CN115210405A - 喷涂喷嘴、喷嘴前端部及喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本公开为实现减低膜的膜厚差的喷涂喷嘴。本公开是一种冷喷涂装置（100）的喷涂喷嘴（1），其包括：含有供膜材料及载气通过的第1通路（20）的喷嘴主体（15）；设于喷嘴主体（15）的前端部且含有与第1通路（20）连通的第2通路（21）的喷嘴前端部（16），该第2通路（21）在远离其截面中心（P）的位置扩宽。

Description

喷涂喷嘴、喷嘴前端部及喷涂装置

技术领域

本发明涉及喷涂装置中使用的喷涂喷嘴、喷嘴前端部及包括该喷涂喷嘴的喷涂装置。

背景技术

以往的喷涂技术例如已知有冷喷涂。通常，冷喷涂中使用的喷涂喷嘴含有能够将高压气体从亚声速加速到超声速的拉瓦尔喷嘴结构（Laval nozzle）。且喷涂喷嘴含有圆形截面或矩形截面。上述以往的喷涂喷嘴例如由专利文献1公开。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2008-540115号公报（2008年11月20日公开）。

发明内容

发明要解决的技术问题

上述的以往技术有以下技术问题。

高压气体（流体）通过冷喷涂中以往使用的喷涂喷嘴内时，通过拉瓦尔喷嘴结构，流体会加速，流体能量会上升。流体能量在喷涂喷嘴截面的中央部最高，越靠近壁面越低。因此，对象物（基材等）上的膜在中央部厚，越往端部越薄。或者，若喷涂喷嘴截面的中央部的流体能量过高，也会有膜的中央部崩坏的情况。

这样，以往的喷涂喷嘴容易使得膜的膜厚不稳定。若膜的膜厚不稳定，则会产生膜特性（电特性、紧密接合性或硬度等）也变得不稳定这一技术问题。使用喷涂喷嘴的其他喷涂技术（气溶胶沉积等）也有同样的技术问题。

本发明有鉴于上述问题点，其目的在于实现能够减低膜的膜厚差的喷涂喷嘴、喷嘴前端部及喷涂装置。

解决技术问题的技术手段

为了解决上述技术问题，本公开一形态所涉及的喷涂喷嘴是在喷涂装置中使用的喷涂喷嘴，其包括：含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体；设于所述喷嘴主体的前端部且含有与所述第1通路连通的第2通路的喷嘴前端部，所述第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

为解决上述技术问题，本公开一形态所涉及的喷嘴前端部是设于喷涂装置的喷涂喷嘴的喷嘴前端部，其设于含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体的前端部、且含有与所述第1通路连通的第2通路，所述第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

发明效果

根据本公开一形态，能够减低膜的膜厚差。

附图说明

【图1】图示本实施方式所涉及的喷涂喷嘴的概略形状，左图为喷涂喷嘴的侧视图，右图为喷涂喷嘴的前端部；

【图2】本实施方式所涉及的冷喷涂装置的概略图；

【图3】图示本实施方式所涉及的第2通路的其他例；

【图4】本实施例所涉及的喷涂喷嘴的前端部的一例的照片；

【图5】用图4的本实施方式所涉及的喷涂喷嘴和以往的喷涂喷嘴比较膜的膜厚的图表。

具体实施方式

以下参照附图说明实施方式。在以下的说明中，对同一元件及构成要素附上同一编号。其名称及功能也相同。因此对其不重复详细说明。

本实施方式能够适用于所有喷涂装置（方法）。喷涂装置（方法）例如能列举出冷喷涂或气溶胶沉积等。在本实施方式中，以冷喷涂为例进行说明。

〔冷喷涂〕

近年，会利用一种被称作冷喷涂的膜形成法。冷喷涂是使得温度低于膜材料的熔点或软化温度的载气为高速流，向该载气流中投入膜材料并让其加速，在固相状态下，让其与基板等高速碰撞来形成膜的方法。

