CN102892917A - 包括使用激光金属沉积设备将电阻性粉末转化成熔合加热元件的工艺 - Google Patents

Abstract

一种工艺（200），其包括：转印操作（204），其包括将电阻性粉末（106）转印至电绝缘元件（102）；和转化操作（206），其包括通过使用激光金属沉积设备（110）将至少一些所述电阻性粉末（106）转化成熔合加热元件（108），所述熔合加热元件（108）熔合至所述电绝缘元件（102）。

Description

包括使用激光金属沉积设备将电阻性粉末转化成熔合加热元件的工艺

技术领域

本发明的一个方面大致涉及（但不限于）一种工艺，其包括（但不限于）：通过使用激光金属沉积装置将电阻性粉末转化成熔合加热元件。

背景技术

最早的人造塑料由Alexander PARKES在1851年发明于英国。他在1862年伦敦国际博览会上公开展示所述人造塑料，将所述材料命名为Parkesine。衍生自纤维素，Parkesine可被加热、模制并且在冷却时保持其形状。其制造成本昂贵、易开裂并且高度可燃。1868年，美国发明家John Wesley HYATT开发出一种由他命名为Celluloid的塑性材料，改进了PARKES的发明使得所述材料可被加工成成品形式。HYATT在1872年将首台注塑机申请专利。所述注塑机像大型皮下注射针头一样工作，使用活塞穿过加热料筒将塑料注入模具。所述行业在20世纪40年代因第二次世界大战而形成对便宜的、大规模生产的产品的巨大需求而迅速扩张。1946年，美国发明家James Watson HENDRY造出首台螺杆式注塑机。这种机器允许材料在注入前混合，使得有色或再利用的塑料可被添加至纯净材料并且在注入前彻底混合。在20世纪70年代，HENDRY继续开发最早的气体协助注塑工艺。

注塑机由料斗、注射活塞或螺杆式活塞和加热单元组成。这些注塑机也被称为压力机，它们容纳其中使组件成形的模具。压力机按吨位设计，其表示所述机器可施加的夹持力的量。此力使模具在注射过程中保持闭合。吨位可从小于五吨变化为6000吨，在相对较少制作操作中使用更大吨位。所需总夹持力由被模制的零件的投影面积确定。投影面积被乘以从每平方英寸投影面积两吨至八吨的夹持力。根据经验，每平方英寸四吨或五吨可用于多数产品。如果塑性材料非常坚硬，那么可能需要更大的注塑压力来填充模具，因此需要更大的夹持力来使模具保持闭合。所需力也可由所使用的材料和零件的尺寸来确定，越大的零件需要越大的夹持力。使用注塑，可通过重力从料斗输送粒状塑料至加热机筒。当小颗粒通过螺杆型活塞而缓慢前移时，塑料被压入加热腔室，并在所述加热腔室中熔化。当活塞前行时，熔化的塑料受压穿过抵靠着模具的喷嘴，使其可穿过浇口及流道系统进入模具腔。模具保持冷却，所以塑料几乎在模具被填充时立即固化。模具总成或模具是用来描述用于在模制时生产塑料零件的工具的术语。模具总成用于生产数千个零件的大规模生产中。模具通常由硬化钢等制成。热流道系统与模具总成一起用于模制系统，用于制造塑料制品。通常，热流道系统和模具总成被认为可独立于模制系统销售和供应的工具。

美国专利第4897150号公开直写技术，其中（例如）电子束在集成电路或其它半导体元件上“写出”光阻图案。这些现有直写技术中的一些还包括使用激光光束。这些激光协助沉积技术涉及由有机金属气体沉积出金属或由硅烷（SiH4）沉积出多晶硅。

