厚膜加热元件的制作方法

1.本实用新型涉及厚膜加热元件和制造方法。


背景技术：

2.厚膜加热元件通常包括一个或多个加热迹线，该一个或多个加热迹线作为油墨或膏体而被丝网印刷(screen printed)到绝缘基底上并且被烧制以形成高电阻率的迹线。连接迹线或焊盘可以利用不同类型的油墨或膏体而被印刷在分开的层中，并且被烧制以形成低电阻率的连接迹线和焊盘。
3.绝缘基底可以是诸如陶瓷的电绝缘材料，或者可以是带有绝缘表面层的金属。带有金属基底的厚膜加热元件典型地通过将电绝缘层施加到金属基底上并随后将加热器迹线形成到该绝缘层的表面上被制造而成。绝缘层可以是使用丝网印刷技术或更常规的玻璃搪瓷(vitreous enamelling)过程所施加的玻璃或陶瓷材料。金属基底最常见的是不锈钢。绝缘材料、加热器迹线和焊盘的烧制温度和其他特性必须与金属的特性相兼容。此外，可以添加保护陶瓷或玻璃覆盖层。这也可以通过喷涂或丝网印刷来施加，并且随后被烧制。
4.厚膜技术的更多细节例如在kasap s.,capper p.(eds)springer handbook of electronics and photonic materials中的white n.(2017)thick films第707至709和712页中被描述。厚膜膏体可以包括活性材料、玻璃料(glass frit)和有机承载物或载体。玻璃料在烧制之后保留下来，并且形成厚膜电阻器的结构的一部分。因此，“厚膜”是指具有特性结构和性质的特定类型的电阻器，而不仅仅是对当通过特定过程被制造时的产品的比较性(comparative)术语或指代。
5.加热器迹线和连接焊盘包括金属颗粒和玻璃，该金属颗粒典型地是银、铂或钯、或这些金属中的两种或更多种的混合物。它们通过丝网印刷以膏体的形式被施加到绝缘层，然后如以上所描述的被干燥和烧制。
6.由于厚膜材料包括玻璃或陶瓷，因此该厚膜材料具有低的拉伸强度，并且在设计和加工以及使用期间必须小心，以确保材料经受压缩力而非拉伸。这典型地通过对基底选择具有比厚膜材料和绝缘层的热膨胀系数大的热膨胀系数的材料来完成。结果是，当厚膜加热器在烧制过程之后冷却下来时，该厚膜材料和绝缘层经受压缩应力。有时基底会在烧制过程之前或之后弯曲，以使该厚膜材料处于压缩应力下。即便如此，常见的失效模式是绝缘层由于热冲击而开裂。
7.另一问题是加热器迹线与电源的连接。常见的实践是在加热器迹线的端部处设置低电阻材料的连接焊盘。该连接焊盘包括类似于加热器迹线的材料，但具有非常低的电阻，因此在连接区域中没有明显的加热。连接焊盘与加热器迹线的端部重叠，以提供良好的电连接。可以使用有弹性的(sprung)接触件将焊盘连接到电源。典型地，这些是铜合金，并且通过电镀或通过附接在开关中典型地看到的类型的银接触件来提供低电阻的银面。
8.然而，可以通过将导线直接焊接到连接焊盘来制造更便宜和更紧凑的连接。焊接过程可能会引起加热元件的失效，例如由于焊料在凝固时在体积方面的收缩。这在无铅的
sn/ag/cu和sn/cu/ni合金的情况下尤为普遍。随着焊料凝固和收缩，该焊料对连接焊盘施加应力，该应力超过焊盘与加热器迹线之间的结合强度、或连接焊盘的区域中的焊盘、加热器迹线或绝缘层的强度。
9.具有钢基底的厚膜元件在该基底和加热器迹线之间需要电绝缘层。与作为电绝缘体的大多数材料一样，玻璃或陶瓷材料是不良的热导体。尽管绝缘层相对薄，大约为100μm，但是穿过该层仍然可能存在明显的温度梯度，从而增加了加热器迹线的温度。迹线的运行温度限制了可以由加热器散耗的功率。如果绝缘层的热导率增加，则可以增加功率密度或热通量。结果是，给定功率的加热元件可以被制成更小，或者可以通过给定尺寸的元件传送更多的功率。
10.还期望能够测量厚膜加热器的表面上的温度。这可以通过用电阻随温度具有相对大的变化的材料来印刷传感器来完成。这些材料中的大多数材料具有负的电阻温度系数。也可以将加热器迹线的电阻用作传感器。具有合适电阻系数的材料的选择是有限的。


