CN116669241A - 一种陶瓷发热体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷发热体及其制备方法，涉及陶瓷发热片领域，旨在解决目前陶瓷发热片制备工艺和材料选型比较受限的问题，其技术方案要点是：一种陶瓷发热体，包括两片通过钎焊工艺烧结成一体的陶瓷绝缘基板，两片陶瓷绝缘基板与钎焊料之间形成密封线路且内置有发热线路。本发明的一种陶瓷发热体及其制备方法在保证发热金属和陶瓷之间优良的结合强度以及发热金属密封性的前提下，拓宽了发热金属的材质选择性并减少了工艺流程。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷发热体领域，更具体地说，它涉及一种陶瓷发热体及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷发热体，以陶瓷电热片、电热管和电热圈等形式应用，是利用高温共烧工艺将高熔点金属印刷于氧化铝等材质的陶瓷生坯上，之后多层叠合，在约1600℃烧结使其一体化。如此，发热线路内置于陶瓷中，陶瓷对发热线路起到很好的保护效果。金属陶瓷发热体具有耐高温、耐腐蚀、寿命长、高效节能以及稳定均匀等特性，广泛应用于消费电子产品。
但金属陶瓷发热体的发热材料仅能使用钨钼等高熔点金属，且必须要和陶瓷一体烧结，导致材料选型和工艺可设计性十分受限，无法推广到其它熔点较低的金属材料。
因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种陶瓷发热体及其制备方法，在保证发热金属和陶瓷之间优良的结合强度以及发热金属密封性的前提下，拓宽了发热金属的材质选择性并减少了工艺流程。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种陶瓷发热体，包括两片通过钎焊工艺烧结成一体的陶瓷绝缘基板，两片陶瓷绝缘基板与钎焊料之间形成密封线路且内置有发热线路。
本发明进一步设置为：其中一块所述陶瓷绝缘基板上通过激光切割预留有连接焊盘的区域用于安装焊盘形成密闭空间。
本发明进一步设置为：其中焊盘通过印刷或化学镀的工艺安装在预留的焊盘位置处。
本发明进一步设置为：所述陶瓷绝缘基板为Si3N4、AlN、Al2O3、ZrO2材质的其中一种，厚度为0.1-2.0mm。
本发明进一步设置为：所述发热线路和密封线路为Ag基钎焊浆料、Cu基钎焊浆料、NiCr浆料中的一种或多种，其厚度为5-50μm。
本发明进一步设置为：焊盘材质为Ag、Au、Sn、Cu、Ni中的一种或多种，厚度为0.5-40μm。
本发明同时提供一种陶瓷发热体的制备方法，包括以下步骤：
S1)丝网印刷：取一陶瓷绝缘基板作为下陶瓷板，将发热线路浆料和密封线路浆料同时或分次丝网印刷于该下陶瓷板表面并烘干固化；
S2)激光切割：取义陶瓷绝缘基板作为上陶瓷板，使用激光切割机对位在上陶瓷指定区域切割，预留出焊盘位置，并对切割后的该上陶瓷板进行清洗；
S3)叠片：将上陶瓷板和印刷有线路的下陶瓷板对位叠片；
S4)真空钎焊：将叠片后的产品进行真空烧结，使下陶瓷、线路、上陶瓷之间形成紧密结合。
本发明进一步设置为：其中焊盘在S1步骤中通过丝网印刷工艺完成制作。
本发明进一步设置为：其中焊盘在S4步骤完成后通过化学镀工艺完成制作。
本发明进一步设置为：在S4步骤中，烧结温度为700-1100℃，真空度小于0.01Pa，烧结时间为20-540min。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.利用钎焊工艺，一次烧结即可完成发热线路、密封线路以及金属和陶瓷之间的紧密结合，避免了高温共烧的繁琐工艺和成本问题；
2.发热金属材质可选多种钎焊合金体系，拓宽了金属陶瓷发热体对于发热金属材质选择的范围。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为发明实施例1中板式双面陶瓷发热体的爆炸图；
图3为发明实施例2中针式双面陶瓷发热体的爆炸图；
图4为发明实施例2中针式双面陶瓷发热体中发热线路区域的截面SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体及制备方法，综合了行业之间的制作原理，提供了制作陶瓷发热体的新方法，在保证发热金属和陶瓷之间优良的结合强度以及发热金属密封性的前提下，拓宽了发热金属的材质选择性并减少了工艺流程。
