CN115315033A - 一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法 - Google Patents

Abstract

一种自加热烧结的厚膜加热器原位制作方法，其特征是：将电极、电阻浆料按设计好的厚膜图形，通过喷嘴打印在基片上，并利用加热平台对浆料进行烘干，在烘干后的加热膜上引出导线，将电极连接到加热控制电路。利用加热电路控制加热膜发热烧结，最后在加热膜上涂覆一层绝缘陶瓷进行包封，得到厚膜加热器成品。本发明工艺步骤简单，无需烧结炉，能有效节约能源，提升厚膜制备效率。

Description

一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法

技术领域

本发明涉及一种电加热技术，尤其是一种厚膜加热器的制备技术，具体地说是一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法。

背景技术

厚膜加热器因为其体积小、重量轻、热效率高、加热速度快、使用寿命长、节能环保等优点，被广泛应用在半导体、医疗器械、小家电和各类工业加热设备中。现有的厚膜加热器制作方法是首先在基体材料上覆盖掩模板，通过丝网印刷机的规律往返运动，使电阻浆料均匀地沉积在基片上，再依次通过静置流平、红外干燥炉和高温烧结炉的作用，最终获得清晰完整的印刷图案即加热厚膜本身。丝网印刷过程中，通过调整印刷参数，可调整电阻浆料的膜层厚度。

上述厚膜加热器的制作方法必须用到掩模板及丝网印刷机，加工设备成本较高；同时，高温烧结炉不仅要对浆料进行加热，还要对整块基片进行加热，常用的基片材料为陶瓷材料，热容量大，整体加热的能源消耗较大；厚膜加热器的厚度较大时，每一次印刷厚度约为1.5μm，每一次印刷完毕后需要长达半小时的烧结工艺，时间成本高。综上所述，需要一种新的厚膜加热器的制作方法，来解决现有技术中成本高、效率低、成品率低等缺点，以求用较低的成本得到较高的成品率。

发明内容

本发明的目的是针对目前厚膜加热器的制作成本高、效率低、成品率低的问题，发明一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法，以提高厚膜加热器的制作效率及成品率。

本发明的技术方案是：

一种自加热烧结的厚膜加热器制作方法，其特征是它包括以下步骤：

第一步：根据工艺要求的厚膜电阻阻值设计厚膜加热器图形，所述图形中包含电极图形与电阻线路图形，主要包含线宽、线间距、电阻厚度等尺寸。先在平面绘图软件中绘制加热膜平面设计图形，再在三维建模软件中将电阻厚度引入，绘制出电阻线路的三维模型，最后将三维模型导入3D打印辅助软件中，自动进行喷嘴1的运动轨迹规划；

第二步：将基片2放置在机床的加热平板3上。所使用的机床是一种具有可移动、可更换喷嘴和加热平板的机床（可市购或自行设计制造），喷嘴的宽度和安装高度根据所设计的加热器图形线宽和厚度进行选择更换，喷嘴的移动速度主要根据电阻厚度进行试验或者现有理论计算得出；通常使用的基片材料采用金属陶瓷，兼有金属的韧性和抗弯性及陶瓷的耐高温、高强度和抗氧化性，制作成承载电阻图形所需要的尺寸。开启机床，利用喷嘴1按照编制好的程序轨迹在基片2上相对运动，与此同时将电极浆料4喷涂在基片2上；

第三步：将烘干温度调整至浆料的凝固温度，即浆料中有机载体的挥发温度。启动加热平板3，对喷涂好的加热膜电极浆料4进行烘干；

第四步：再次启动机床，利用喷嘴1将电阻浆料5喷涂在基片2上，电阻浆料5应与电极实现优良的电气连接，并再次烘干，得到固化加热膜6，干燥的目的是去除加热膜6膜层中的有机溶剂，使膜层暂时定型，电极浆料事先根据加热器阻值、生产条件、使用环境等选择导电相、玻璃相和有机载体的不同配比；

第五步：从与烘干后的加热膜6电气连接的两个电极端引出导线，将电极连接到设备的加热控制电路；

第六步：在加热膜6表面覆盖一层隔热膜7，设定加热温度，启动加热控制电路，通过调整控制电路中的电压及电流大小改变加热膜6的自发热功率。厚膜（即加热膜6）高温烧结的主要功能是除去膜上残余的有机载体，使厚膜（加热膜6）形成所需的电性能，并将加热膜6粘结到基片2上。烧结初期，随着发热功率的增大和时间的增加，温度上升较快，导电相和玻璃相逐渐分散，加热膜产生大量热能；当温度高于600℃时，玻璃相开始软化，有一部分开始浸润导电颗粒，使导电颗粒相互靠拢、粘结形成链状和网状结构。电流大小、烧结时间、保温时间等参数可以通过试验或者现有理论计算获得，这里不再赘述。加热膜6达到烧结温度并进行一段时间的保温后，停止加热，自然降温，即实现了自烧结得到厚膜加热器；加热参数（如保温参数等）可参照加热膜原材料使用要求确定。

