CN202218430U

CN202218430U - 基于ir-led陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件

Info

Publication number: CN202218430U
Application number: CN2011202589455U
Authority: CN
Inventors: 王克政; 王晨
Original assignee: FOSHAN HAICHEN TECHNOLOGICAL CO LTD
Current assignee: Guangdong Jiang Calvin Electronic Technology Co. Ltd.
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-07-21

Abstract

本实用新型公开了一种基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括石英陶瓷基板、系列稀土电子浆料，系列稀土电子浆料以厚膜电路的形式制备在石英陶瓷基板上，厚膜电路有外接电源的电极连接端。本实用新型具有以下优点，“直热式”功能陶瓷基板远红外线辐射效率高，波长范围可调，温度场均匀，抗热冲击能力强，绿色环保、高效节能、安全可靠、应用范围广。

Description

基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件

技术领域

本实用新型涉及电热元件技术领域，更具体的说是涉及一种稀土厚膜电路电热元件及其制备方法。

背景技术

高效红外辐射陶瓷是指在相应的使用温度及较宽的波段内具有较高发射率的陶瓷材料及制品。热辐射，也称为红外辐射，是物体传热的重要方式。在对流和热传导受到限制的条件下，它是最有效的一种加热和散热方式。因此，提高辐射体表面的辐射系数，有利于辐射传热的强化。换句话说，同样高的温度条件，加热元件放出的热量会更多，被加热物体的温度会更高。不同的远红外陶瓷制品有着不同的红外光谱特性，高效红外辐射陶瓷具有优异的辐射性能，在工业节能、提高红外加热器热效率、航天器热控制、保健医疗、家用电器等方面有着广泛应用。随着红外技术的迅速发展，直热式、高效节能，高辐射率材料的研发成为热点。高效远红外辐射陶瓷材料以其优越的辐射性能备受重视。红外线是一种波，中远红外线是红外线中波长最长一段具有强热作用的光波。根据不同元素具有不同的光谱波长特性，选择某些稀土氧化物作添加剂，大大增强了功能陶瓷基板电热元件远红外线发射能量，其中被誉为“阳光生命线”的2.5-25um波长射线，能激活动、植物细胞内能。已广泛用于强身健体、医疗保健、家用电器等领域。高效红外辐射陶瓷材料，通过选择运用多种无机化合物、添加少量的稀土和微量的过渡金属氧化物能显著提高远红外辐射发射率。在远红外波段范围，材料的红外辐射主要是因其粒子振动引起偶极矩变化而产生的，根据对称性选择定则：粒子振动时的对称性越低，偶极矩的变化就越大，其红外辐射性能就越强。当远红外陶瓷粉中添加Pd2O3和Y2O3等稀土和微量的过渡金属氧化物，形成固溶体时引起晶格畸变，降低了振动的对称性，提高了晶格振动活性，从而提高了材料的远红外辐射发射率。目前，国内外在中高温区主要以远红外粉体涂料的应用为主。而专门应用于加热的高效远红外陶瓷制品则很少。国际上著名的红外涂料有英国CRC公司的ET-4型涂料，美国CRC公司的C-10A型，日本CRC公司的1100,1500型远红外涂料等。这些红外涂料都是被动加热被辐射产生远红外波，热源温度高、耗能、辐射效率比较低。我国社会上流通的特定电磁波理疗仪即所谓“神灯”。采用电炉（电阻丝）辐射加热TDP板上远红外涂料，能量利用率低、热效率低、加热方式落后。中国专利201020055361.3 改用陶瓷加热器（将电阻丝浇注在陶瓷体内）取代电炉加热TDP板，虽然提高使用寿命，但有漏电流问题，热导和热涨系数不一致，结构导致温度场不均匀，辐射效率不稳定，TDP板涂层易脱落等缺陷。德国ELSTEIN陶瓷远红外线加热器采用陶瓷材料包裹电阻丝的方法。存在成型工艺复杂，热源温度高、热效率低、红外波长调整不易等不足。在高效远红外辐射电加热领域中，新型的加热器件要求“直热式”、发热体积要小，表面热负荷要大，热效率要高，热启动要快，红外线辐射率要高、温度场要均匀，抗热冲击能力要强，绿色环保、低碳节能、安全可靠。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术之不足而提供的一种“直热式”发热体小巧，表面热负荷大，远红外线辐射效率高，波长范围可调，温度场均匀，抗热冲击能力强，绿色环保、高效节能、安全可靠的基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件。

