JP6538862B2 - マスクを用いてコールドガススプレーする方法 - Google Patents

Description

本発明は、コールドガススプレーにより支持構成部分を被覆する方法に関する。この方法では、被覆前にマスクを支持構成部分上に載置し、このマスクのマスク開口の領域で支持構成部分に材料を被着し、この材料によってマスク開口を完全に充填する。

コールドガススプレーは公知の方法であって、この方法では、被覆のために準備された粒子を、収束・発散ノズルによって好適には超音速に加速し、これにより加えられた運動エネルギに基づき、これら粒子を被覆したい表面に付着状態に維持する。このとき、粒子の運動エネルギが利用されて、粒子は塑性変形させられる。被覆粒子は衝突の際に単にその表面のみで溶融する。したがって、この方法は、別の熱的スプレー法と比較して、被覆粒子がほぼ固体のまま留まる比較的低い温度で行われるので、コールドガススプレーと呼ばれる。動的スプレーとも呼ばれるコールドガススプレーのために、好適にはコールドガススプレー装置が使用される。コールドガススプレー装置は、ガスを加熱するためのガス加熱装置を有している。ガス加熱装置にはよどみ室が接続されており、このよどみ室は出口側で収束・発散ノズル、好適にはラバールノズルに接続されている。収束・発散ノズルは、互いに接近する部分と互いに拡開する部分とを有しており、これら部分はノズルネックによって接続されている。収束・発散ノズルは、出口側で、ガス流の形態の粉末噴流を発生させる。このガス流は内部に、高速の、好適には超音速の粒子を含んでいる。

冒頭で述べた形式の方法は、この技術分野により公知である。独国特許出願公開第１０２００４０５８８０６号明細書によれば例えば、冷却体の上に、構造化された電気絶縁性の少なくとも１つの層と、構造化された導電性の層とを形成することができるとされている。このために使用されるマスクは、構造化される構造に相当するように構成された開口を有している。構造化された層は回路構造として用いられ、この目的で、例えば所定の導体横断面のような電気的要求を満たさなければならない。これらの層は、複数の層平面で互いに重ねられていてよい。

２０１３年１０月に刊行されたJournal of Thermal Spray Technology, Vol. 22に掲載のD.-Y.Kim他著の「Cold Spray Deposition of Copper Electrodes on Silicon and Glass Substrates」により、基材上に載置されたマスクを用いてコールドガススプレーにより導体路を製造することは、このために必要なマスクが、比較的小さい幅のマスク開口を有するという問題を含んでいることが公知である。マスク開口の幅とマスク厚さとの比は、粒子の堆積を困難にする、マスク開口におけるコールドガス噴流の流れ特性につながる。すなわちマスク壁には、堆積材料の横断面を三角形にする逆流が形成され、この場合、この横断面の先端は、マスク開口の真ん中に位置し、コールドガス噴流に面している。マスク開口の壁自体には材料は付着しない。導体路の形成に重要であるのは、導体路の横断面が、必要な電流を伝達するのに適しているということであり、形成される横断面形状は、これと比較するとそれほど重要ではない。

例えば矩形の横断面を堆積させるためには不都合な、マスク開口における流れ条件を回避するために、K.-R. Ernst他著の「Anwendungsvielfalt des Kaltgasspritzens」（Gemeinschaft Thermisches Spritzen協会の会議録、印刷：Gerdfried Wolfertstetter、Gilching在、２０１２年刊）によれば、コールドガススプレー用のマスクを支持構成部分上に載置する必要はなく、このマスクは支持構成部分に対して所定の距離を置いて固定することができる。しかしながら、このような方法により、支持構成部分からのマスク間隔が増大すると、スプレーされる面の側面からはますます漏れるようになる。マスク開口内に形成される構造の横断面も、これにより矩形ではなくなり、ほぼ台形になる。