第七步：完成加热膜自发热烧结后，为了获得更好的耐磨、耐蚀、耐高温氧化、密封等性能，需要对加热膜进行表面强化和表面改性。去掉加热膜6表面的隔热膜7后，再在烧结好的加热膜6上涂覆一层绝缘陶瓷8|（陶瓷涂料）进行包封，并利用已经烧结完毕的厚膜加热器加热将陶瓷涂料烧结，即得到完整的厚膜电阻。

所述的喷嘴根据加热膜图形选择相应的宽度及安装高度。

所述的加热平板是一种包含有电加热器的平台，可以对放置在其上的物体进行可控的加热。

所述的控制电路是一个加热及温度控制系统，包含加热电路和测温电路，能够在加热的同时实时监测加热膜温度，便于做出动态调整。

所述的隔热膜是一种标准件，双层结构，上层为隔热层，下层为保温层，其尺寸根据加热平台选择，使用时覆盖在整个加热平台上，能够隔绝外界空气，避免加热过程中的热量散失。

本发明的有益效果：

1、本发明为一种增材制造的方式，使用本发明方法生产厚膜加热器时不需要掩模板及丝网印刷机，节约了工艺装备及制造装备成本。

2、烧结时采用原位烧结的方式，不需要将基片转移至烧结炉内，减少了加工辅助时间，提升了加工效率。

3、本发明的烧结方法只需要加热厚膜线路部分，无需对基片进行加热，且加热温度相较于烧结炉内大大降低，减少了能源消耗，节约了加工成本。

4、烧结加热膜时，温度控制系统能实时监测烧结温度，做出灵活调整，有利于提高成品率。

5、相较于传统丝网印刷方式，本发明更加灵活，便于根据工艺要求生产不同阻值的厚膜加热器，为小批量生产厚膜加热器提供了新方案。

附图说明

图1是本发明的制作方法流程示意图。

图2是本发明的加热膜图形示意图。

图3是本发明的整体装置（不含隔热膜）的三维结构原理图。

图4是本发明的整体装置覆盖隔热膜示意图。

图5是本发明的制作系统原理图。

图6是本发明的厚膜加热器结构局部剖面图。

图中：1、喷嘴，2、基片，3、加热平板，4、电极浆料，5、电阻浆料，6、固态加热膜，7、隔热膜，8、绝缘陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1-6所示。

一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法，包括如下步骤，如图1所示：

第一步：根据工艺要求的厚膜电阻设计加热膜图形，所述图形中包含电极图形与电阻线路图形，主要包含线宽、线间距、线厚度等尺寸，本实例中将线宽度设计为1mm，线间距设计为2mm，如图2，先绘制加热膜平面设计图形，再将电阻厚度引入，绘制出电阻线路的三维模型，最后将三维模型导入，自动进行喷嘴1的运动轨迹规划；

第二步：本实施例中使用的机床是一种具有可移动、可更换喷嘴和加热平板的机床，本实例采用96%氧化铝陶瓷制作80×100mm的单层基片，表面粗糙度为3~5μm，首先将陶瓷基片用去离子水和无水乙醇清洗干净并烘干。将基片2固定在机床的加热平板3上，根据加热膜线宽选择宽度为1mm的喷嘴，根据加热膜厚度调整喷嘴与基片的距离，喷嘴的移动速度主要根据电阻厚度进行试验或者现有理论计算得出。开启机床，利用喷嘴1按照编制好的程序轨迹在基片2上相对运动，与此同时将电极浆料4喷涂在基片2上。本实例中的电极浆料选用西安宏星电子浆料有限公司所生产的Ag/Pd电极浆料C-1211。

第三步：将烘干温度调整至所选电极浆料的凝固温度，本实例采用常用温度150℃。启动加热平板3，对喷涂好的加热膜电极浆料4进行烘干10~15min左右，此时有机溶剂蒸发，得到固化的电极；电极浆料与电阻浆料成分不同，即：电极图形与电阻线路图形不一样，喷嘴扫描必须按照2个不同轨迹进行。

