CN101005719A - 金属基板印刷电路加热体及其制备技术 - Google Patents

Abstract

一种金属基板印刷电路加热体，由金属基板、绝缘介质层、电阻加热轨迹、引出电极和覆盖层所组成。金属基板的膨胀系数为6～18×10^－6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃。绝缘介质层由软化温度为500～800℃的玻璃粉经烧结而成。电阻轨迹层由玻璃、银、钯、钌酸铋、钌酸铜烧结而成。电极层由一种或多种氧化物、银、钯烧结而成。绝缘介质层通过丝网印刷工艺，将介质原料印刷与烧成于金属表面；电阻加热轨迹层与电极层通过丝网印刷工艺，将电阻油墨与电极油墨印刷与烧成于介质层上；通过丝网印刷工艺，在电阻轨迹层上再印刷与烧成绝缘覆盖层。本发明可广泛应用于各类大功率电加热体。

Description

金属基板印刷电路加热体及其制备技术

技术领域：

本发明涉及金属基板印刷电路加热体及其制备技术。特别涉及以膨胀系数为6～18×10^-6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃的金属材料为基板的金属基板印刷电路加热体中绝缘介质材料、电阻轨迹材料、引出电极材料的配方设计及电热元件制备技术。

背景技术：

电加热元件按其结构分为单一电热元件和复合电热元件两大类。单一电热元件由一种材料组成，按其性质不同可分为金属电热元件和非金属电热元件两种。复合电热元件是由几种材料组成的，按其形状不同又分为金属管状、石英管状、陶瓷包覆状、板状、带状、薄膜状电热元件等。

金属电热元件主要是各类电热合金丝。应用较广泛的是镍基合金和铁基合金，如镍铬合金和铁铬铝合金。金属电热元件最大优点是原材料来源广泛、制作简单，但其缺点亦十分明显：工作状态下自身处于很高的温度下(炽热状态)，在空气中容易发生氧化反应而烧断；由于产生部分可见光而使能量损耗，故电热能量转换率降低；此外，电热合金往往以螺旋状态使用，通电时会产生感抗效应。

PTC即正温度系数热敏电阻材料，也常作为电热材料使用。其特性是对温度敏感，在低于居里温度时表现正电阻温度特性，当达居里温度时，其电阻值急剧增大。PTC电热元件具有以下优越特性：无明火，安全，-自动恒温，无氧耗，耐腐蚀等。存在的不足之处是负荷密度偏低，随使用时间延长功率衰减。

复合电热元件包括金属管状电热元件、石英辐射管状电热元件、陶瓷包覆式电热元件、电热板、电热带、电热膜等多种。

金属管状电热元件又称电热管，它是将螺旋状电热合金丝置入金属管内，间隙处通过多管填充机填充既绝缘又导热的氧化物介质如结晶氧化镁粉，再经过缩管机上“缩颈”而成。石英辐射管状电热元件主要由石英管、电热丝、引出端子和金属端部等部分组成，在石英管内装带有引出端头的螺旋状电热合金丝，管的两端金属端部同时起密封和导电作用。

管状电热元件主要缺点是要靠电热合金等材料加热，电热合金易氧化脆化，故使用寿命较短，有些石英管加热器有相当部分转化为可见光，

陶瓷包覆式电热元件的结构是在裸露的电热丝上包覆一层导热绝缘材料，其外形质感如一般的日用瓷器。其主要缺点是表面功率密度较低，一般在2.5W/cm²以下。

电热板是通过铸造在铸件内埋置电热管或将电热管钎焊于金属板的底部，是一种通电后板面发热而不带电且无明火的安全可靠的电加热平板。电热板最主要的优点是结构简单呈平面状，便于清洁；其缺点是热效率低，板面有时变形，长时间使用后热效率有下降现象。同时由于其电热材料为电热合金，故其寿命较短。

电热带由三部分组成：最里面是一层金属薄片电热元件；中间一层是耐高温的绝缘体；最外面一层是为了增加机械强度的编织物。电热带最大的特点是具有柔软性，这是其它电热元件所无法比拟的，同时，其清洁卫生，施工与维护方便；其缺点是机械强度较低，金属薄片电热元件过薄时会使加工不均，容易造成电热丝局部过热而烧毁。