本発明の課題は、このような形式のコールドガススプレー法を改良して、側面のジオメトリを比較的高い精度で製造できるような被覆結果物を形成できるようにすることである。

この課題は、本発明によれば、冒頭で述べた方法により、材料（この材料は被着によりマスク開口内に存在し、場合によってはマスク開口の縁部にも堆積されている）の被着後の方法ステップで、マスクの（コールドガス噴流に面した）上面の高さよりも上に位置する被着材料を削り取る、削り取り法を実施することによって解決される。本発明によれば、さらなる方法ステップにおいて、マスクの上面上に別のマスクを載置し、このマスクのマスク開口の領域で、既に被着された材料の上に材料を被着する（この材料は、その前に被着された材料と同じ組成を有していてもよく、またはその組成が異なっていてもよい）。その前の方法ステップで材料を削り取ることにより、先に載置されたマスクのこれにより平坦にされた面上に、別のマスクを載置することができる。マスク開口の領域にも、既に充填されたマスクの表面の平面に正確に位置する平坦な面が生じる。したがって、さらに載置されたマスクにもやはり完全に材料を充填することができる。

上記両方法ステップを、被着された材料が支持構成部分上で必要な（すなわち、構造的に規定された）厚さに達するまで繰り返し実施することができる。必要な厚さに達すると、被覆は終了されて、マスクを除去することができ、この際、被覆結果物が支持構成部分上に残される。複数のマスクを使用する主要な利点は、被覆結果物の厚さに関わらず、マスクの厚さを、流体力学的に良好な材料による充填という観点のみから形成することができる点にある。換言すると、被覆結果物の必要な厚さが形成されるように、複数のマスクを重ねている。この場合、各マスクが個別に充填され、完全な充填が、マスク厚さの選択により保証される。次いで余剰材料を削り取ることにより、隣接するマスクが十分密に互いに接することが保証され、これにより被覆構造物の相応の部分領域の妨げられない構成を生じさせることができる。各マスクを完全に充填することにより、形成される層の好適な側面が生じ、この側面はマスク開口の壁に直接接触する。すなわちこれにより、好適には、支持構成部分の表面に対してまさに垂直に延在する側方の画成部を有する構造も、コールドガススプレーにより製造することができる。特に、これにより、隣接するマスクのマスク開口がそれぞれ完全に重なっている場合には、柱状の構造を形成することもできる。

一般的には、被覆結果物が一体的に形成されるように、隣接するマスクのマスク開口は少なくとも部分領域で重なり合わなければならない。勿論、この支持構成部分上に、互いに接触しないこのような被覆結果物を複数形成することもできる。互いに続いているマスクが、合同のマスク開口、または小さくなっていく完全に互いに重なるマスク開口を有している場合、マスクは、被覆終了後、特に簡単に構成部分から除去することができるという付加的な利点が得られる。すなわちマスクは、形成された被覆結果物にアンダカットが形成されていないので、簡単に上方に（すなわち支持構成部分から垂直に離れるように）持ち上げることができる。

本発明の好適な構成によれば、材料上に形成された被覆結果物が支持構成部分から分離されることが規定されている。したがって、被覆結果物は好適にはそれ自体、支持構成部分からの分離後、使用のために提供することができる構成部品を成す。したがって、支持構成部分自体は、被覆結果物のための構成プラットフォームでしかないと理解される。

したがって好適には、本発明による方法は、構成部品のための生成的製造法として利用することができる。この方法の準備のために、本発明の態様によれば、所定の構成部品のためのマスクの厚さを考慮して、このような構成部品の幾何形状を、互いに重なる複数のプレートに計算によって分解することにより、マスク開口の形状を規定することができる。このための通常の計算方法は一般的に公知であり、好適には、製造すべき構成部品のＣＡＤモデルをベースとしている。構成部品の計算により求められたこれらのプレートは、本発明の方法の上記態様では、マスク開口の容積を正確に提供する。したがって、このようなプレートの厚さを規定する場合、マスクがどのような厚さを有するべきであるかが考慮される。

