CN115381143B

CN115381143B - 一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片及其制备方法

Info

Publication number: CN115381143B
Application number: CN202210988223.8A
Authority: CN
Inventors: 王斌; 贺贤汉; 窦正旭; 唐冬梅; 管鹏飞; 苏世根
Original assignee: Jiangsu Fulehua Power Semiconductor Research Institute Co ltd
Current assignee: Jiangsu Fulehua Power Semiconductor Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: CN115381143A

Abstract

本发明提供了一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片及其制备方法，本发明中利用磁控溅射工艺结合掩膜板在陶瓷发热片表面直接溅射出金属发热薄膜，再通过真空烧结工艺将保护釉层烧结于发热区域一端表面，并采用化学镀工艺，在发热薄膜的另一端表面镀覆金属电极，最后激光切割得到陶瓷发热片；其中，保护釉层主要由玻璃粉、掺铝氧化锌、二硼化钛颗粒、氧化钇组成，提高了保护釉的硬度性能，经以上材料和工艺制备出的HNB电子烟陶瓷发热片，整体工艺简便易行，制备的金属薄膜厚度均匀且图形尺寸可精细控制，使得最终的合金电阻均匀且重复性好，节省了材料和时间成本。

Description

一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片及其制备方法

技术领域

本发明涉及陶瓷发热片制备技术领域，具体为一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片及其制备方法。

背景技术

加热不燃烧(HNB)电子烟是将特制的烟弹装入加热装置，经300℃左右低温烘烤的方式将烟弹中的尼古丁和烟气释放出来，具有无焦油、无烟灰、无明火、无二手烟危害等特点；目前，HNB电子烟内部的陶瓷发热片通常采用丝网印刷技术和空气隧道炉烧结的工艺完成；其发热浆料由导电发热相(钯、钌、铂、金等贵金属)、粘结相和有机载体三者组成；性能优良的发热浆料对金属的粒径、金属颗粒形貌、粘结相的软化温度以及发热浆料整体的触变性和流变性等要求都很高，并且需要使用稳定性优良且耐氧化的贵金属，行业技术壁垒较高。所以现有技术在发热浆料方面具有开发成本高、技术难度大和开发周期长的特点，不利于新型HNB电子烟陶瓷发热片的升级开发。

磁控溅射技术通过离子轰击靶材，可在基板上溅射各种薄膜，具有重复性好，致密度好、结合强度高和膜厚可控制等优势，已在科研和工业上得到的广泛应用；DPC基板主要利用真空镀膜的方式在陶瓷片上溅射铜等金属作为种子层，接以光刻、电镀等方式增加线路厚度，完成基板的制作；现存技术采用直流磁控溅射的方法在薄膜场效应晶体管(TFT)、白玻璃或PC板等基板上制备了铟锡氧化物(ITO)或金属材质的导电薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片，包括瓷片(1)、金属发热薄膜(2)、保护釉层(3)、金属电极(4)；

所述瓷片(1)上覆有金属发热薄膜(2)，所述金属发热薄膜(2)包括若干个周期排列的发热层(6)，每个所述发热层(6)表面一端镀有金属电极(4)，另一端覆有保护釉层(3)。

进一步地，所述瓷片(1)组成成分为Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、ZrO₂中的一种，厚度为0.15～0.8mm；

所述发热层(6)为铜铝合金，厚度为1～5μm；所述保护釉层(3)厚度为10-20μm；金属电极(4)为Cu、Ni、Au中的一种，金属电极(4)厚度为3～20μm。

进一步地，保护釉层(3)的组成成分为：按质量份数计，玻璃粉80～85份、掺铝氧化锌5～10份、二硼化钛颗粒6～8份、氧化钇5～10份，其中掺铝氧化锌中Al的质量百分比为20～22％。

进一步地，按质量份数计，玻璃粉的组成成分为：二氧化硅60～65份、氧化钠10～20份、氧化钙6～8份、偏硅酸钠6～8份。

一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，具体制备步骤如下：

S1)金属发热薄膜(2)制备：取不锈钢板，进行激光切割或蚀刻，得到所需图形的掩膜板(5)，所述掩膜板(5)图案为若干个周期排列的发热层(6)图案，将掩膜板(5)与瓷片(1)贴合，取Cu、Al金属靶材作为阴极，在瓷片(1)上掩膜溅射出若干个发热层(6)，形成金属发热薄膜(2)；

S2)保护釉层(3)制备：在步骤S1发热层(6)一端表面丝网印刷保护釉料，70～80℃下烘干，然后在600～650℃下真空烧结得到具有保护釉层(3)的陶瓷发热片；

S3)金属电极(4)制备：将步骤S2中发热层(6)未覆有保护釉层(3)的另一端表面进行化学镀，30～40min后取出，烘干，得到具有金属电极(4)的陶瓷发热母板；