冷喷涂的膜原理如下理解。

膜材料附着・堆积于基板并形成膜需要某临界值以上的碰撞速度，此称为临界速度。若膜材料以低于临界速度的速度与基板碰撞，则基板会磨损，只能在基板形成小坑状的凹陷。临界速度会由于膜材料的材质、大小、形状、温度、氧含量、或者基板的材质等而变化。

若膜材料以临界速度以上的速度与基板碰撞，则在膜材料和基板（或者已成型的膜）的接触面附近会产生较大的剪切导致的塑性变形。该塑性变形及碰撞导致固体内产生强冲击波，与之相伴，接触面附近的温度也会上升，在该过程中，膜材料和基板、以及膜材料和膜（已附着的膜材料）之间会产生固相接合。

（冷喷涂装置100）

图2是冷喷涂装置100的概略图。如图2所示，冷喷涂装置100包括罐110、加热器120、喷涂喷嘴1、给料机140、基板保持器150、控制装置（无图示）。

罐110贮存载气。载气从罐110向加热器120供应。载气的一例能列举出氮气、氦气、空气、或者上述的混合气体。载气的压力调整为在罐110的出口例如为70PSI以上、150PSI以下（约0.48Mpa以上、约1.03Mpa以下）。但是，罐110的出口处载气的压力不限于上述范围，能根据膜材料的材质、大小、或者基板的材质等适当调整。

加热器120加热从罐110供应的载气。更具体而言，载气加热到低于从给料机140向喷涂喷嘴1供应的膜材料的熔点的温度。例如，载气加热到在加热器120的出口测定时，为50℃以上、500℃以下的范围。但是，载气的加热温度不限于上述范围，能根据膜材料的材质、大小、或者基板的材质等适当调整。

载气在由加热器120加热后，向喷涂喷嘴1供应。

喷涂喷嘴1在300m／s以上、1200m／s以下的范围加速由加热器120加热后的载气，将其向基板170喷射。载气的速度不限于上述范围，能根据膜材料的材质、大小、或者基板的材质等适当调整。

给料机140向由喷涂喷嘴1加速的载气流中供应膜材料。从给料机140供应的膜材料的粒径为1μm以上/50μm以下的大小。从给料机140供应的膜材料与载气一起从喷涂喷嘴1载气向基板170喷射。

基板保持器150固定基板170。载气及膜材料从喷涂喷嘴1向固定于基板保持器150的基板170喷射。基板170的表面和喷涂喷嘴1前端的距离例如在1mm以上、30mm以下的范围内调整。若基板170的表面和喷涂喷嘴1前端的距离比1mm近，则膜材料的喷射速度会降低。这是因为从喷涂喷嘴1喷出的载气会向喷涂喷嘴1内逆流。此时，由于载气逆流时产生的压力，也会有与喷涂喷嘴1连接的构件（软管等）脱离的情况。另一方面，若基板170的表面和喷涂喷嘴1前端的距离比30mm远，则成膜效率会降低。这是因为从喷涂喷嘴1喷出的载气及膜材料难以到达基板170。

但是，基板170的表面和喷涂喷嘴1的距离不限于上述范围，能根据膜材料的材质、大小、或者基板的材质等适当调整。

控制装置基于预先存储的信息、及／或操作人员的输入控制冷喷涂装置100。更具体而言，控制装置控制从罐110向加热器120供应的载气的压力、由加热器120加热的载气的温度、从给料机140供应的膜材料的种类及量、以及基板170的表面与喷涂喷嘴1的距离等。

在冷喷涂装置100中，可使用众所周知的膜材料进行冷喷涂。例如，膜材料能够使用镍粉、锡粉、或锡粉和锌粉的混合材料等。

通过使用冷喷涂装置100，能够享受冷喷涂的优点。冷喷涂的优点例如如下：（1）抑制膜氧化、（2）抑制膜热变质、（3）形成致密的膜、（4）抑制烟雾的产生、（5）所需最小限度的掩蔽、（6）通过简单的装置形成膜、（7）短时间形成厚的金属膜。

（喷涂喷嘴）

以下，通过图1等说明本实施方式所涉及的喷涂喷嘴1。在以下的说明中，“截面”是供膜材料及载气通过的、形成于喷涂喷嘴1的通路的截面，指的是与膜材料及载气的流动方向垂直的方向的截面。