勿論、代替的に、本発明による方法を、構成部分に構造化された層を設けるために利用することもできる。例えば機械において使用することができるこのような構成部分は、本発明による方法のこのような実施形態では、支持構成部分を成す。この場合、被覆結果物は、支持構成部分上に形成された構造化された層である。

本発明の特別な構成によれば、マスクの少なくとも一部は最大１ｍｍの厚さを有することが規定される。１ｍｍの厚さを有するマスクは、微細な構造を必要な精度で製造できるようにするための良好な妥協点であることが証明されている。しかしながら、必ずしも全てのマスクが最大１ｍｍの厚さを有している必要はない。コールドガス噴流の伝搬方向で見て、比較的大きい横断面積を有する被覆結果物の部分領域が、より大きなマスク開口を有して形成されてもよい。この場合、より大きなマスク厚さも実現可能であり、これにより、本発明による方法における方法ステップが、全体として削減される。これにより、この方法を使用する際の経済性が好適には向上する。

比較的厚いマスクを使用する場合の好適な態様によれば、マスクのうちの少なくとも１つを複数のステップで充填することが規定されてよい。この場合、材料被着の各ステップ後に、マスクの上面の高さよりも上に位置する被着された材料を削り取る削り取り法を実施する。このような材料は、マスクの上面の平面を既に越えて突出している、形成された層結果物における非平坦性となり得る。さらにこのような材料は、マスク縁部に沿ってマスクの上面に形成された材料の粒子の堆積であることもある。このようなものは、成長が進むにつれて、層結果物の構成に不都合な影響を与えるようになる恐れがあるので、マスクを充填する際にその合間に、繰り返し除去するのが有利であろう。

上記堆積物は、僅かな幅のマスク開口を有する薄いマスクを使用する際にも形成される。しかしながら、マスクの厚さが僅かであることにより、比較的小さい深さのマスク開口を充填する間、その成長は影響を及ぼさない。したがって、後続のマスクを、マスクの加工表面と堆積された材料とから形成され得る平らなベースに置くことができるようにするためには、マスク開口を完全に材料で充填した後、このような堆積物を除去するので十分である。

本発明の別の態様によれば、少なくとも１つの方向で最大１ｍｍの幅を有しているマスク開口を備えた全てのマスクが、最大１ｍｍの厚さを有していることが規定されている。代替的に、全てのマスクにおいて、マスクの厚さとマスク開口の最小幅との比が最大１に維持されることも規定されてよい。これは、上述したようなマスク開口内における好ましくない流れ特性の形成と、これに伴う材料によるマスク開口の不十分な充填とを防止する、マスクにとって好適な設計規定である。被覆結果物の品質規定を考慮しなければならない。具体的には、層結果物が個々の品質要件を満たすためには、構成すべき層結果物において、孔の形成は規定された値を超過してはならない。

使用する際に、選択されたマスク厚さの適正をチェックできるように、好適には、マスクのうちの少なくとも１つのマスクの許容厚さを、加工材料によってマスクを完全に充填することによって計算することが規定されてよい。被着材料から成る被覆結果物は、次いで、必要な品質に達しているか否かについて検査される。この場合、必要な品質は、測定可能なパラメータによって記載されなければならない。例としては、被覆結果物の密度を用いることができる。密度は、被覆結果物における孔の割合についての情報を提供する。孔は、マスク開口の壁領域に特に集中し、および／または比較的大きな体積で生じるので、孔サイズ自体もチェックすることができる。孔サイズは例えば、カット面の形成によりチェックすることができる。

検査のために、サンプルまたは、形成すべき被覆結果物自体を形成することができる。被覆結果物において必要な品質が満たされた場合、比較的大きい厚さのマスクを用いて検査を繰り返してもよい。これに関しては、検査は複数の反復ステップを含んでいてよい。しかしながら代替的に、この方法は、比較的大きなマスク厚さの方向で場合によっては生じる遊びのスペースをさらなる反復ステップにより使用せずに、１つの選択されたマスク厚さの適合性を確認するために使用されてもよい。