电热膜是一种新型电热元件，可应用于几乎所有的中低温电加热领域，尤其是在家用电热器具中，它的应用面最广、最有效。

电热膜从外观上来分，有透明电热膜和不透明电热膜，若按其基料划分可分为有机电热膜和无机电热膜。有机电热膜的构成又有聚合物电热膜和添加型电热膜。目前实际应用较多的是在成膜物质中添加炭黑、石墨或二者混合使用，制膜的工艺以涂覆和丝网印刷为常用。无机膜中以透明的二氧化锡电热膜为代表，成膜工艺有热喷、气相沉积和溅射法等。以超细电热合金粉末为基料的无机电热膜可采用丝网印刷工艺制膜。陶瓷电热膜是将导电物如金属细粉或碳粉加入陶瓷或玻璃料中，经烘干烧结成膜。此外，通过化学还原反应将多种元素组成的电热膜置于表面搪瓷面内作为绝缘材料，也可直接制备象印刷电路一样的电热元件。还有一种叫作陶瓷钢的厚膜电热材料是用薄型电热合金钢片经过涂敷珐琅于高温下烧结而成。大多数电热膜的成膜和使用需要载体，应用较多的载体材料是玻璃、陶瓷和云母等。

电热膜具有许多优越性能，如：面状发热，热效率高；无明火，安全；加热均匀性好；耐腐蚀性好；升温速度快；多数电热膜具有自限温特性等。

但是，传统的电热膜基板材料多为玻璃、陶瓷等脆性材料，安装困难；基板材料热导率低，故功率密度较小；膜层导电组分电阻率较高，为降低电阻层的电阻以提高功率，不得不增加厚度或增大面积，由于其脆性本质，难以承受热冲击易导致元件早期失效。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种金属基板印刷电路加热体及其制备技术，与传统的电热膜相比具有显著的优点。以膨胀系数为6～18×10^-6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃的金属材料为基板，设计制备与金属基板有较高结合强度、较高击穿强度的绝缘介质层，设计制备以贵金属及其化合物为导电功能相的电阻加热轨迹，设计制备以贵金属为导电相的低阻引出电极。

金属基板印刷电路加热体是一种全新的电热元件，它具有许多独特的性能。与传统的电热元件相比，它具有以下几个特点：

功率密度大。金属基板印刷电路加热体功率密度一般为40～60W/cm²，是家用电热器具中合金电热材料的近十倍。

加热速度快。金属基板印刷电路加热体升温速度非常快。

机械强度高，抗振动，抗热冲击能力强。

长寿命。传统电热合金元件使用寿命一般不超过3000小时，而金属基板印刷电路加热体的使用寿命可达1万小时以上。

节能环保。与传统电热元件(如电热管、电炉等)相比，节能达10～30％；制备与使用过程中无毒害。

这些特点可使家电及工业电器小型化和轻量化，并且具有显著的节能效果；此外该加热体安装方便且能在恶劣的环境下使用，因此广泛应用于家电和工业电器。

本发明所要解决的技术问题是根据电加热体使用性能要求，选用合理的金属基板材料；设计制备与所选用金属基板有较高结合强度、较高击穿强度的介质材料；设计制备以贵金属及其化合物为导电功能相的电阻材料；设计制备以贵金属为导电相的低阻引出电极材料；制备材质与介质层相同的覆盖层。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案：选用膨胀系数为6～18×10^-6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃的金属材料为基板，如铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、钛及钛合金。

本发明的与所选用的金属基板有较高结合强度、较高绝缘强度的介质层，其特点是制作介质层的玻璃由氧化钡(BaO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化硼(B₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)、氧化钴(Co₂O₃)、氧化铜(CuO)所组成。其组分配比(质量％)为：氧化钡(0～50％)、氧化钙(5～50％)、氧化镁(0～10％)、氧化铝(5～20％)、氧化硅(20～30％)、氧化硼(5～15％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)、氧化钴(0～5％)、氧化铜(0～5％)。

本发明的与所选用的金属基板有较高结合强度、较高击穿强度的介质层制备工艺为：

1、制备玻璃粉：按配比(质量％)为：氧化钡(0～50％)、氧化钙(5～50％)、氧化镁(0～10％)、氧化铝(5～20％)、氧化硅(20～30％)、氧化硼(5～15％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)、氧化钴(0～5％)、氧化铜(0～5％)混合均匀后熔炼，熔炼温度为1200～1600℃，经球磨得到平均粒径为1～10μm的玻璃粉。