本实用新型是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括石英陶瓷基板、系列稀土电子浆料，系列稀土电子浆料以厚膜电路的形式制备在石英陶瓷基板上，厚膜电路有外接电源的电极连接端。

作为上述方案的进一步说明，所述石英陶瓷基板呈圆形，厚膜电路弯曲盘绕于石英陶瓷基板上。

所述石英基板由石英（SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-Mg₂0₃-ZrO₂ ）陶瓷和稀土氧化物组成，石英陶瓷各氧化物粉体配比为：SiO₂ 93.5～96.8%、Al₂O₃1.5～3%、B₂O₃0.5～1%、Mg₂0₃0.2～0.5%、 ZrO₂1～2%，粒度范围≤3ηm；稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪、钇和氧化铽中的一种或几种。

所述系列电子浆料包括封装浆料、稀土电阻浆料、稀土电极浆料，系列电子浆料均由功能相、无机粘接相、有机载体组成。

所述稀土电阻浆料由功能相和有机载体组成，比例为（65～85）%∶（15～35）%；功能相成分由银钌钯钇复合粉和微晶玻璃粉组成，比例为（55～75）∶（25～45）；银钌钯钇粉的重量比为（59～75）∶（15～20.5）∶（5～20）:（0.5～5）；微晶玻璃粉为CaO-SiO₂-Al₂O₃- B₂O₃-Bi₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，该微晶玻璃各氧化物重量比为CaO10～35%、SiO₂20～60%、Al₂O₃5～35%、B₂O₃1～10%、Bi₂O₃10～30%、La₂O₃0.3～8%；晶核剂为TiO₂1～8％、ZrO₂1～10％。

所述稀土电阻浆料有机溶剂载体配方（重量比）为：松油醇68～78%、柠檬酸三丁酯2～18%、乙基纤维素0.4～9%、硝基纤维素0.4～9%、氢化蓖麻油0.1～6%、卵磷脂0.1～6%。

所述稀土电极浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，其重量比为（70～90）%∶（10～30）%；其中固相成分包括银钯钇复合粉与微晶玻璃粉，其重量比为（94～99.4）%∶（0.6～5）%；该钯粉、银粉与钇粉的重量比为（0.6～10）%∶（82～99）%∶（0.4～8）%；所述微晶玻璃粉为SiO₂-Al₂O₃-CaO-B₂O₃-Bi₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，该微晶玻璃成分配比为SiO₂20～60%、Al₂O₃5～35%、CaO10～35%、B₂O₃1～15%、Bi₂O₃10～30%、La₂O₃0.3～15%，晶核剂TiO₂1～10％、ZrO₂1～10％。

所述稀土电极浆料有机载体配方（重量比）为：松油醇60～98%、柠檬酸三丁酯10～30%、乙基纤维素2～10%、硝基纤维素1～5%、氢化蓖麻油0.1～5%、卵磷脂0.1～5%。

所述稀土封装浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，配比为70～90%∶10～30%；固相成分为SiO₂-Al₂O₃-CaO-B₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，各氧化物的成分配比为SiO₂(30～65％)、Al₂O₃(5～26％)、CaO(18～38％)、B₂O₃(2～16％)、La₂O₃(0.3～15％)、Co₂O₃(0.05～6％)；晶核剂TiO₂(1～10％)、ZrO₂(1～10％)。

所述稀土包封浆料有机载体配方（重量比）为丁基卡必醇66～89%、柠檬酸三丁酯5～15%、乙基纤维素0.5～10%、氢化蓖麻油0.1～5%、卵磷脂0.1～5%。

本实用新型采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本实用新型基板为高辐射率远红外功能陶瓷基板，系列电子浆料以厚膜电路的形式制备在基板上，同时还公开了高辐射率远红外功能陶瓷基板、稀土包封浆料、稀土电阻浆料、稀土电极浆料的配方及其制备技术，“直热式”功能陶瓷基板远红外线辐射效率高，波长范围可调，温度场均匀，抗热冲击能力强，绿色环保、高效节能、安全可靠、应用范围广。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的侧视结构示意图。

