真空镀膜行星式旋转架高压馈入

在多弧离子镀、磁控溅射等物理气相沉积工艺中，为了在复杂形状工件（如刀具、模具、精密零部件）表面获得均匀一致的膜层厚度和优良的膜基结合力，行星式旋转架被广泛采用。这种旋转架通过工件同时进行公转和自转，极大地改善了镀膜粒子流的到达角分布，减少了阴影效应。然而，当工艺涉及需要施加偏压的环节时，例如在工件上施加负偏压以吸引离子进行轰击（离子清洗或离子辅助沉积），如何将稳定的高压电安全、可靠地传输到处于复杂三维运动中的旋转架上，成为一个关键的技术挑战。高压馈入系统正是为解决这一难题而设计，其性能直接影响到偏压工艺的实施效果、系统的运行稳定性与安全性。

行星式旋转架的高压馈入需求，源于多种镀膜工艺对工件偏压的控制要求。在离子清洗阶段，需要对工件施加数百至上千伏的负偏压，以吸引氩离子轰击表面，清除污染物并活化表面。在沉积阶段，施加适当的负偏压（通常为几十到几百伏）可以吸引金属离子或活化粒子轰击生长中的膜层，起到细化晶粒、提高密度、增强附着力和调整应力的作用。偏压的稳定性、可调范围以及能否在复杂运动下保持连续供电，是衡量馈入系统优劣的核心指标。

实现高压馈入的核心矛盾在于“高压”与“运动”的结合。传统的固定电极馈电方式无法适应行星架的多轴旋转。目前主流且可靠的解决方案是采用“滑环”式高压馈入器。这是一个集成了高压绝缘、动态电接触与信号传输的精密机电部件。其基本结构包括一个与真空室壁固定连接的定子部分，以及一个与行星式旋转架主轴同步旋转的转子部分。定子与转子之间通过精密加工的滑动接触件（如电刷与滑道）保持电气连接，从而实现将外部高压电源的电能传递到内部旋转的工件夹具上。

为这一系统供电的高压电源，以及整个馈入通道的设计，需要满足一系列严苛要求：

首先，是高压绝缘与真空兼容性。滑环馈入器本身必须在高真空环境下长期工作，其所有材料需满足低放气率要求，通常采用陶瓷、聚酰亚胺等高绝缘强度、低放气率的材料作为绝缘主体。高压电源的输出端与滑环定子之间的连接，以及滑环内部定转子之间的绝缘，都必须能承受最高工作电压（可能高达-2000V或更高）的数倍以上，并能耐受可能发生的瞬间闪络或拉弧。电源本身需具备防拉弧和快速短路保护功能，以保护滑环接触面不被损坏。

其次，是动态接触的可靠性与低噪声。滑环的电刷与滑道之间的接触电阻必须保持稳定且尽可能低。接触电阻的波动会引入额外的噪声，导致施加在工件上的偏压不稳定，影响工艺重复性。特别是在施加脉冲偏压时，接触点的瞬态响应必须足够快。这要求电刷材料（如银石墨合金）、压力弹簧、滑道表面光洁度及镀层（如厚银镀层）都经过精心设计和制造。高压电源的输出应具有低纹波特性，因为任何高频噪声都可能通过接触点的不完美而被放大。

第三，是多路独立馈入的需求。先进的行星式旋转架可能设计有多层或分区，需要为不同区域或不同夹持盘施加不同的偏压，以实现更精细的工艺控制。这就要求馈入器具备多通道独立高压馈入能力，对应的高压电源也需要多路独立输出，且各路之间具有良好的隔离和同步控制能力。

第四，是集成信号与电源传输。现代镀膜设备中，旋转架上的工件可能还需要接入热电偶（测温）、或需要施加射频偏压等。因此，高性能的馈入器往往是“复合式”的，在同一旋转轴线上集成高压直流馈入、低压电源馈入、热电偶信号传输甚至光纤旋转接头。这对整体结构紧凑性和各通道间的隔离提出了更高要求。

高压电源作为能量源头，其性能与馈入系统紧密耦合。电源需要提供稳定、纯净、可编程的直流或脉冲直流输出。对于脉冲偏压应用，电源需具备精确的脉冲频率、占空比和幅度控制能力，并能与镀膜工艺的其他时序（如弧源触发、气体注入）同步。电源通常通过高绝缘强度的同轴电缆与馈入器定子连接，电缆的分布电容和电感需考虑在内，尤其是在高频脉冲模式下。

此外，系统的监控与保护不可或缺。需要实时监测馈入的电压和电流，电流异常升高可能意味着真空室内发生电弧或滑环接触异常。这些信号应反馈给电源和主控系统，用于工艺状态判断和安全保护。

因此，真空镀膜行星式旋转架高压馈入系统是一个融合了高电压工程、精密机械、真空技术与动态电接触技术的综合性解决方案。它成功地将静态的高压电源与动态的复杂运动工件连接起来，为在三维空间均匀实施离子辅助沉积工艺提供了关键的电能传输通道。其稳定可靠的工作，确保了偏压这一重要工艺参数能够在整个工件表面得到一致、可控的应用，是获得高性能、均匀镀层不可或缺的技术保障，直接提升了PVD设备处理复杂工件的能力和工艺水平。