マスクの求められた適切な厚さを、被覆の方法パラメータと共に、データベースに記憶するならば有利である。これにより、その後の方法では、経験知識を利用することができるので、マスク厚さの計算が簡単になる。データベースは、マスク開口の形状、マスク厚さ、ならびに加工材料に関する情報、コールドガススプレー装置において調節される被覆パラメータ、例えば粉末送り率、粉末形式、ならびにガス温度、ガス圧、および使用される作動ガスの種類を含む。

少なくとも１つのマスクが複数の部分から形成されていて、分離面がマスクの外縁からマスク開口まで延在しているならば、本発明の特別な構成が得られる。分離面は、複数のマスク部分を、マスク部分表面に対して平行に互いに引き離すように配置されている。このような構成は、マスク部分を被覆結果物から良好に分離することができるという利点を有している。特に被覆結果物がアンダカットを有している場合には、上述したように、マスクを支持構成部分から上方に向かって持ち上げることは不可能である。しかしながら、被覆結果物の側方に十分なスペースがあるならば、少なくとも僅かなアンダカットが存在している場合に、マスク部分をいわば側方に向かって引くことができ、これにより被覆結果物から分離することができる。

上方へのまたは部分的に側方へのマスクの除去は、この方法のその後の手順においてこのマスクを再び使用することができるという大きな利点を有している。さらに、マスクの除去は短時間で可能であるので、製造時間を好適には短縮できる。しかしながら、マスクの除去が完全にまたは部分的に不可能である場合、マスクを破壊することもできる。これらマスクが例えば、被覆結果物とは異なる卑金属材料から製造されているならば、これらマスクを化学的にまたは電気化学的に溶解させることができる。

本発明のさらなる詳細を以下に図面につき説明する。同じまたは対応する図示した要素には、それぞれ同じ符号を付与し、個々の図面における相違点のみを再度説明する。

柱状の構造物を形成する本発明による方法の１つの実施形態の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法の別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図１の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 アンダカットを備えた構成部分を形成する本発明による方法の別の実施形態の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法の別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 図８の方法のさらに別の選択された方法ステップを概略的に示す図である。 分離面を有するマスクを示す平面図である。 形成可能な構成部分の実施形態を３次元的に示した図である。

本発明による方法の方法ステップを全般的に以下のように示すことができる。この方法の準備は、マスクの製造であり、個々のマスクの厚さは事前に規定される。

この方法は、支持構成部分に第１のマスクを載置し、コールドガススプレーによりスプレー材料を充填することから開始される。次いで、生成された被覆結果物およびマスクの上面から余剰材料が削り取られる。次いで次のマスクを載置し、再びコールドガススプレーにより充填する。この場合、このマスクの厚さは、（支持構成部分または先に堆積された材料の）マスクに覆われていない表面に直接、マスク載置後にスプレー層が、マスク縁部まで、欠けることなく析出され得ることを保証する厚さである。余剰材料を再度削り取った後、マスク孔が完全に充填されているか否かをチェックすることができる。換言すると、マスク開口内側のスプレーされた表面が、削り取った後完全にマスク表面と同一平面を成しているか否かが調べられる。このことは例えば、自動化された光学的な検査方法によっても行うことができる。同一平面ではない場合、次のマスクが載置される前に、さらなるコールドガススプレーとさらなるフライス削りを行うことができる。構造がまだ完成ではない場合には、被覆結果物が満足いくものである場合に初めて、すなわち全てのマスク孔が完全に充填されて初めて、次のマスクが載置される。最後のマスクが充填されて、余剰材料が削り取られた後、被覆結果物が完成したか否かの問いが肯定となる。