附图标记说明：1、石英陶瓷基板 2、厚膜电路 3、电极连接端。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型一种基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件，包括石英陶瓷基板1、系列稀土电子浆料，所述系列稀土电子浆料以厚膜电路2的形式制备在基板1上，厚膜电路2有外接电源的电极连接端3。所述石英陶瓷基板呈圆形，厚膜电路弯曲盘绕于石英陶瓷基板上。该系列稀土电子浆料包括封装浆料、电极浆料、电阻浆料，系列电子浆料均由功能相、无机粘接相、有机载体组成。稀土厚膜电路电源接通后，石英陶瓷基板直接发热高效辐射红外射线。

一、石英陶瓷基板的制备

石英陶瓷基板材料成份为：高纯石英（SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃-Mg₂0₃-ZrO₂）陶瓷和稀土氧化物组成，石英陶瓷各氧化物粉体配比为：SiO₂ 93.5%～96.8%：Al₂O₃3～1.5%：B₂O₃1～0.5%：Mg₂0₃ 0.5～0.25%: ZrO₂2～1%：粒度≤3ηm。采用注凝成型法固化制备，干燥、烧结而成。稀土氧化物为镧、铈、钕、钷、钆、铒、钪、钇和氧化铽中的一种或几种。稀土氧化物可根据不同规格、不同温度、不同用途的石英陶瓷基板对电性能、热性能、化学性能、机械性能及远红外功能的要求，按照试验数理模式添加不同种类、不同份额的稀土氧化物，来增添或更换IR-LED远红外功能陶瓷基板氧化物成分组成要求的一项或多项。

石英陶瓷基板，采用注凝成型法固化制备，干燥、烧结成型技术。工艺步骤如下：

1.石英陶瓷料浆制备

第一步：球磨制备细浆, 加人石英粉料、预混液、复合添加剂进行球磨。预混液浓度为10%-20%，预混液由单体、交联剂与去离子水按配比混合并充分溶解制成；丙烯酞胺单体（化学纯）加人量0.5-2.0%；亚甲基双丙烯酞胺交联剂（化学纯）；

第二步：按配比添加氧化物颗粒料进行混浆，球磨总时间控制在20-30小时，料浆悬浮性好、含水率低（固相含量80%）。

2.注凝成型

料浆加人引发剂，混合均匀, 真空除气,注人模具内, 浇注过程在（机械振动或超声波）振动中进行，实现注凝成型过程的动态化，在50-80℃温度下固化20min以上，坯体固化后脱模、干燥、烧成。过硫酸按水溶液为引发剂：加人量0.5-2.0ml／㎏料浆。

本实用新型石英陶瓷基板性能：

体积密度(kg/m³)： 2.76

抗压强度（GPa）：　　　　　　　　　　　　　3.8

远红外波发射率：＞91%

热膨胀系数（2.3-5 K-1）（RT-100～350℃）

介电强度（KV／mm）：　　　　　　　　　　　 ≥18　

二、系列稀土电子浆料的制备

1.稀土电阻浆料：稀土电阻浆料由功能相和有机载体组成，比例为：（65～85）∶（15～35）；功能相成分由银钌钯钇复合粉和微晶玻璃粉组成，比例为：（75～55）∶（25～45）；银钌钯钇粉的重量比为：（59～75）∶（15～20.5）∶（5～20）:（0.5～5）；所述微晶玻璃粉为：CaO-SiO₂-Al₂O₃- B₂O₃-Bi₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，该微晶玻璃各氧化物重量比为：CaO（10～35）%、SiO₂（20～60）%、Al₂O₃（5～35）%、B₂O₃（1～10）%、Bi₂O₃（10～30）%、La₂O₃（0.3～8）%，晶核剂：TiO₂（1～8）％、ZrO₂（1～10）％。

2.稀土电极浆料：稀土电极浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，其重量比为：（70～90）∶（10～30）；其中固相成分包括：银钯钇复合粉与微晶玻璃粉，其重量比为：（94～99.4）∶（0.6～6）；该银钯钇复合粉由如下组分(重量比)构成，钯粉、银粉与钇粉的重量比为：（0.6～10）∶（82～99）∶（0.4～8）；微晶玻璃粉为SiO₂-Al₂O₃-CaO-B₂O₃-Bi₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，该微晶玻璃各氧化物的成分重量配比为：SiO₂（20～60）%、Al₂O₃（5～35）%、CaO（10～35）%、B₂O₃（1～15）%、Bi₂O₃（10～30）%、La₂O₃（0.3～15）%，晶核剂：TiO₂（1～10）％、ZrO₂（1～10）％。