技术实现要素：

11.由随附的权利要求限定本实用新型的方面。
12.本实用新型的至少一些实施例涉及对增加厚膜材料和绝缘层的强度的上述问题的解决方案。玻璃和陶瓷的机械失效典型地是由裂纹引发的脆性断裂所引起的，该裂纹在材料中的诸如划痕之类的缺陷处传播。在至少一些实施例中，绝缘层的某些性质通过使用陶瓷基体复合材料(cmc)而被改善。这些复合材料具有嵌入陶瓷基体中的陶瓷纤维。陶瓷纤维增加了裂纹传播通过基体所需的应力，从而增加了在裂纹传播期间所消耗的能量。当贯穿厚度的裂纹开始贯穿基体形成时，纤维在不断裂的情况下桥接这些裂纹，从而增加材料的拉伸强度。与单块陶瓷相比，陶瓷纤维增强增加了复合材料的对裂纹传播的初始阻力，并且避免了突然的脆性失效。
附图说明
13.现在将参考附图来描述本实用新型的具体实施例，在附图中：
14.图1是本实用新型的实施例中的厚膜加热元件的透视图；
15.图2是实施例中的厚膜加热元件的分解透视图；和
16.图3是实施例中的厚膜加热元件的截面图。
具体实施方式
17.图1至图3示出了厚膜加热元件1，该厚膜加热元件1包括带有搪瓷的绝缘层3的基底2。基底2可以由诸如铁素体不锈钢之类的钢制成。在厚膜加热元件1的制造方法中，使用例如以上所描述的厚膜印刷和烧制过程，绝缘层3被形成在基底2上，并且连接焊盘4和一个或多个加热迹线5被形成在绝缘层3上。可以在加热迹线5之上形成一个或多个釉层(未示出)，保留连接焊盘4暴露。
18.在该实施例中，绝缘层3、连接焊盘4、加热器迹线5和(一个或多个)釉层中的一者或多者包括玻璃或陶瓷纤维，例如作为玻璃或陶瓷材料的基体中的复合材料。存在许多种将陶瓷基体引入到纤维之间的空间的常规方法，包括烧结、通过气体混合物的基体的沉积、
化学反应以及热解。这些方法中没有一个方法与将绝缘层3或加热器迹线5施加到基底2的两种典型方法相兼容：这些方法是喷涂，例如但不限于电泳喷涂，以及火焰喷涂和丝网印刷。
19.在根据实施例的一种方法中，将陶瓷纤维引入到被喷涂的搪瓷中或被丝网印刷的膏体中，以在烧制之后形成绝缘层3。在根据该实施例的替代的方法中，将搪瓷和陶瓷纤维被分开喷涂到基底2上，并且然后被烧制以形成绝缘层。
20.纤维的尺寸、和基体中纤维的量、以及基体和纤维的材料决定复合材料的性质。基体可以是与纤维的玻璃或陶瓷材料不同的玻璃或陶瓷材料，或具有与纤维的玻璃或陶瓷材料相同的玻璃或陶瓷材料。
21.在cmc材料中所使用的纤维的长度可以达到4mm或5mm，并且实际应用中，纤维为至少0.5mm长。直径可以从1μm至50μm变化。然而，纤维的尺寸受到绝缘层3和加热器迹线5的施加构造方法和厚度的限制。加热器迹线或连接器焊盘中的纤维的尺寸受到印刷丝网中孔的尺寸的限制。
22.在绝缘层3中，纤维可以足够长以至于突破绝缘层3的表面。这会在随后加热器迹线5被丝网印刷时可能引起问题，但是该纤维也可以在加热器迹线5与绝缘层3之间提供良好的结合。
23.纤维可以包括一系列材料中的一种或多种。绝缘层3主要包括玻璃，并且可以使用玻璃和/或陶瓷纤维来加强该绝缘层3。诸如氮化硼或氧化铝之类的陶瓷可以被用作纤维以对绝缘层3、(一个或多个)加热器迹线5或连接焊盘4增加强度。可以通过添加具有高导热性的陶瓷(诸如，碳化硅或氮化硅)的纤维来提高绝缘层3、(一个或多个)加热器迹线5或连接焊盘4的导热性。纤维可以包括铝、硼或硅的陶瓷氧化物、氮化物或碳化物。
24.在该实施例的变型中，可以使用厚膜技术将温度传感器迹线沉积在绝缘层上，与(一个或多个)加热器迹线5并排且与该(一个或多个)加热器迹线5分开，以便感测该(一个或多个)加热器迹线5的温度。添加具有低电阻的陶瓷纤维为材料提供使其适用于这种温度传感器迹线的电阻温度系数。添加纤维允许调节电阻温度系数，使得传感器的性质与预期的应用相匹配。碳化硅的纤维属于适用于这种应用的那些纤维。
25.替代性实施例
26.在阅读以上描述之后对本领域技术人员来说可能是显而易见的替代性实施例仍然落入所附权利要求的范围内。