用掩膜的低溫氣體噴射法的制作方法

本發明涉及一種通過低溫氣體噴射給承載構件(“承載構件”亦可稱為“載體構件”)涂層的方法。在此方法中，在涂層前將掩膜鋪設在承載構件上，以及在此掩膜的掩膜孔區域內將一種材料涂敷在承載構件上，此時，這種材料完全填滿掩膜孔。

背景技術：

低溫氣體噴射是一種已知的方法，在此方法中規定用于涂層的粒子借助收斂-擴散噴嘴優選地加速到超音速，因此粒子基于其沖壓動能保持附著在要涂層的表面上。在這里利用粒子的動能，它導致粒子塑性變形，在這種情況下涂層粒子在入射時僅在其表面熔化。因此相比于其他熱噴射法將這種方法稱為低溫氣體噴射，因為它在比較低的溫度下實施，此時涂層粒子基本上保持固態。優選地，為了低溫氣體噴射，它也稱為動力噴射，使用低溫氣體噴射設備，它有氣體加熱裝置用于加熱氣體。在氣體加熱裝置上連接滯止室，它在出口側與收斂-擴散噴嘴，優選拉瓦爾噴管連接。收斂-擴散噴嘴有一個聚合的分段和一個擴張的分段，它們通過噴嘴的臨界截面連接。收斂-擴散噴嘴在出口側產生形式上為內含粒子的高速，優選地超音速氣流的粉末射束。

由現有技術已知一種前言所述類型的方法。按de102004058806a1例如規定，在一個制冷體上能形成至少一個具有一定結構的電絕緣層和一個具有一定結構的導電層。為此使用掩膜，它們的孔按這種結構設計。所述具有一定結構的涂層用作電路結構，為此目的它們必須滿足一些電路要求，例如規定的導體橫截面。這些涂層可以在多個涂層面內重疊。

由d.-y.kim等人的論文“coldspraydepositionofcopperelectrodesonsiliconandglasssubstrates”,journalofthermalspraytechnology,vol.22,october2013已知，采用低溫氣體噴射并借助鋪設在底物上的掩膜制造印刷電路板上的線路，然而會甩出這樣的問題，為此所需的掩膜有寬度較小的掩膜孔。在這里，掩膜孔寬度與掩膜厚度之比，造成低溫氣體射束在掩膜孔內使粒子難以沉積的流動狀況。這是因為在掩膜壁上形成回流，它導致被沉積材料的三角形橫截面，此橫截面的尖頂處于掩膜孔中心以及面朝低溫氣體射束。在掩膜孔壁本身卻沒有材料粘附。對于制造印制線路重要的是，印制線路的橫截面適用于傳輸所要求的電流，與之相比，所制成的橫截面形狀起次要作用。

為避免在掩膜孔內出現不利于沉積例如矩形截面的流動狀況，按k.-r.ernst等人的論文“anwendundsvielfaltdeskaltgasspritzens”,tagungsbanddergemeinschaftthermischesspritzene.v.,druck:gerdfriedwolfertstetter,gilching2012建議，不必在承載構件上鋪設用于低溫氣體噴射的掩膜，而是可以離承載構件有一定距離處固定掩膜。然而，在掩膜離承載構件距離增加時，這一措施導致被噴射面的側面總是進一步慢慢結束。因此在掩膜孔內制成的結構橫截面同樣不是矩形，而是近似梯形。

技術實現要素：

本發明的目的在于，改進低溫氣體噴射法，使之能得到一種涂層成果，按本方法能制成具有較高精度的側面幾何形狀。

所述目的通過前言所述方法按本發明采取下述措施達到，亦即在一個工藝步驟中，在材料涂敷后(材料因而處于掩膜孔內并同樣可能沉積在掩膜孔邊緣上)實施去除處理，在此過程中，去除涂敷在掩膜(面朝低溫氣體射束的)上側水平面上方的材料。在另一個工藝步驟中，按本發明在掩膜上鋪設另一個掩膜，以及在此掩膜的掩膜孔區域內將材料(這種材料可以有與之前放置的材料成分相同或其成分不同)涂敷在已涂敷的材料上。通過去除在先前工藝步驟中的材料，可以將另一個掩膜鋪設在先前的那個掩膜由此已平整的表面上。在掩膜孔的區域內也形成一個平的表面，它準確地處于已填滿的那個掩膜表面的平面內。因此，也可以將材料再次完全填滿所鋪設的另一個掩膜。

這兩個最后提到的工藝步驟可以多次實施，直至在承載構件上涂敷的材料達到要求的(亦即結構規定的)厚度。由此結束涂層并可以除去掩膜，在承載構件上留下涂層成果。使用多個掩膜突出的優點在于，可以與涂層成果的厚度無關，只按照流體動力學有利充填材料的觀察角度擬定掩膜的厚度。換句話說，多個掩膜上下重疊，以制成涂層成果所要求的厚度。每個掩膜在這里逐個充填，在這里通過選擇掩膜厚度保證完全填滿。此外，通過接著去除多余的材料還保證，相鄰的掩膜足夠緊密地互相貼靠，由此涂層結構的相應分區能夠無干擾地構成。通過完全填滿各掩膜，所制成的涂層形成有利的側面，它們直接貼靠在掩膜孔的壁上。因此有利地通過低溫氣體噴射還能制成一些結構，它們的側邊界準確垂直于承載構件表面延伸。尤其是，當相鄰掩膜的掩膜孔總是完全重疊時，還能制成柱狀結構。