3.稀土封装浆料：稀土封装浆料由固相成分与有机溶剂载体组成，重量比为：（70～90）∶（10～30），固相成分为:SiO₂-Al₂O₃-CaO-B₂O₃-La₂O₃系微晶玻璃，各氧化物的成分重量配比为：SiO₂（30～65）％、Al₂O₃（5～26）％、CaO（18～38）％、B₂O₃（2～16）％、La₂O₃（0.3～15）％、Co₂O₃（0.05～6）％，晶核剂：TiO₂（1～10）％、ZrO₂（1～10）％。

上述稀土电子浆料有机溶剂载体均由松油醇、柠檬酸三丁酯、乙基纤维素、硝基纤维素、氢化蓖麻油、卵磷脂等成分组成。三种稀土电子浆料的有机载体配方如下：

A.稀土电阻浆料有机溶剂载体配方（重量比）为：松油醇68～78%、柠檬酸三丁酯2～18%、乙基纤维素0.4～9%、硝基纤维素0.4～9%、氢化蓖麻油0.1～6%、卵磷脂0.1～6%；

B.稀土电极浆料有机载体配方（重量比）为：松油醇60～98%、柠檬酸三丁酯10～30%、乙基纤维素2～10%、硝基纤维素1～5%、氢化蓖麻油0.1～5%、卵磷脂0.1～5%；

C.稀土包封浆料有机载体配方（重量比）为丁基卡必醇66～89%、柠檬酸三丁酯5～15%、乙基纤维素0.5～10%、氢化蓖麻油0.1～5%、卵磷脂0.1～5%。

上述系列稀土电子浆料的制备方法：

A.稀土电阻浆料的制备工艺：

①微晶玻璃粉制备：按上述氧化物、晶核剂配比在R-S01三维混料机中混合均匀后，熔炉熔炼，温度为：1100 ~ 1450℃，保温1 ~ 3小时后，将玻璃熔液水淬，得到微渣球磨获得粒径3 微米的玻璃微粉；

②银钌钯钇复合粉制备：按银钌钯钇粉重量配比在R-S03高效混合分散设备中混合均匀得到复合粉；

③有机载体制备：将上述原料按比例搅拌混合均匀，在 80 ~ 100 ℃ 的水中溶解数小时。调整增稠剂含量，将有机载体溶剂的粘度调整在 180~280mPaS 的范围内即可。

④稀土电阻浆料综合调制：固相成分由银钌钯钇复合粉和微晶玻璃粉组成，按重量比将固相粉体、有机载体溶剂在R-S03高效混合分散设备中混合均匀，进行三辊轧制得到成品。粘度值为150 ~ 200PaS / RPM ;

B.稀土电极浆料的制备工艺：

①微晶玻璃粉制备：按原料重量比将氧化物、晶核剂混合均匀后熔炼，温度为：1100 ~1450℃ ，保温1~3 小时，水淬得到玻璃微渣，球磨获得3 微米玻璃微粉；

②制备银钯钇复合粉；银钯钇复合粉，粒径为： 3μm ，在三维混料机中按重量比调制混合均匀；

③有机载体制备；按原料重量比混合均匀后在 80~100℃水中溶解数小时，调整乙基纤维素含量，粘度控制在150~280mPas 范围；

④制备稀土电极浆料：按比例将微晶玻璃粉、银钯钇复合粉、有机溶剂载体置于R-S03三维混料机中搅拌混合均匀后入三辊轧机轧制，得到稀土电极浆料，粘度：150 ~200PaS / RPM。

C.稀土包封浆料的制备工艺：

① 制备稀土微晶玻璃粉：按重量配比将氧化物，晶核剂。经混合均匀后熔炼，熔炼温度为：1 100 ~1450 ℃ ，保温 90 ~180 分钟后，出炉水淬，得到玻璃微渣；球磨玻璃微渣，制备出粒径3 微米的微晶玻璃粉；

② 配制有机溶剂载体：按配比混合均匀：在80 ~100 ℃ 的水中溶浴数小时。调整乙基纤维素含量，将有机载体的粘度调整在150 ~ 28OmPaS的范围内；

③ 包封浆料调制：将固相成分与有机溶剂载体按重量配比置于R-S03三维混料机中搅拌混合均匀后，三棍轧制得到成品。粘度值为150 ~ 200PaS / RPM ;