图1图示本实施方式所涉及的喷涂喷嘴1的概略形状，左图图示喷涂喷嘴1的侧视图（俯视图），右图图示喷涂喷嘴1的前端部16。

喷涂喷嘴1例如是缩扩喷嘴。喷涂喷嘴1包括喷嘴主体15和前端部（喷嘴前端部）16。喷嘴主体15沿着膜材料及载气的流动，以截面面积缩小部10、喉部12、截面面积扩大部14的顺序构成。

截面面积缩小部10是沿着膜材料及载气的流动，喷涂喷嘴1的截面面积慢慢缩小的部分。喉部12是喷涂喷嘴1的截面面积最小的部分。截面面积扩大部14是沿着膜材料及载气的流动，喷涂喷嘴1的截面面积慢慢扩大的部分。前端部16是膜材料及载气的出口部分。

截面面积缩小部10、喉部12、截面面积扩大部14及前端部16可以一体形成。或者前端部16可以为能够相对于截面面积扩大部14装卸。前端部16能相对于截面面积扩大部14装卸时，前端部16可通过众所周知的任意方法相对于截面面积扩大部14装卸。

截面面积缩小部10、喉部12及截面面积扩大部14含有供膜材料及载气通过的第1通路20。前端部16含有与第1通路20连通的第2通路21。如图1（右图）所示，第2通路21的截面大致为矩形，具有宽度W、高度H。图中的点P是矩形截面的对角线的交点，表示第2通路21的截面中心。点P处第2通路21的高度为H1（H1＜H）。

喷涂喷嘴1的截面为矩形。第2通路21的截面大致为矩形。相当于第2通路21的截面的长边的边L1～L4分别相对于喷涂喷嘴1的截面的长边倾斜角度θ。由此，第2通路21在远离截面中心P的位置扩宽。由此，第2通路21在远离截面中心P的位置具有大于高度H1的高度。

第1通路20可含有矩形截面。可为：第1通路20含有与第2通路21的截面为相似形状的截面形状，且第1通路20含有与第2通路21的内面在同一平面的内面。

第2通路21若在远离截面中心P的位置扩宽，则也可含有与图1所记载的截面形状不同的截面形状。第2通路21的其他例通过图3进行说明。

图3图示本实施方式所涉及的第2通路的其他例。以下，对复数个例子从上起依次进行说明。所有例子均在第2通路在远离截面中心P的位置扩宽这点上共通。

前端部30含有大致矩形的第2通路31。第2通路31的与矩形的2个长边对应的部分呈阶梯状。

前端部32含有大致矩形的第2通路33。第2通路33的与矩形的2个长边对应的部分呈弧状。

前端部34含有大致矩形的第2通路35。第2通路35与第2通路21在以下点上不同。具体而言，在第2通路21中，与矩形的2个长边对应的部分倾斜。与之相对，在第2通路35中，仅与矩形的1个长边对应的部分倾斜。

前端部36含有大致矩形的第2通路37。第2通路37与第2通路35在以下点上不同。具体而言，在第2通路35中，与矩形的1个长边对应的部分倾斜。与之相对，在第2通路37中，仅矩形的1个长边的一半倾斜。

前端部38含有大致矩形的第2通路39。第2通路39与第2通路21在以下点上不同。具体而言，第2通路21的截面以截面中心P为基点点对称。与之相对，第2通路39的截面不以截面中心P为基点点对称。

前端部40含有第2通路41。前端部40的外形为圆形。第2通路41的外形大致为圆形。第2通路41的截面中心P是第2通路41的圆的中心。第2通路41中，相对的2个部分（图中的部分42a、部分42b）向内侧凹陷。

