著力增強(qiáng)膜，通常采用金屬Zr制備。但金屬Zr制備的附著力增強(qiáng)層會(huì)影響In膜層的導(dǎo)電性能；采用鍍制金屬態(tài)Si，是提高復(fù)合材料與膜層附著力的工藝措施之一，所鍍制的金屬態(tài)Si膜厚度為1～10 nm。另外，在金屬I(mǎi)n前鍍制Si可以與腔體中殘留的O2反應(yīng)，穩(wěn)定金屬I(mǎi)n的制備環(huán)境。

2.3 金屬膜層制備工藝研究

復(fù)合板手機(jī)后蓋磁控濺射法制備增亮膜大多是沉積In（In/Sn合金）等金屬材料，在生產(chǎn)時(shí)如果真空環(huán)境氣氛不穩(wěn)定，所制備的In膜會(huì)被氧化而形成導(dǎo)電層，不能滿足產(chǎn)品的性能要求。同時(shí)，需要制備SiO2/ Nb2O5等不導(dǎo)電膜層作為顏色襯底或保護(hù)層，SiO2的沉積必須通入過(guò)量的氧氣，而Nb2O5沉積的時(shí)候氧氣過(guò)量則會(huì)影響沉積速率；Nb2O5沉積的厚度不一致，就會(huì)造成產(chǎn)品存在顏色差異。根據(jù)薄膜性能要求，確定了陰極排布等關(guān)鍵工藝，制備膜系設(shè)計(jì)要求的薄膜并驗(yàn)證其導(dǎo)電性能。

除采用安裝超低溫水汽捕集泵的方式吸附腔體中的水汽提高真空度外，必須在兩個(gè)陰極之間隔離一段距離并滿裝分子泵進(jìn)行氣體隔離，或者工藝室之間采用閥門(mén)隔離的方式防止氧氣或者其他氣體的影響，從而保證沉積膜厚的穩(wěn)定性和均勻性，進(jìn)而確保顏色的一致性。

在In靶兩邊將1300型的分子泵改裝為2000型分子泵，抽氣速率由1 300 L/s提升至2 000 L/s，保證In靶處真空度。真空度的提高對(duì)膜層電阻特性的影響（＞4 000 MW）見(jiàn)表3。

表3 真空度的提高對(duì)膜層電阻特性的影響

在裝有In靶的陰極前加裝隔離擋板（圖4），有效隔離氧氣及其它雜質(zhì)氣體，陰極濺射區(qū)域真空得到有效保障；利用金屬I(mǎi)n分子連續(xù)性差和在常溫下金屬I(mǎi)n不被空氣氧化的原理，被濺射金屬粒子離開(kāi)溫度較高的陰極靶面后不會(huì)被氧化，通過(guò)狹縫沉積在復(fù)合材料表面形成金屬I(mǎi)n膜層，在一定厚度范圍內(nèi)，所得到的金屬膜層電阻較大。

圖4 在陰極前加隔離板示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)出的膜系符合項(xiàng)目指標(biāo)的要求，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備及工藝參數(shù)，制備出了5G增亮膜膜層，在50 nm膜厚范圍內(nèi)符合項(xiàng)目指標(biāo)要求，電阻值大于4 000 Mw，既具有金屬質(zhì)感，又不易導(dǎo)電。

以手機(jī)為代表的電子消費(fèi)品在5G時(shí)代背景下，有各種各樣外殼材質(zhì)的手機(jī)供消費(fèi)者選擇，通過(guò)磁控濺射鍍膜工藝完成手機(jī)后蓋的外觀處理，使其功能性和審美性共同具備。