三、IR-LED高效远红外功能陶瓷基稀土厚膜电路电热元件的制备

IR-LED高效远红外功能陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件的制备工艺，工艺程序：

1.陶瓷基板准备

按图纸技术要求经激光、磨、抛、切、加工线加工制成基板产品；

2.系列稀土电子浆料准备--印刷前进行匀浆处理

按工艺程序：CAD制版、光绘制版、系列稀土电子浆料丝网印刷在陶瓷基板上，制成厚膜电路；

3.湿膜氧化气氛预处理（烘干炉）

真空烘干10～30分钟，温度80～180℃；

4.烧结炉

氧化气氛红外晶化烧结炉内烧结，温升速率50～120℃/时，高温段温度750～950℃，峰值烧结10～20分钟制得IR-LED高效远红外功能陶瓷基稀土厚膜电路电热元件。

5.激光打标激光修阻；

6.按企业标准测试、包装。

本实施例中，按图纸技术要求制取φ120mm，厚度为6㎜规格的IR-LED高效远红外功能陶瓷基板，如图1所示。经洁净化处理后备用，将调制好的系列稀土电子浆料含包封浆料jz-01、稀土电阻浆料、稀土电极浆料、稀土包封浆料，做均将处理，测量浆料细度和粘度，批量生产应制作方阻样件。按以下工艺和图纸要求，制备稀土厚膜电路。

技术要求：电压：220∨ 50Hz 100W 表面温度：350℃max 工作温度：200~300℃、温度场均匀、电路图形布局合理。

按如下工艺流程制做厚膜电路：

工艺流程：

A..洁净化处理陶瓷基板→B.CAD\光绘制版→C.钢网印刷→D.烘干烧结→E.检验（激光修阻）包装。

a.介质层厚度＞60μm b.方阻膜厚度＞8μm

B.烧结工艺：a.升、降温速率50-70℃∕min b.峰值温度：700-900℃

注：浆料放置过久，使用前需进行匀浆处理。jz-01包封浆料选择性制作。

经测试，稀土厚膜电路电热元件达到以下设计要求。结合可控硅、IGBT晶体管及变频技术可实现阶梯化控制温度的目的。本实用新型实施例的稀土厚膜电路电热元件性能参数：

表面温度：450℃max 工作温度：200~350℃

本实施例IR-LED高效远红外功能陶瓷基稀土厚膜电路电热元件性能：

体积密度(kg/m³)： 2.76

抗压强度（GPa）：　　　　　　　　　　　　　3.8

远红外波发射率：＞93%

热膨胀系数（2-5 K-1）（RT-100-350℃）

介电强度（KV／mm）：　　　　　　　　　　　 ≥18　

本实施例的稀土厚膜电阻电路电性能：

①电性能：

电阻	分辨率	TCR/ppm/℃	老化强度
				450±2mΩ/□	0.1mm	1000±150ppm×10^-6/℃	10（N/mm²）

②物理性能

流变特性	电阻层厚度	浆料粘度	单位用量
				触变宜网印	10±2μm	168±20Pas/10RPM	86cm²/克

本实施例的稀土电极浆料性能：

①电性能：

方阻	分辨率	抗拉强度	老化强度
				＜3±2mΩ/□	0.1mm	＞16（N/mm2）	10（N/mm2）

②物理性能

流变特性	电极层厚度	浆料粘度	单位用量
				触变宜网印	12±2μm	186PaS/RPM。	88cm2/克

本实用新型的稀土包封浆料的性能参数：

① 物理性能：

颜色（选）	固体含量	丝网数目	浆料粘度	烧结温度
					蓝（灰、黑）色	76%	180	125PaS/RPM	890℃

②电器性能：

泄漏电流	绝缘电阻	击穿强度
			＜3mA（250VDC）	＞50MΩ（500VDC）	＞600VAC/＞15μm

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，它包括石英陶瓷基板、系列稀土电子浆料，系列稀土电子浆料以厚膜电路的形式制备在石英陶瓷基板上，厚膜电路有外接电源的电极连接端。

2.根据权利要求1所述的基于IR-LED陶瓷基板的稀土厚膜电路电热元件，其特征在于，所述石英陶瓷基板呈圆形，厚膜电路弯曲盘绕于石英陶瓷基板上。