这样，本实施方式所涉及的第2通路能够采用各种截面形状。在所有截面形状中，第2通路均在远离截面中心的位置扩宽。由此，本实施方式所涉及的喷涂喷嘴1有以下效果。

如上所述，以往的喷涂喷嘴容易使得膜的膜厚不稳定。若膜膜厚不稳定，则会产生膜特性（电特性、紧密接合性或硬度等）也变得不稳定这一技术问题。

对此，在本实施方式所涉及的喷涂喷嘴1中，第2通路21在远离截面中心的位置扩宽。由此，与使用以往的喷涂喷嘴时相比，喷涂喷嘴1的内部中的流体能量中央部较低，端部较高。且第2通路21的截面为端部侧变广，因此喷涂喷嘴1的成膜范围也会变广。由此，喷涂喷嘴1与以往的喷涂喷嘴相比，端部处的膜的膜厚变大，能够减低膜整体的膜厚差。因此，通过使用喷涂喷嘴1，能够使膜特性（电特性、紧密接合性或硬度等）更加稳定。

（实施例）

接着，通过图4、图5说明喷涂喷嘴1的效果。

图4为本实施例所涉及的喷涂喷嘴1的前端部16的一例的照片。图4所记载的前端部16的第2通路21中，H＝3.3mm、W＝10mm、θ＝6度。在本实施例中，前端部16与截面面积缩小部10、喉部12及截面面积扩大部14一体形成。第1通路20含有与第2通路21的截面为相似形状的截面。喉部12含有θ＝6度、W＝4mm的大致矩形的截面形状。

图5是以图4的喷涂喷嘴1和以往的喷涂喷嘴比较膜膜厚的图表。以往的喷涂喷嘴含有拉瓦尔喷嘴结构，其前端部的截面为矩形（H＝3.3mm、W＝10mm、θ＝0度）。

图5的横轴表示与第2通路21的宽度10mm对应的成膜位置。图5的纵轴表示用千分表测定的、膜的膜厚。图5的图表是在以下条件下获得的图表。

・膜材料：锡（Sn）

・膜时间：3秒

・成膜位置（成膜的测定位置）：0mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm

・测定结果：3次测定结果的平均值

・其他条件：上述（冷喷涂装置100）所记载的条件

图5的结果表示以下（1）、（2）。

（1）若成膜位置为端部（成膜位置0mm～1mm及9mm～10mm）

用喷涂喷嘴1和以往的喷涂喷嘴，膜厚显示同样的结果。

（2）若成膜位置为中央部（成膜位置1～9mm）

喷涂喷嘴1与以往的喷涂喷嘴相比，膜厚显著增加。根据膜厚位置的不同，通过使用喷涂喷嘴1，膜厚增加了50％以上。另外，在成膜位置1～9mm，膜厚稳定，为约250μm。

上述（2）的理由能够考虑喷涂喷嘴1内部的流体能量分布。

以往的喷涂喷嘴内部的流体能量在喷涂喷嘴截面的中央部最高，越靠近壁面越低。由此，对象物（基材等）上的膜在中央部厚，越在端部越薄。或者，若喷涂喷嘴截面的中央部的能量过高，也会有膜中央部崩坏的情况。如此，以往的喷涂喷嘴容易使得膜膜厚不稳定。

根据图5的以往的喷涂喷嘴，膜厚在成膜位置约1mm处为约250μm，在成膜位置4～9mm处为约150μm，两者差可达100μm。

对此，在本实施例中，第2通路21在远离截面中心P的位置扩宽。由此，与以往的喷涂喷嘴相比，喷涂喷嘴1内部的流体能量在中央部低，在端部高，使得能量强度变得均一。由此，膜的膜厚差减少。根据图5的本实施例，尤其在成膜位置1～8mm处，膜厚稳定为约250μm。若膜厚稳定，则膜特性（电特性、紧密接合性或硬度等）也稳定。

（总结）

本发明的形态1所涉及的喷涂喷嘴是在喷涂装置中使用的喷涂喷嘴，其包括：含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体；设于上述喷嘴主体的前端部且含有与上述第1通路连通的第2通路的喷嘴前端部，该第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