図１には、支持構成部分１１上に第１のマスク１２が載置される様子が示されている。このマスクはマスク開口１３を備えており、図１の方法ステップでは、このマスク開口１３がまさに材料１４によって充填されているところである。これは詳しくは図示されていないコールドガススプレー法により行われる。図１には、コールドガススプレー装置（図示せず）の一部である１つの収束・発散スプレーノズル１５のみが示されている。スプレーノズル１５によって、噴射粒子１６が支持構成部分１１へと方向付けられ、この際に、マスク開口１３と、マスク開口１３の縁部におけるマスク１２の表面１８とに、材料１４の層が堆積される。

図２には、図１に示したような余剰材料がフライスヘッド１９によって削り取られる様子が示されている。このために、フライスヘッド１９は矢印方向で表面１８上を動かされる。さらに図２により、マスク開口１３に材料１４が完全に充填されていることも分かる。

図３には次の２つのプロセスステップが示されている。別のマスク１２ａが第１のマスク１２上に載置されて、この別のマスク１２ａのマスク開口１３は、マスク１２のマスク開口１３に正確に整列している。スプレーノズル１５によって、マスク開口１３が再び完全に充填されるまでさらなる材料が堆積される。

図４には、（図２に示した方法ステップと同様に）余剰材料がフライスヘッド１９によって再び除去された様子が示されている。

図５には、図３と同様に２つのさらなる方法ステップが行われることが示されている。これらのステップによれば、まずマスク１２ｂが載置され、このマスク１２ｂには、ここには図示されていないスプレーノズル１５によって材料１４が充填される。フライスヘッド１９はちょうど、余剰材料１４をマスク１２ｂの表面から除去している。別のマスク１２ｂのマスク開口１３は上記の２つのマスク開口１３と一致している。

図６によれば、今や材料１４は３つ全てのマスク孔１３を充填していることが分かる。構成部分は今や、完成しており、したがって、マスク１２，１２ａ，１２ｂは図示した矢印の方向で上方に向かって除去されてよい。材料１４は、（角柱の形状の）垂直な側面を有する柱状の構造を有しているので、マスクの除去は容易に可能である。

図７には、材料１４が層２０として支持構成部分１１上に残されていることが示されている。支持構成部分は今やその機能を担う。１つの考えられる支持構成部分が例えば図１７に示されている。これは、シンボルを型押しする工具を成すことができる。この場合、支持構成部分１１は、型押ししたいシンボルがその上に層２０として構成されている面を提供している。

図８〜図１５には、被覆結果物が構成部品２１（図１５参照）を形成する方法が示されている。この方法は、図１〜図７に示した方法とほぼ同様に行われるが、相違点のみを再度詳しく説明する。

図８および図９に示す方法ステップは、図１および図２に示した方法ステップと同様に行われる。

図１０によれば、図３とは異なり、マスク１２の開口よりも大きなマスク開口１３を備えた別のマスク１２ｄが載置される。これにより、材料には、図１４および図１５により良好に示されているアンダカット２２が形成される。図１１による材料の除去は、図４と同様に行われる。

図１２は、別のマスク１２ｅに、マスク１２ｄよりも大きなマスク開口１３が設けられている点で図５とは異なっている。全体として、図１３に見ることができる材料１４から形成される被覆結果物は、したがってキノコ形状を有している。このような形状は、マスク１２，１２ｄ，１２ｅの除去を困難にする。マスクが、図平面に対して垂直に分離面（詳しくは図示せず）を有しており、これによりマスクが２つの部分から形成されているならば（図１６参照）、各マスク半部を、図１３に示すように、支持構成部分１１の表面に対して平行に、略示した２つの矢印の方向で引き出すことができる。

しかしながら、材料１４の被覆結果物は、マスク部分の側方の引き出しが不可能である形状を有していてもよい。この場合、図１４に示すように、マスク１２，１２ａ，１２ｂを電気化学的な槽２５内で溶解させることもできる。図１４においてマスクは、既に溶解されているのでもはや示されていない。次の詳しくは示さないステップでは、このように形成された構成部品２１を例えばワイヤ放電加工によって支持構成部分１１から取り外すことができる。支持構成部分１１は、この方法の変化実施例では、単に構造プラットフォームとして用いられる。このように形成された構成部品２１が図１５で側面図として示されている。