S4)激光切片：取步骤S3中的陶瓷发热母板，按照发热层(6)的位置分布进行激光切割，得到若干个单枚陶瓷发热片。

进一步地，步骤S2中，保护釉浆料的制备步骤为：

a)制备玻璃粉：取二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠，混合后添加助磨剂进行球磨，将球磨后的粉末加热熔化，再进行水淬急冷，对得到的玻璃颗粒再次球磨得到玻璃粉；

b)制备掺铝氧化锌粉末：取硝酸锌溶液、硝酸铝溶液，加入去离子水和三聚磷酸钠搅拌，混合均匀后滴加氢氧化钠溶液，磁力搅拌，移入反应釜加入催化剂在160～165℃下反应4～5h，冷却后离心分离，洗涤干燥研磨，得到掺铝氧化锌粉末；

c)取玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末，加入去离子水搅拌均匀，得到保护釉浆料。

进一步地，助磨剂为无水乙醇，催化剂为聚四氟乙烯。

进一步地，步骤b中，硝酸锌溶液、硝酸铝溶液、三聚磷酸钠、氢氧化钠溶液、聚四氟乙烯的摩尔质量比(1～2)：(0.1～0.3)：(5～7)：0.002：0.04，干燥条件为100～110℃下干燥10～12h。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明依据磁控溅射的基本原理，将纯金属或合金靶材放置作为阴极，可在氩离子的轰击下溅射到陶瓷片表面并不断沉积，通过参数设置控制溅射薄膜的成分和厚度；在磁控溅射工艺基础上，在陶瓷片表面紧密贴附一层掩膜板，掩膜板预先经蚀刻或激光切割工艺留有图形，使得在溅射过程中，只有图形区域可以透过靶材原子，进而使陶瓷片上直接溅射出图形化的金属发热薄膜；再通过真空烧结工艺将保护釉层烧结于发热区域表面；最后使用化学镀工艺在电极区域镀覆金属电极；

采用玻璃粉，掺铝氧化锌，二硼化钛、氧化钇作为保护釉层，向玻璃粉中添加金属氧化物掺铝氧化锌、二硼化钛，可以增加保护釉层的导电率和内部硬度，稀土氧化物氧化钇在反应釜烧结过程中可以抑制晶粒的长大，从而增加烧结性能，增加烧结致密性，提高保护釉层的表面硬度，可以更好的保护发热薄膜；

综上，本发明采用了带有掩膜板的磁控溅射工艺，整体工艺简便易行，制备的金属薄膜厚度均匀且图形尺寸可精细控制，使得最终的合金电阻均匀且重复性好，避开了常规开发过程中对金属形貌、粘结相和有机载体复杂的研究过程，结合化学镀工艺，减少了烧结工序，能够更加便捷地制备电极。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为电子烟陶瓷发热片的制备流程示意图；

图2为实施例中掩膜板和瓷片的示意图；

图3为实施例中成品陶瓷发热板结构示意图；

图4为实施例中掩膜溅射后瓷片和发热薄膜结合的示意图；

其中，1、瓷片；2、金属发热薄膜；3、保护釉层；4、金属电极；5、掩膜板；6、发热层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

S1)取厚度为0.05mm的不锈钢板，激光切割得到所需图形的掩膜板5，掩膜板5图案为若干个周期排列的发热层6图案，取厚度为0.15mm的Si₃N₄陶瓷片1，将掩膜板紧密贴合在陶瓷片上形成待溅射的基板；

S2)取步骤S1中待溅射的基板，置于磁控溅射设备中，在瓷片1上掩膜溅射出若干个发热层6，形成金属发热薄膜2，得到带有合金发热薄膜2的陶瓷基板，合金发热薄膜2厚度为1μm；

S3)取硝酸锌溶液、硝酸铝溶液，加入去离子水和三聚磷酸钠搅拌，混合均匀后滴加氢氧化钠溶液，磁力搅拌15min，移入反应釜加入聚四氟乙烯在160℃下反应4h，硝酸锌、硝酸铝、三聚磷酸钠、氢氧化钠、聚四氟乙烯的摩尔质量比1：0.1：5：0.002：0.04，冷却后离心分离，洗涤，100℃下干燥10h后研磨，得到掺铝氧化锌粉末；

取二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠，混合后添加无水乙醇进行球磨，二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠的质量份数比为30:5:3:3，将球磨后的粉末加热熔化，再进行水淬急冷，对得到的玻璃颗粒再次球磨得到玻璃粉；将玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末加入去离子水搅拌均匀，玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末的质量份数比为16:1:1.5:1，得到保护釉浆料；

S4)将溅射后的基板取出，在步骤S1发热层6一端表面丝网印刷保护釉料，保护釉层3厚度为10μm，烘干温度为140℃，保温15min；将烘干后的基板置于真空烧结炉中，经真空烧结形成透明的保护釉层3，烧结温度600℃，保温10min；