根据上述结构，能够减低膜的膜厚差。

在本发明的形态2所涉及的喷涂喷嘴中，可以为：在上述形态1中，上述第1通路含有与上述第2通路的截面为相似形状的截面，且含有与上述第2通路的内面在同一平面的内面。

根据上述结构，在上述第1通路中，也会形成与上述第2通路同样的流体能量分布。由此，与以往的喷涂喷嘴相比，更多的膜材料会通过上述第1通路的端部。通过上述第1通路的端部的膜材料就那样通过上述第2通路的端部。由此，能够更稳定地形成膜，能进一步减低膜的膜厚差。

在本发明的形态3所涉及的喷涂喷嘴中，可以为：在本发明形态1或2中，上述第2通路大致为矩形。

一般来说，截面为矩形的喷涂喷嘴与截面为圆形的喷涂喷嘴相比，易于使得膜中央部的膜厚薄且使膜的宽度广。因此，通过包括上述结构，本发明的形态3所涉及的喷涂喷嘴能够进一步提高成膜效率。

在本发明的形态4所涉及的喷涂喷嘴中，可以为：在本发明的形态1至3其中任意一者中，上述喷嘴前端部与上述喷嘴主体为一体。

根据上述结构，易于制造喷涂喷嘴。

在本发明的形态5所涉及的喷涂喷嘴中，可以为：在本发明的形态1至4其中任意一者中，上述喷嘴前端部能够相对于上述喷嘴主体装卸。

根据上述结构，也能向制造完毕的喷涂喷嘴安装上述喷嘴前端部，此时也能减低膜的膜厚差。

在本发明的形态6所涉及的喷涂喷嘴中，可以为：在本发明的形态1至5其中任意一者中，上述喷涂装置为冷喷涂装置。

根据上述结构，能够享受冷喷涂的种种优点，且能减低膜的膜厚差。

本发明的形态7所涉及的喷嘴前端部是设于喷涂装置的喷涂喷嘴的喷嘴前端部，其设于含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体的前端部、且含有与上述第1通路连通的第2通路，所述第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

根据上述结构，能起到与上述喷涂喷嘴同样的效果。

本发明的形态8所涉及的喷涂装置可以包括本发明的形态1至6其中任意一者所记载的喷涂喷嘴。

根据上述结构，本发明的形态8所涉及的喷涂装置能够减低膜的膜厚差。

本发明不为上述各实施方式所限定，能够在权利要求所示范围内进行种种变更，对不同实施方式中分别公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含在本发明的技术范围内。

1 喷涂喷嘴

10 截面面积缩小部

12 喉部

14 截面面积扩大部

15 喷嘴主体

16、30、32、34、36、38、40 前端部（喷嘴前端部）

20 第1通路

21、31、33、35、37、39、41 第2通路

42a、42b 部分

100 冷喷涂装置

110 罐

120 加热器

140 给料机

150 基板保持器

170 基板

Claims (8)

1.一种在喷涂装置中使用的喷涂喷嘴，所述喷涂喷嘴包括：

含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体；

设于所述喷嘴主体的前端部、且含有与所述第1通路连通的第2通路的喷嘴前端部，所述第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

2.根据权利要求1所述的喷涂喷嘴，其特征在于：

所述第1通路含有与所述第2通路的截面为相似形状的截面，且含有与所述第2通路的内面在同一平面的内面。

3.根据权利要求1或2所述的喷涂喷嘴，其特征在于：

所述第2通路大致为矩形。

4.根据权利要求1至3其中任意一项所述的喷涂喷嘴，其特征在于：

所述喷嘴前端部与所述喷嘴主体为一体。

5.根据权利要求1至4其中任意一项所述的喷涂喷嘴，其特征在于：

所述喷嘴前端部能够相对于所述喷嘴主体装卸。

6.根据权利要求1至5其中任意一项所述的喷涂喷嘴，其特征在于：

所述喷涂装置为冷喷涂装置。

7.一种设于喷涂装置的喷涂喷嘴的喷嘴前端部，其特征在于：

所述喷嘴前端部设于含有供膜材料及载气通过的第1通路的喷嘴主体的前端部、且含有与所述第1通路连通的第2通路，所述第2通路在远离其截面中心的位置扩宽。

8.一种喷涂装置，其特征在于：

所述喷涂装置包括权利要求1至6其中任意一项所述的喷涂喷嘴。

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