図１６には、２つの部分から構成されているマスク１２ｆが示されている。このマスクは例えば、図１３に示した方法で使用することができる。このマスク１２ｆは、２つの半マスク２３を有しており、これら半マスク２３は分離面２４で分離可能である。このような構成では、その上に位置するマスクが、より大きなマスク開口またはオーバーラップするマスク開口によって、製造される構成部分にアンダカットを形成する場合であっても、マスク開口１３内に製造された構成部分がマスク除去を妨げることはない。しかしながら、アンダカットを形成するマスク上に材料を堆積させる場合、アンダカット（すなわち、マスクからマスクへの「アンダカット段部」）は大き過ぎない、という前提である。これによりすなわち、マスクの引張り力により克服されなければならない、被覆結果物へのマスクの付着が生じる。

Claims (9)

1. コールドガススプレーによって支持構成部分（１１）を被覆する方法であって、被覆前に前記支持構成部分（１１）上に第１のマスク（１２）を載置し、該第１のマスク（１２）の第１のマスク開口（１３）の領域で前記支持構成部分（１１）に材料（１４）を被着し、該材料（１４）によって前記第１のマスク開口（１３）を完全に充填する、方法において、
   前記材料（１４）を被着した後の方法ステップで、前記第１のマスク（１２）の上面の高さよりも上にある前記被着された材料（１４）を削り取り、前記第１のマスク開口（１３）の領域および前記第１のマスク（１２）上に平坦な面を形成する、削り取り法を実施し、
   さらなる方法ステップで、前記第１のマスク（１２）の上面に、前記第１のマスク開口（１３）よりも大きな第２のマスク開口（１３）を備えた第２のマスク（１２ｄ）を載置し、該第２のマスク（１２ｄ）の前記第２のマスク開口（１３）の領域で、既に被着された前記材料（１４）の上に材料（１４）を被着し、
   上記両方法ステップを、前記被着された材料（１４）が前記支持構成部分（１１）上で必要な厚さに達するまで繰り返し実施し、前記被覆の終了後、前記マスクの全てを除去し、
   少なくとも１つのマスク（１２ｆ）は複数のマスク部分（２３）から形成されており、分離面（２４）が、前記マスクの外縁から前記マスク開口まで延在しており、前記複数のマスク部分（２３）が、該マスク部分の上面に対して平行に互いに引き離されるようになっていることを特徴とする、コールドガススプレーによって支持構成部分（１１）を被覆する方法。
2. 被着された前記材料（１４）により形成される被覆結果物を、前記支持構成部分（１１）から分離する、請求項１記載の方法。
3. 前記マスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）の少なくとも一部は、最大１ｍｍの厚さを有している、請求項１または２記載の方法。
4. 少なくとも１つの方向で最大１ｍｍの幅を有しているマスク開口（１３）を備えた全てのマスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）は、最大１ｍｍの厚さを有している、請求項３記載の方法。
5. 全てのマスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）において、前記マスクの厚さと前記マスク開口（１３）の最小幅との比を最大１に維持する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記マスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）のうちの少なくとも１つを複数のステップで充填し、前記材料（１４）の被着の各ステップ後に、前記マスクの上面の高さより上に位置する前記被着された材料（１４）を削り取る削り取り法を実施する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記マスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）のうち少なくとも１つのマスクの許容厚さを、前記材料（１４）で前記マスクが完全に充填され、被着された材料（１４）により形成される被覆結果物を、必要な品質に達しているか否かについて検査することにより求める、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記マスク（１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）の前記求められた適切な厚さを、前記被覆の方法パラメータと共に、データベースに記憶する、請求項７記載の方法。
9. 所定の構成部品（２１）のためのマスクの厚さを考慮して、該構成部品（２１）の幾何形状を、前記マスク開口（１３）の容積を規定する互いに重なる複数のプレートに計算によって分解することにより、前記マスク開口（１３）の形状を規定する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。

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