第四步：再次启动机床，利用喷嘴1将电阻浆料5喷涂在基片2上，由于电阻浆料需要根据加热器阻值、生产条件、使用环境等选择不同的成分配比，本实例中采用RuO₂作为导电相，硼硅酸铅玻璃作为玻璃相，松油醇、丁基卡必醇等作为溶剂，将三者按一定比例（例如1：4：5重量比）研磨混合即得到厚膜电阻浆料。再次烘干10~15min左右，得到固化加热膜6，干燥的目的是去除膜层中的有机溶剂，使膜层暂时定型；

第五步：从烘干后的加热膜6的两个电极端引出导线，将加热膜6连接到设备的加热控制电路，如图3；

第六步：在加热膜表面覆盖一层隔热膜7，如图4，设定加热温度，运行加热控制电路烧结加热膜6，通过调整控制电路中的电压及电流大小改变加热膜的自发热功率，制作系统的原理如图5。厚膜高温烧结的主要功能是除去膜上残余的有机载体，使厚膜形成所需的电性能，并将膜粘结到基板上。电流大小、烧结时间、保温时间等参数可以通过试验或者现有理论计算获得，这里不再赘述。本实例中根据厂家提供的烧结曲线，加热膜6需要经过三个阶段，首先以30℃/min的速率升温到850℃，从室温上升到600℃的过程中，电阻浆料中的导电相和玻璃相逐渐分散，600℃到850℃时，玻璃相开始软化，有一部分开始浸润导电颗粒，使导电颗粒相互靠拢、粘结形成链状和网状结构；再保温10~15min左右，使导电颗粒充分粘结，最后停止加热，自然降温后即实现了自烧结；得到厚膜加热器；

第七步：完成加热膜自发热烧结后，最好是在烧结好的加热膜6上涂覆一层氧化铝绝缘陶瓷8进行包封，利用已经烧结完毕的厚膜加热器加热将陶瓷涂料烧结，即得到完整的厚膜电阻，厚膜电阻结构如图6。通过这种工艺，使加热膜具有较好的机械性能和耐高温性能，能够更好地满足工作要求。

本发明的自加热烧结的厚膜加热器制作方法，能够动态监测加热温度，有效节约成本，提升加工效率，便于提高厚膜加热器制作的成品率。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种自加热烧结的厚膜加热器的原位制作方法，其特征是：它包括以下步骤：

第一步：根据工艺要求设计厚膜加热器图形，所述图形中包含电极图形与电阻线路图形，根据图形对喷嘴（1）的轨迹进行编程，形成电极图形扫描轨迹、电阻线路图形扫描轨迹；

第二步：将基片（2）放置在加热平板（3）上，利用喷嘴（1）按照电极图形扫描轨迹在基片（2）上相对运动，将电极浆料（4）喷涂在基片上；

第三步：启动加热平板（3），将温度调整至电极浆料的凝固温度，对电极浆料（4）进行烘干得到固化的电极；

第四步：再次启动机床，利用喷嘴（1）将按照电阻图形扫描轨迹将电阻浆料（5）喷涂在基片2上并再次烘干，得到固化加热膜（6），同时使电阻浆料与电极搭接以保证后续的电气连接；

第五步：从与烘干后的加热膜（6）电气连接的电极端引出导线，将加热膜（6）连接到加热控制电路；

第六步：在加热膜表面覆盖一层隔热膜（7），启动加热控制电路，通过调整控制电路的输出功率，改变加热膜（6）发热功率，利用加热膜（6）自身的发热进行烧结；

第七步：在烧结好的加热膜（6）上涂覆一层绝缘陶瓷（8）进行包封，再次利用加热膜（6）本身加热烧结，得到完整的厚膜加热器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的喷嘴（1）的宽度及安装高度由加热膜图形的线宽和厚度进行选择。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的加热平板（3）是一种包含有电加热器的平台，能对放置在其上的物体进行可控的加热。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的控制电路是一个加热及温度控制系统，包含加热电路和测温电路，能够在加热的同时实时监测加热膜温度，便于做出动态调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的隔热膜（7）是一种双层结构的标准件，上层为隔热层，下层为保温层，其尺寸根据加热平台选择，使用时覆盖在整个加热平台上，能够隔绝外界空气，避免加热过程中的热量散失。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的基片（1）为兼有金属的韧性和抗弯性及陶瓷的耐高温、高强度和抗氧化性的金属陶瓷。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的机床是一种具有可移动、可更换喷嘴和加热平板（3）的机床。

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