本发明所依据的原理如下：利用钎焊技术，可将两面陶瓷绝缘基板通过钎焊工艺烧结成一体，焊接层具有较佳的导电能力，并和陶瓷绝缘基板之间为冶金结合，具有优良的连接强度。通过调整焊接层的成分和真空烧结工艺参数，可将焊接层作为发热体使用。另外，通过在发热线路外围设计密封线路，使烧结后的发热体处于密封的真空环境，避免了在使用过程中发热金属线路因接触外界环境所造成的氧化和腐蚀等行为。
该方法利用钎焊工艺将两面陶瓷绝缘基板通过金属浆料钎焊成一体，并对发热线路外围设计了密封线路，以达到对发热体的真空保护。该陶瓷发热体的设计思路突破了用高温共烧工艺制作金属陶瓷发热体的常规思路，为开发更多低熔点金属的发热电阻体系提供了可能，对陶瓷发热体的设计和制造具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的第一方面，提供了基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体，具有如下技术特征：包括下陶瓷板以及印刷在下陶瓷板表面的金属浆料，烘干后的金属浆料表面覆盖有上陶瓷板，上陶瓷板的特定位置提前激光切割预留出焊盘位置。
同时利用丝网印刷技术，将发热线路和密封线路同时或分次印刷于下陶瓷板的表面，烘干后覆盖上陶瓷板，上陶瓷板预先用激光切割留出焊盘位置，随后进入真空烧结炉进行钎焊，一次烧结即可将下陶瓷板、发热线路、密封线路、上陶瓷板形成紧密的整体。其中，焊盘可通过印刷或化学镀等工艺制作，目的在于提高焊盘的可焊性并降低焊接区域的电阻以降低焊接区域的温度。发热线路和密封线路通过钎焊原理将下陶瓷板和上陶瓷板紧密结合，上、下两层陶瓷板以及外围的密封线路对发热线路形成保护。
优选的，本发明提供的基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体中，下陶瓷板和上陶瓷板为Si3N4、AlN、Al2O3、ZrO2等材质，厚度为0.1-2.0mm。
优选的，本发明提供的基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体中，发热线路和密封线路为Ag基钎焊浆料、Cu基钎焊浆料、NiCr浆料等钎焊浆料中的一种或多种，其厚度为5-50μm。
优选的，本发明提供的基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体中，焊盘区域材质为Ag、Au、Sn、Cu、Ni等中的一种或多种，厚度为0.5-40μm，通过丝网印刷或化学镀的方法获得；
本发明的第二方面，提供了基于钎焊原理且密封设计的双面陶瓷发热体的制备方法，如附图1所示，包括如下步骤：
S1)丝网印刷：将发热线路浆料和密封线路浆料同时或分次丝网印刷于下陶瓷板表面并烘干固化；
S2)激光切割：使用激光切割机精准对位在上陶瓷板指定区域切割，预留出焊盘位置，并对切割后的上陶瓷板进行清洗；
S3)叠片：将上陶瓷板和印刷有线路的下陶瓷板对位叠片；
S4)真空钎焊：将叠片后的产品进行真空烧结，使下陶瓷板、线路、上陶瓷板之间形成紧密结合；烧结温度为700-1100℃，真空度小于0.01Pa，烧结时间为20-540min；
制备步骤补充说明：若焊盘选择印刷工艺，则在S1工序制作完成，若选择化学镀工艺，则在S4工序结束后进行。
结合附图2进行说明实施例1：
如图2所示，板式双面陶瓷发热体包括下陶瓷片1、发热线路2、密封线路3、焊盘4和上陶瓷板5。
整个板式双面陶瓷发热体的制备工艺利用了丝网印刷工艺和钎焊工艺，制备流程如图1所示，分为以下五个步骤：
步骤一、使用200目的丝网将发热线路和密封线路浆料印刷于下陶瓷板1表面，经烘干后形成厚20μm的发热线路2和密封线路3。其中下陶瓷板1为厚度0.5mm的Si3N4陶瓷片，浆料中金属成分为Cu60Ti40(质量比)，烘干温度为100℃，烘干时长为15min；
步骤二、使用150目丝网对位印刷焊盘4并烘干，形成25μm厚的焊盘层，焊盘4浆料中金属成分为纯Ag，烘干温度为100℃，烘干时长为10min；
步骤三、使用激光切割机使用打孔工艺将厚0.4mm，材质为AlN的上陶瓷板5进行切割打孔，预留出图中所示的焊盘位置，切割后进行瓷片清洗备用。其中预留的焊盘外尺寸相对于焊盘4向内偏移边长10％的距离，以确保发热体2烧结之后与外界环境间没有缝隙，保证发热体2的密封性；
步骤四、将印刷有发热线路2、密封线路3以及焊盘4的下陶瓷板1和上陶瓷板5进行叠片；
步骤五、将叠片好的产品放入真空钎焊炉中，对其进行真空烧结，使三者紧密结合；真空烧结温度为1000℃，真空度小于0.01Pa，烧结时间为30min。