2、调制介质油墨：将玻璃粉与有机粘结剂按(70～90％)∶(10～30％)的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得介质油墨。

3、在所选金属基板上制备介质层：在清洁的金属基板表面丝网印刷介质油墨，在真空容器中流平，经烘干、烧结等工艺制得致密的介质层。

本发明的金属基板印刷电路加热体的电阻层，其特点在于是电阻层由玻璃粘结相、电阻功能相(银、钯、钌酸铋、钌酸铜)烧结而成。玻璃由氧化钙(CaO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化硼(B₂O₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)所组成。其组分配比(质量％)为：氧化钙(10～30％)、氧化铝(5～30％)、氧化硅(15～40％)、氧化硼(5～15％)、氧化铋(5～20％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)。电阻加热材料中各组分配比(质量％)为：玻璃(25～60％)、功能相(银30～60％、钯0～10％、钌酸铋0～40％、钌酸铜0～40％。)

本发明的基于金属基板印刷电路加热体的电阻层制备工艺为：

4、制备玻璃粉：按配比(质量％)为：氧化钙(10～30％)、氧化铝(5～30％)、氧化硅(15～40％)、氧化硼(5～15％)、氧化铋(5～20％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)混合均匀后熔炼，熔炼温度为1200～1600℃，经球磨得到平均粒径为1～10μm的玻璃粉。

5、调制电阻油墨：按组分配比(质量％)为：玻璃(25～60％)、功能相(银30～60％、钯0～10％、钌酸铋0～40％、钌酸铜0～40％)作为电阻功能相，电阻功能相和有机粘结剂按质量比(60～80％)∶(20～40％)的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得电阻油墨。

6、在已制备有介质层的金属基板表面制备电阻层：丝网印刷电阻油墨，在真空容器中流平，经烘干、烧结等工艺制得致密的电阻层。

本发明的基于金属基板印刷电路加热体的引出电极，其特点在于由一种或多种氧化物、银、钯烧结而成。其组分配比(质量％)为：氧化物(1～10％)、银(50～90％)、钯(0～10％)。其中氧化物的组分为由氧化铝(Al₂O₃)、氧化铜(CuO)、氧化铋(Bi₂O₃)和氧化钛(TiO₂)所组成，其组分配比(质量％)为：氧化铝(0～80％)、氧化铜(0～30％)、氧化铋(0～90％)、氧化钛(0～10％)。

本发明的基于金属基板印刷电路加热体的引出电极制备工艺为：

7、制备氧化物混合粉：将粒度控制为1～10μm、配比(质量％)为：氧化铝(0～80％)、氧化铜(0～30％)、氧化铋(0～90％)、氧化钛(0～10％)经混料机混合制得氧化物混合粉。

8、调制引出电极油墨：按组分配比(质量％)为：氧化物混合粉(1～10％)、功能相(银50～90％、钯0～10％)作为引出电极功能相，引出电极功能相和有机粘结剂按质量比(70～90％)∶(10～30％)的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得引出电极油墨。

9、制备引出电极：丝网印刷引出电极油墨，引出电极图形与电阻层部分重叠，油墨丝印后在真空容器中流平，经烘干、烧结等工艺制得致密的引出电极。

按设计的覆盖层图形，选用前述介质油墨，用与介质层相同的制备工艺在已制备有引出电极、电阻层的绝缘金属基板表面制备覆盖层。

本发明主要优点在于：

1、选用膨胀系数为6～18×10^-6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃的金属材料如铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、钛及钛合金为基板，满足后续制备绝缘层、电阻轨迹及引出电极的高温烧结工艺需要，同时这些材料也符合食品卫生安全要求。

2、设计制备的绝缘介质层材料与上述金属基板结合牢固，能承受苛刻的热冲击和机械冲击。当绝缘介质层厚度大于80μm后，击穿电压大于1800V(50Hz或60Hz)，满足通用电器安全规范要求。

3、设计制备的电阻轨迹层，与绝缘介质层有良好的兼容性，结合力大。同时具有低方阻和低电阻温度系数特性，满足电热器具的大功率和功率稳定的基本要求。在500℃以下阻值稳定，寿命长。