美国专利第7001467号公开一种用于在接收基板上沉积所关注材料的装置和方法，其包括第一激光和第二激光、接收基板和目标基板。所述目标基板包括具有背面和正面的激光透射支架。正面具有包括源材料的涂层，所述源材料是一种可转变成所关注材料的材料。所述第一激光可相对于所述目标基板被定位使得激光光束被引导穿过所述目标基板的所述背面并且穿过所述激光透射支架以用足够的能量在已定义位置上照射涂层以将源材料从所述支架的表面移除并且提起。所述接收基板可被定位为与所述目标基板成隔开关系使得所述源材料沉积在所述接收基板上的已定义位置。所述第二激光随后被定位来照射所沉积的源材料以将所述源材料转变成所关注的材料。

通过使用UV激光光束首先将涂层从目标基板转印到接收基板并且随后用使用第二IR激光光束对转印的材料进行后处理而制作导电银线。所述目标基板包括UV级熔合硅片，所述硅片的一侧上涂抹一层将转印的材料。此层包括Ag粉末（几微米的粒子尺寸）和金属有机前体，所述金属有机前体在低温（低于200℃）下分解为导电物种。所述接收基板是微波质量电路板，其具有不同的几微米厚的金电极垫。使用25微米厚的间隔片来分开所述目标基板和所述接收基板。

银首先在225mJ/cm2焦点流量下用聚焦UV（λ=248nm或λ=355）激光光束转印穿透所述目标基板。焦点上的点尺寸的直径为40μm。通过一起平移所述目标基板和所述接收基板以在激光光束保持静止的同时针对每次激光发射暴露所述目标基板的新区域而在两个金接触垫之间制作“点”线。激光点之间的距离为大约一个点的直径。一道包括大约25个点且总共进行10道（彼此叠加）。所述目标基板在每道之间移动。在转印后，用欧姆计测量到的金垫之间的电阻无穷大（＞20至30兆欧）。

美国专利第7014885号公开用于通过沉积转变成电导体的前体材料或前体材料与无机粉末的混合物而形成导电材料的沉积物的装置和方法。为了形成金属的沉积物，诸如用作导线，可使用化学气相沉积（CVD）和激光引致的化学气相沉积（LCVD）中常用的任意前体。实例包括（但不限于）金属醇盐、金属二酮化合物和金属羰化物。

美国专利第5132248号公开一种用于在基板上沉积材料（例如，在半导体激光上沉积金属或电介质）的工艺，所述材料通过提供材料的胶状悬浮液并且将悬浮液通过喷墨印刷技术直接写至基板表面上而沉积。此程序使沉积过程中基板的处理要求最小化并且也使待沉积材料与基板在界面上的能量交换最小化。所沉积的材料随后溶解为所需图案，优选通过使沉积物经历激光退火步骤。激光退火步骤提供高分辨率的所得图案，同时使基板的总负载最小化并且允许基板与沉积物之间的界面化学物和相互扩散的准确控制。

发明内容

发明者已研究与意外地制造劣质模制品或零件的已知模制系统相关的问题。通过许多研究，发明者相信他们已达成如下文所述的对问题和其解决方案的理解，并且发明者相信此理解不为公众所知。

当前的加热器结构通常涉及以不同形式封装镍铬线元件（镍铬电阻线）。更先进的方法可使用要求高焙烧温度和/或针对每个构造的定制丝网的丝网印刷技术。其它已知方法可依赖热喷涂层以及选择性地移除层的部分以制作所要加热元件。例如，额外的已知方法可依赖热喷涂技术，其中专用的遮罩用于形成所要加热器构造和图案。其它已知方法可利用喷墨型印刷头，电阻性介质悬浮在溶剂或其它液体中以将图案化加热器直接写至基板上。

根据一个方面，提供一种工艺（200），其包括：转印操作（204），其包括将电阻性粉末（106）转印至电绝缘元件（102）；和转化操作（206），其包括通过使用激光金属沉积设备（110）将至少一些电阻性粉末（106）转化成熔合加热元件（108），熔合加热元件（108）熔合至电绝缘元件（102）。