结合附图3和附图4进行说明实施例2：
如图3所示，针式双面陶瓷发热体包括下陶瓷板1、发热线路2、密封线路3、焊盘4和上陶瓷板5。
整个针式双面陶瓷发热体的制备工艺利用了丝网印刷工艺和钎焊工艺，制备流程如图1所示，分为以下五个步骤：
步骤一、使用250目的丝网将发热线路和密封线路浆料印刷于下陶瓷板1表面，经烘干后形成厚15μm的发热线路2和密封线路3。其中下陶瓷板1为厚度0.3mm的Si3N4陶瓷片，浆料中金属成分为Ag72Cu22Ti6(质量比)，烘干温度为100℃，烘干时长为10min；
步骤二、使用200目丝网对位印刷焊盘4并烘干，形成20μm厚的焊盘层，焊盘4浆料中金属成分为纯Ag，烘干温度为100℃，烘干时长为10min；
步骤三、使用打孔工艺激光切割机将厚0.3mm，材质为Si3N4的上陶瓷板5进行切割打孔，预留出图中所示的焊盘位置，并利用划线工艺切割出针状产品的外形轮廓以便于后续掰边，切割后进行瓷片清洗备用。其中预留的焊盘外尺寸相对于焊盘4向内偏移边长10％的距离，以确保发热体2烧结之后与外界环境间没有缝隙，保证发热体2的密封性；
步骤四、将印刷有发热线路2、密封线路3以及焊盘4的下陶瓷板1和上陶瓷板5进行叠片。
步骤五、将叠片好的产品放入真空钎焊炉中，对其进行真空烧结，使三者紧密结合；真空烧结温度为850℃，真空度小于0.01Pa，烧结时间为60min。
对本实施例的针式双面陶瓷发热体中发热线路区域进行截面SEM测试，测试结果为图4。如图4所示：经过真空钎焊后的下陶瓷1、发热体线路2和上陶瓷5产生了紧密结合。从而，发热体线路被密封线路和上下陶瓷形成完全真空密封，与外界环境隔绝，达到保护效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷发热体，其特征在于：包括两片通过钎焊工艺烧结成一体的陶瓷绝缘基板，两片陶瓷绝缘基板与钎焊料之间形成密封线路且内置有发热线路。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷发热体，其特征在于：其中一块所述陶瓷绝缘基板上通过激光切割预留有连接焊盘的区域用于安装焊盘形成密闭空间。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷发热体，其特征在于：其中焊盘通过印刷或化学镀的工艺安装在预留的焊盘位置处。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷发热体，其特征在于：所述陶瓷绝缘基板为Si3N4、AlN、Al2O3、ZrO2材质的其中一种，厚度为0.1-2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷发热体，其特征在于：所述发热线路和密封线路为Ag基钎焊浆料、Cu基钎焊浆料、NiCr浆料中的一种或多种，其厚度为5-50μm。
6.根据权利要去3所述的一种陶瓷发热体，其特征在于：焊盘材质为Ag、Au、Sn、Cu、Ni中的一种或多种，厚度为0.5-40μm。
7.一种陶瓷发热体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)丝网印刷：取一陶瓷绝缘基板作为下陶瓷板，将发热线路浆料和密封线路浆料同时或分次丝网印刷于该下陶瓷板表面并烘干固化；
S2)激光切割：取义陶瓷绝缘基板作为上陶瓷板，使用激光切割机对位在上陶瓷指定区域切割，预留出焊盘位置，并对切割后的该上陶瓷板进行清洗；
S3)叠片：将上陶瓷板和印刷有线路的下陶瓷板对位叠片；
S4)真空钎焊：将叠片后的产品进行真空烧结，使下陶瓷、线路、上陶瓷之间形成紧密结合。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：其中焊盘在S1步骤中通过丝网印刷工艺完成制作。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：其中焊盘在S4步骤完成后通过化学镀工艺完成制作。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在S4步骤中，烧结温度为700-1100℃，真空度小于0.01Pa，烧结时间为20-540min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20230829 |