4、设计制备的引出电极具有良好的可焊性，方阻低，与绝缘介质层和电阻轨迹层材料结合力强。

附图说明：

图1、图2、图3和图4为本发明原理示意图。

图中：1-不锈钢板，2-绝缘层，3-电阻层，4-电极层，5-覆盖层，6-钛合金板

具体实施方式：

实施例1：

选用膨胀系数为10.4×10^-6/℃，热导率为20.5W/(m·K)，熔点为1427～1510℃的1Cr17铁素体不锈钢为基板材料，厚度为1mm，冲压加工成直径为102mm的圆板。如附图1中所示的序号1。

制备绝缘介质层。按配比(质量％)为：SiO₂：30％、B₂O₃：5％、Al₂O₃：15％、CaO：41％、Co₂O₃：3％、TiO₂：5％、ZrO₂：1％混合均匀后熔炼，熔炼温度为1500℃，球磨得到平均粒径为2μm的玻璃粉。将玻璃粉和有机粘结剂按(72％∶28％)的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得介质油墨。将上述金属基板表面用丙酮清洗干燥后，按设计的介质层图形，丝网印刷介质油墨，在低真空容器中流平。经150℃烘干、850℃烧结等工艺制得致密的介质层。如附图1中所示的序号2。

制备电阻层。按配比(质量％)为：SiO₂：28％、B₂O₃：9％、Al₂O₃：19％、CaO：19％、Bi₂O₃：19％、TiO₂：5％、ZrO₂：1％混合均匀后熔炼，熔炼温度为1500℃，球磨得到平均粒径为2μm的玻璃粉。按组分配比(质量％)为：玻璃38％、银60％、钯2％作为固相和有机粘结剂按质量比80％∶20％的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得电阻油墨。按设计的电阻轨迹图形，将电阻油墨丝网印刷于有介质层的1Cr17不锈钢基板表面，在低真空容器中流平。经150℃烘干、850℃烧结等工艺制得所需功率的电阻轨迹。如附图1中所示的序号3。

制备引出电极。将粒度控制为5μm的5％Bi₂O₃与90％的银粉、5％钯粉混合的固相，按组分配比(质量％)为：固相和有机粘结剂按质量比80％∶20％的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得引出电极油墨；按设计的引出电极图形，丝网印刷引出电极油墨，引出电极图形与电阻轨迹部分重叠，油墨丝印后在真空容器中流平，经150℃烘干、850℃烧结等工艺制得电极层。如附图1中所示的序号4。

制备覆盖层。按设计的覆盖层图形，选用制备介质层的介质油墨，用与介质层相同的制备工艺在已制备有引出电极、电阻轨迹的绝缘金属基板表面制备覆盖层。如附图1中所示的序号5。

附图1所示，1Cr17不锈钢板尺寸为：Φ102mm×1mm；绝缘层尺寸：Φ96mm厚度为90μm；电阻轨迹长4×168mm，宽2mm，厚度为12μm；电极层为2个Φ6mm的圆点，厚度为10μm；发热体的额定功率为250W(24VDC)，功率密度为17W/cm²，工作温度为150℃。

实施例2：

选用膨胀系数为7×10^-6/℃，热导率为18W/(m·K)，熔点为1427～1510℃的钛合金为基板材料，厚度为1mm，加工成80×150mm的方板。如附图2中所示的序号6。

制备绝缘介质层。按配比(质量％)为：SiO₂：26％、BaO：40％、MgO：8％、B₂O₃：5％、Al₂O₃：10％、CaO：5％、Co₂O₃：2％、ZrO₂：4％混合均匀后熔炼，熔炼温度为1450℃，经球磨得到平均粒径为3μm的玻璃粉。将玻璃粉和有机粘结剂按(75％∶25％)的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得介质油墨。将上述钛合金表面用丙酮清洗干燥后，按设计的介质层图形，丝网印刷介质油墨，在低真空容器中流平，经150℃烘干、865℃烧结等工艺制得致密的介质层。如附图2中所示的序号2。

制备电阻轨迹层。按配比(质量％)为：SiO₂：26％、B₂O₃：8％、Al₂O₃：20％、CaO：20％、Bi₂O₃：20％、TiO₂：4％、ZrO₂：2％混合均匀后熔炼，熔炼温度为1500℃，经球磨得到平均粒径为2μm的玻璃粉。按组分配比(质量％)为：玻璃42％、银56％、钯2％作为固相和有机粘结剂按质量比78％∶22％的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得电阻油墨。按设计的电阻轨迹图形，将电阻油墨丝网印刷于有介质层的钛合金基板表面，在低真空容器中流平，经150℃烘干、865℃烧结等工艺制得所需功率的电阻轨迹。如附图2中所示的序号3。