本领域技术人员现将在结合附图阅读下列非限制性实施方案的详细描述时了解非限制性实施方案的其它方面和特征。

附图说明

通过参考下文结合附图对非限制性实施方案进行的详细描述可更全面地理解非限制性实施方案，其中：

图1描绘激光金属沉积设备（110）的示意图；

图2描绘图1的激光金属沉积设备（110）的另一个示意图；和

图3描绘用于使用图1或图2的激光金属沉积设备（110）的工艺（200）的示意图。

图式不一定按比例绘制且可通过虚线、图示和局部视图示出。在某些情况下，对于理解实施方案而言不需要的细节（和/或不利于其它细节的理解的细节）可省略。

具体实施方式

图1描绘激光金属沉积设备（110）的示意图。模具系统、热流道系统和模制系统可至少部分包括本领域人员已知的组件且这些已知的组件在本文中不作描述；在下列参考书目中至少部分描述这些已知的组件（例如）：（i）“Injection Molding Handbook”，作者：OSSWALD/TURNG/GRAMANN（ISBN：3-446-21669-2），（ii）“Injection Molding Handbook”，作者：ROSATO ANDROSATO（ISBN：0-412-99381-3），（iii）“Injection Molding Systems”，第三版作者：JOHANNABER（ISBN：3-446-17733-7）和/或（iv）“Runner and Gating Design Handbook”，作者：BEAUMONT（ISBN 1-446-22672-9）。应了解，在本文件范围内，短语“包括（但不限于）”等效于词“包括”。词“包括”是过渡性短语或词，其将专利权利要求的前序与权利要求中说明的定义本发明本身的实际情况的特定元件的专利权利要求相关联。过渡性短语作为对权利要求的限制，规定在被起诉的装置（等）含有多于或少于专利中的权利要求的元件的情况下，类似装置、方法或组成是否对本专利构成侵权。词“包括”应被视为开放性过渡，其是最广义的过渡形式，因为其不限制权利要求中所规定的任何元件的前序。

电绝缘元件（102）被放置在基板（104）上。电阻性粉末（106）被放置在电绝缘元件（102）上。至少一些电阻性粉末（106）通过使用激光金属沉积设备（110）转化成熔合加热元件（108）。熔合加热元件（108）熔合至电绝缘元件（102）。电绝缘元件（102）可包括一层绝缘材料。基板（104）可包括（例如）一层基板材料。

电绝缘元件（102）的实例可包括：氮化铝、氧化铝、氧化镁、氧化锆、云母、金刚石等。基板（104）的实例可包括：碳钢、工具钢、不锈钢、铜和以铜为主的合金、铝、钛、氮化铝、氧化铝、碳化硅或其它金属或陶瓷材料。电阻性粉末（106）的实例可包括：镍铬（nickel-chrome）（也被称作镍铬（ni-chrome））、导电陶瓷、钨等。

根据第一变型，将电阻性粉末（106）放置在电绝缘元件（102）上包括（但不限于）：使用进料器喷嘴（112）将电阻性粉末（106）喷射至电绝缘元件（102）上。

图2描绘图1的激光金属沉积设备（110）的另一个示意图。根据第二变型，将电阻性粉末（106）放置在电绝缘元件（102）上包括（但不限于）：将电阻性粉末（106）沉积为电绝缘元件（102）上的一层。

图3描绘用于使用图1或图2的激光金属沉积设备（110）的工艺（200）的示意图。工艺（200）包括（但不限于）：（i）固定操作（202）；（ii）转印操作（204）；和（iii）转化操作（206）。固定操作（202）包括（但不限于）：将电绝缘元件（102）固定在基板（104）上。转印操作（204）包括（但不限于）：将电阻性粉末（106）转印至电绝缘元件（102）。转化操作（206）包括（但不限于）：通过使用激光金属沉积设备（110）将至少一些电阻性粉末（106）转化成熔合加热元件（108）。熔合加热元件（108）随后熔合至电绝缘元件（102）。