S5)将步骤S2中发热层6未覆有保护釉层3的另一端表面进行化学镀，30min后取出烘干，得到具有金属电极4的HNB电子烟陶瓷发热母板，金属电极4厚度为3μm；

S6)利用激光切割机切割HNB电子烟陶瓷发热母板，得到若干个单枚HNB电子烟陶瓷发热片产品。

实施例2

S1)取厚度为0.06mm的不锈钢板，激光切割得到所需图形的掩膜板5，掩膜板5图案为若干个周期排列的发热层6图案，取厚度为0.3mm的Si₃N₄陶瓷片1，将掩膜板紧密贴合在陶瓷片上形成待溅射的基板；

S2取步骤S1中待溅射的基板，置于磁控溅射设备中，在瓷片1上掩膜溅射出若干个发热层6，形成金属发热薄膜2，得到带有合金发热薄膜2的陶瓷基板，合金发热薄膜2厚度为3μm；

S3)取硝酸锌溶液、硝酸铝溶液，加入去离子水和三聚磷酸钠搅拌，混合均匀后滴加氢氧化钠溶液，磁力搅拌18min，移入反应釜加入聚四氟乙烯在163℃下反应4.5h，硝酸锌、硝酸铝、三聚磷酸钠、氢氧化钠、聚四氟乙烯的摩尔质量比1.5：0.2：6：0.002：0.04，冷却后离心分离，洗涤，105℃下干燥11h后研磨，得到掺铝氧化锌粉末；

取二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠，混合后添加无水乙醇进行球磨，二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠的质量份数比为63:15:7:7，将球磨后的粉末加热熔化，再进行水淬急冷，对得到的玻璃颗粒再次球磨得到玻璃粉；将玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末加入去离子水搅拌均匀，玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末的质量份数比为83：8：7：8，得到保护釉浆料；

S4)将溅射后的基板取出，利用250目丝网在金属发热薄膜一端对位丝网印刷上保护釉浆料并烘干，保护釉层3厚度为15μm，烘干温度为150℃，保温18min；将烘干后的基板置于真空烧结炉中，经真空烧结形成透明的保护釉层3，烧结温度650℃，保温13min；

S5)将步骤S2中发热层6未覆有保护釉层3的另一端表面进行化学镀，35min后取出烘干，得到具有金属电极4的HNB电子烟陶瓷发热母板，金属电极4厚度为10μm；

实施例3

S1)取厚度为0.07mm的不锈钢板，激光切割得到所需图形的掩膜板5，掩膜板5图案为若干个周期排列的发热层6图案，取厚度为0.8mm的Si₃N₄陶瓷片1，将掩膜板紧密贴合在陶瓷片上形成待溅射的基板；

S2)取步骤S1中待溅射的基板，置于磁控溅射设备中，在瓷片1上掩膜溅射出若干个发热层6，形成金属发热薄膜2，得到带有合金发热薄膜2的陶瓷基板，金属发热薄膜2厚度为5μm；

S3)取硝酸锌溶液、硝酸铝溶液，加入去离子水和三聚磷酸钠搅拌，混合均匀后滴加氢氧化钠溶液，磁力搅拌20min，移入反应釜加入聚四氟乙烯在165℃下反应5h，硝酸锌、硝酸铝、三聚磷酸钠、氢氧化钠、聚四氟乙烯的摩尔质量比2：0.3：7：0.002：0.04，冷却后离心分离，洗涤，110℃下干燥12h后研磨，得到掺铝氧化锌粉末；

取二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠，混合后添加无水乙醇进行球磨，二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠的质量份数比为65:20:8:8，将球磨后的粉末加热熔化，再进行水淬急冷，对得到的玻璃颗粒再次球磨得到玻璃粉；将玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、氧化钇粉末加入去离子水搅拌均匀，玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、氧化钇粉末的质量份数比为17:2:2，得到保护釉浆料；

S4)将溅射后的基板取出，利用250目丝网在金属发热薄膜一端对位丝网印刷上保护釉浆料并烘干，保护釉层3厚度为20μm，烘干温度为160℃，保温20min；将烘干后的基板置于真空烧结炉中，经真空烧结形成透明的保护釉层3，烧结温度700℃，保温15min；

S5)将步骤S2中发热层6未覆有保护釉层3的另一端表面进行化学镀，40min后取出烘干，得到具有金属电极4的HNB电子烟陶瓷发热母板，金属电极4厚度为20μm；

对比例1

对比例1以实施例1为对照组，变更条件为保护釉层材料为玻璃粉。

(1)取厚度为0.05mm的不锈钢板，激光切割得到所需图形的掩膜板，掩膜板图案为若干个周期排列的发热层图案，取厚度为0.15mm的Si₃N₄陶瓷片，将掩膜板紧密贴合在陶瓷片上形成待溅射的基板；