制备引出电极。将粒度为5μm的Al₂O₃、粒度为5μm的Ti₂O₃、银粉和钯粉按组分配比(质量％)为：3％、2％、90％和5％混合成固相。按组分配比(质量％)为：固相和有机粘结剂按质量比80％∶20％的比例置于容器中搅拌分散后进行三辊轧制，然后经真空脱泡处理制得引出电极油墨；按设计引出电极图形，丝网印刷引出电极油墨，引出电极图形与电阻轨迹部分重叠，油墨丝印后在真空容器中流平，经150℃烘干、865℃烧结等工艺制得电极层。如附图2中所示的序号4。

制备覆盖层。按设计的覆盖层图形，选用制备介质层的介质油墨，用与介质层相同的制备工艺在已制备有引出电极、电阻轨迹的绝缘钛合金基板表面制备覆盖层。如附图2中所示的序号5。

附图2所示，钛合金板尺寸为：150mm×80mm×1mm；绝缘层尺寸：146mm×76mm，厚度为90μm；电阻轨迹长767mm，宽2mm，厚度为10μm；电极层为2个5mm×7mm的方块，厚度为10μm；发热体的额定功率为1000W(220VAC)，功率密度为35W/cm²，工作温度为200℃。

Claims (10)

1、一种金属基板印刷电路加热体，其基本构成是通常为一金属基板，一涂敷于金属基板表面上的绝缘介质层以及涂敷于绝缘介质层上的电阻层和引出电极，一涂敷于电阻层上的绝缘覆盖层。其特征在于金属基板的膨胀系数为6～18×10^-6/℃，热导率为10～50W/(m·K)，熔点为900～2000℃。绝缘介质层是由软化温度为500～800℃的玻璃粉烧结而成。

2、根据权利要求1所述的绝缘介质层，其特征是制作绝缘介质层的玻璃粉由氧化钡(BaO)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化硼(B₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)、氧化钴(Co₂O₃)、氧化铜(CuO)所组成。其组分配比(质量％)为：氧化钡(0～50％)、氧化钙(5～50％)、氧化镁(0～10％)、氧化铝(5～20％)、氧化硅(20～30％)、氧化硼(5～15％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)、氧化钴(0～5％)、氧化铜(0～5％)。

3、根据权利要求1所述的印刷电路加热体，其特征是电阻轨迹由玻璃、银、钯、钌酸铋、钌酸铜烧结而成。

4、根据权利要求3所述的电阻轨迹，其特征是玻璃由氧化钙(CaO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化硼(B₂O₃)、氧化铋(Bi₂O₃)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钛(TiO₂)所组成。其组分配比(质量％)为：氧化钙(10～30％)、氧化铝(5～30％)、氧化硅(15～40％)、氧化硼(5～15％)、氧化铋(5～20％)、氧化锆(0～10％)、氧化钛(0～10％)。

5、根据权利要求3所述的电阻轨迹，其特征是电阻轨迹各组分配比(质量％)为：玻璃(25～60％)、银(30～60％)、钯(0～10％)、钌酸铋(0～40％)、钌酸铜(0～40％)。

6、根据权利要求1所述，其特征是引出电极由一种或多种氧化物、银、钯烧结而成。其组分配比(质量％)为：氧化物(1～10％)、银(50～90％)、钯(0～10％)。

7、根据权利要求6所述，其特征在于氧化物由氧化铝(AlO₃)、氧化铜(CuO)、氧化铋(Bi₂O₃)、氧化钛(TiO₂)所组成，其组分配比为：氧化铝(0～80％)、氧化铜(0～30％)、氧化铋(0～90％)、氧化钛(0～10％)。

8、根据权利要求1所述，其特征是覆盖层材质与介质层相同。

9、一种金属基板印刷电路加热体，其特征在于采用丝网印刷工艺在权利要求1所述金属基板表面上制作介质层，在介质层上制作电阻轨迹与引出电极，在电阻层上制作覆盖层，所制备的各膜层致密稳定。

10、根据权利要求9所述，各膜层的致密化技术特征在于：

①制作各膜层的油墨进行真空脱泡处理；

②印刷好的膜层在烘干前，置于真空容器中流平。

Images