应了解，激光金属沉积设备（110）可用于在单个写步骤中创建或形成定制的加热器轮廓（瓦数和瓦特分布）。通过直写加热元件，即使用转化操作（206），可降低成本同时也减少制作熔合加热元件（108）所需的步骤数量。此外，铰接激光金属沉积设备（110）的激光头的能力可允许在轮廓化表面和/或复合形状表面上构建熔合加热元件（108）。

激光金属沉积设备（110）使用激光能源来将电阻性粉末（106）熔合在电绝缘元件（102）上，诸如陶瓷，包括氧化镁或氧化铝以及以金刚石为主的材料。有几种方法可用于将电阻性粉末（106）定位在电绝缘元件（102）上。电阻性粉末（106）可：（i）使用压缩气体（如图1所描绘）馈入激光光束，或（ii）可使用激光光束路径在表面上方散布成规定厚度并且选择性地熔合至基板（104）以确定元件构造（如图2所描绘）。根据增大控制熔合加热元件（108）的热特性和电特性的灵活性的需要，可使用额外道的激光光束来制作较厚层。可移动（或经由镜转向）激光头，可移动基板（104）或甚至可移动两者来实现熔合加热元件（108）的所要几何形状和构造。

本发明的一个方面（或实例）提供一种用于使用激光金属沉积（LMD）以单个步骤在基板（104）上制作轮廓化加热元件的工艺，其中粉末被输送至聚焦在基板（104）的表面上的激光光束中。粉末仅在激光光束所聚焦的区域中通过激光能的局部化而熔合至基板（104）。通过施加正确材料的迹线来直接形成加热元件迹线，可以一个直写步骤在基板（104）（诸如陶瓷材料、绝缘基板等）上构建定制加热器，无需遮蔽或选择性地移除所沉积的材料。与另外使用已知方法的情况相比，这种配置允许以较低的成本和较少的步骤来形成定制加热元件。

应了解，本发明的范围限于独立权利要求所提供的范围且还应了解本发明的范围不限于：（i）随附权利要求书、（ii）非限制性实施方案的详细说明；（iii）发明概要；（iv）说明书摘要；和/或（v）本文件以外（即如所提起、所起诉和/或所授予的即时申请之外）提供的描述。应了解，在本文件范围内，短语“包括（但不限于）”等效于词“包括”。词“包括”是过渡性短语或词，其将专利权利要求的前序与权利要求中说明的定义本发明本身的实际情况的特定元件的专利权利要求相关联。过渡性短语作为对权利要求的限制，规定在被起诉的装置（等）含有多于或少于专利中的权利要求的元件的情况下，类似装置、方法或组成是否对本专利构成侵权。词“包括”应视作开放性过渡，其是最广义的过渡形式，因为其不限制权利要求中所规定的任何元件的前序。应注意，上文已经概述了非限制性实施方案。因此，虽然针对特定的非限制性实施方案进行描述，但是本发明的范围适于且可应用于其它配置和申请。可对所述非限制性实施方案进行修改而不脱离独立权利要求的范围。应了解，所述非限制性实施方案仅为说明性的。

Claims (4)

1.一种工艺（200），其包括：

转印操作（204），其包括将电阻性粉末（106）转印至电绝缘元件（102）；和

转化操作（206），其包括通过使用激光金属沉积设备（110）将至少一些所述电阻性粉末（106）转化成熔合加热元件（108），所述熔合加热元件（108）熔合至所述电绝缘元件（102）。

2.根据权利要求1所述的工艺（200），其还包括：

固定操作（202），其包括将所述电绝缘元件（102）固定在基板（104）上。

3.根据权利要求1所述的工艺（200），其中：

所述转印操作（204）还包括：

使用进料器喷嘴（112）将所述电阻性粉末（106）喷射至所述电绝缘元件（102）上。

4.根据权利要求1所述的工艺（200），其中：

所述转印操作（204）还包括：

将所述电阻性粉末（106）沉积为所述电绝缘元件（102）上的一层。

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