(2)取步骤(1)中待溅射的基板，置于磁控溅射设备中，在瓷片上掩膜溅射出若干个发热层，形成金属发热薄膜，得到带有合金发热薄膜的陶瓷基板，合金发热薄膜厚度为1μm；

(3)取二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠，混合后添加无水乙醇进行球磨，二氧化硅、氧化钠、氧化钙、偏硅酸钠的质量份数比为30:5:3:3，将球磨后的粉末加热熔化，再进行水淬急冷，对得到的玻璃颗粒再次球磨得到玻璃粉，向玻璃粉中加入去离子水，搅拌均匀，得到保护釉浆料；

(4)将溅射后的基板取出，在步骤(1)发热层一端表面丝网印刷保护釉料，保护釉层厚度为10μm，烘干温度为140℃，保温15min；将烘干后的基板置于真空烧结炉中，经真空烧结形成透明的保护釉层，烧结温度600℃，保温10min；

(5)将步骤(2)中发热层未覆有保护釉层的另一端表面进行化学镀，30min后取出烘干，得到具有金属电极的HNB电子烟陶瓷发热母板，金属电极厚度为3μm；

(6)利用激光切割机切割HNB电子烟陶瓷发热母板，得到若干个单枚HNB电子烟陶瓷发热片产品。

实验

取实施例1～3和对比例1中的保护釉浆料，涂覆在相同面积的瓷片上，真空烧结，取出冷却后对烧结层进行性能测试，测试结果如下表1所示：

表1：发热片保护釉层硬度测试

	保护釉层硬度/HV
		实施例1	651
实施例2	649
		实施例3	620
对比例1	510

如表1所示，保护釉层中添加二硼化钛和稀土元素的陶瓷发热片，其硬度大于仅使用玻璃粉作为保护釉层的陶瓷发热片。

结论：本发明中利用磁控溅射工艺结合掩膜板在陶瓷发热片表面直接溅射出发热薄膜的方法，再通过真空烧结工艺将保护釉层烧结于发热区域表面，并采用化学镀工艺，在发热薄膜的一端镀有金属电极，最后激光切割得到陶瓷发热片；其中，保护釉层主要由玻璃粉、二硼化钛、掺铝氧化锌、氧化钇组成，具有良好的导电性能和硬度性能，经以上材料和工艺制备出的HNB电子烟陶瓷发热片，提高了发热薄膜的导电率，节省了材料和时间成本。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，其特征在于：具体制备步骤如下：

S2)保护釉层(3)制备：在步骤S1)发热层(6)一端表面丝网印刷保护釉浆料，70～80℃下烘干，然后在600～650℃下真空烧结得到具有保护釉层(3)的陶瓷发热片；

S3)金属电极(4)制备：将步骤S2)中发热层(6)未覆有保护釉层(3)的另一端表面进行化学镀，30～40min后取出，烘干，得到具有金属电极(4)的陶瓷发热母板；

S4)激光切片：取步骤S3)中的陶瓷发热母板，按照发热层(6)的位置分布进行激光切割，得到若干个单枚陶瓷发热片；

步骤S2)中，保护釉浆料的制备步骤为：

c)取玻璃粉、掺铝氧化锌粉末、二硼化钛颗粒、氧化钇粉末，加入去离子水搅拌均匀，得到保护釉浆料；

所述保护釉浆料的组成成分为：按质量份数计，玻璃粉80～85份、掺铝氧化锌5～10份、二硼化钛颗粒6～8份、氧化钇5～10份，其中掺铝氧化锌中Al的质量百分比为20～22%；

按质量份数计，玻璃粉的组成成分为：二氧化硅60～65份、氧化钠10～20份、氧化钙6～8份、偏硅酸钠6～8份。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，其特征在于：助磨剂为无水乙醇，催化剂为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，其特征在于：步骤b)中，硝酸锌溶液、硝酸铝溶液、三聚磷酸钠、氢氧化钠溶液、聚四氟乙烯的摩尔质量比(1～2)：(0.1～0.3)：(5～7)：0.002：0.04，干燥条件为：在100～110℃下干燥10～12h。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，其特征在于：陶瓷发热片包括瓷片(1)、金属发热薄膜(2)、保护釉层(3)、金属电极(4)；

5.根据权利要求4所述的一种基于磁控溅射工艺的电子烟陶瓷发热片的制备方法，其特征在于：所述瓷片(1)组成成分为Si₃N₄、Al₂O₃、AlN、ZrO₂中的一种，厚度为0.15～0.8mm；

所述发热层(6)为铜铝合金，厚度为1～5μm；所述保护釉层(3)厚度为10～20μm；金属电极(4)为Cu、Ni、Au中的一种，金属电极(4)厚度为3～20μm。