相鄰掩膜的掩膜孔一般必須至少在部分區域內疊叉，以形成整體式涂層成果。當然，在承載構件上可以造成多個這種互不接觸的涂層成果。當上下相繼的掩膜有全等的掩膜孔或逐漸減小、完全重疊的掩膜孔，則附加得到的優點是，在涂層結束后能非常容易從構件除去掩膜。也就是說，此時它們能方便地向上(亦即從承載構件垂直離開)扯掉，因為在制成的涂層成果中沒有構成側凹。

按本發明一種有利的設計規定，由材料構成的涂層成果與承載構件分離。涂層成果有利地因而本身意味著是一個構件，它在與承載構件分離后可以用作它用。承載構件(亦可稱為“載體構件”)本身因而僅理解為是涂層成果的構建平臺。

有利地，按本發明的方法因此可利用作為構件的生殖制造方法。為了準備實施這種方法，按本發明的一種設計可以規定，掩膜孔的設計在考慮到用于構件的掩膜厚度的情況下按以下所述確定，亦即將構件的幾何尺寸通過計算分解為重疊的盤。為此常用的計算方法是眾所周知的并優選地基于要制造構件的cad模型。在按本發明方法已提及的設計中，構件經計算得出的盤，準確給定掩膜孔的體積。因此在確定盤的厚度時，便可以考慮掩膜應有什么厚度。

作為替代方式，按本發明的方法當然也可以用于提供具有一定結構的涂層的構件。這種例如可在機器中使用的構件，在按本發明方法的這種方案中意味著是所述的承載構件。在這種情況下涂層成果是在該承載構件上要制造的具有一定結構的涂層。

按本發明的一種特殊的設計規定，至少部分掩膜有最大為1mm的厚度。厚度為1mm的掩膜業已證明有良好的妥協性，從而也能制造具有所要求精確度的更精細的結構。當然并非無例外地需要所有的掩膜均有最大為1mm的厚度。沿低溫氣體射束方向看有較大橫截面積的那些涂層成果的部分區域，也可以制有比較大的掩膜孔。在這種情況下也可以實現較大的掩膜厚度，從而在按本發明的方法中可以節省總的工藝步驟。由此在方法使用中有利地提高經濟性。

在使用較厚的掩膜時，按一種有利的設計可以規定，至少掩膜之一分多個步驟充填。在材料沉積的各個步驟后實施去除工藝，此時去除處于掩膜上側水平面上方沉積的材料。在這里會涉及在形成的涂層成果中已經超過掩膜的上側平面突出的不平度。此外在這里還會涉及在掩膜邊緣旁掩膜上側形成的材料顆粒的沉積。這些在逐漸生長的情況下對涂層成果的構成帶來負面影響，因此可有利的是，在充填掩膜時在其間總是反復將它們去除。

所提及的沉積也在使用有較小寬度掩膜孔的薄掩模時形成。由于掩膜小的厚度，在充填深度較小的掩膜孔期間不發生它們的生長。因此在掩膜孔用材料完全填滿后清除沉積，使隨后的掩膜能鋪放在平的底物上便足夠了，所述平的底物可以通過處理掩膜和沉積材料的表面形成。

按本發明另一項設計規定，所有的、它們的掩膜孔至少沿一個方向有最大為1mm寬度的掩膜，有最大為1mm的厚度。作為替代也可以規定，在所有的掩膜中，掩膜厚度與掩膜孔最小寬度之比保持最大為1。在這里涉及掩膜有利的設計規則，它們防止已提及的在掩膜孔內形成不良流動狀況并因而關系到掩膜孔有缺陷的材料充填。應考慮涂層成果的質量規定。具體而言，允許在要構成的涂層成果中形成的小孔不超過規定值，以便使涂層成果符合具體情況的質量要求。

為了能在使用情況下檢驗所選擇的掩膜厚度的適合度，可有利地規定，至少掩膜之一允許的厚度通過以下所述確定，亦即掩膜用要加工的材料完全填滿。在這之后接著檢驗由涂敷的材料構成的涂層成果是否達到要求的質量。在這里要求的質量必須通過能測量的參數說明。例如可以采用涂層成果的密度。它提供有關涂層成果中氣孔份額的說明。還可以檢驗氣孔尺寸本身，因為尤其在掩膜孔的壁區內會吸附氣孔和/或出現體積較大的氣孔。這些例如可以通過制成磨片或磨樣檢驗。

為了檢驗可以制造要么試樣要么有待制成的涂層成果本身。若涂層成果滿足質量要求，則可以用厚度較大的掩膜重復檢驗。這種檢驗因此可包含多個疊代步驟。作為替代方式當然也可以使用本方法，以確認所選擇的掩膜厚度的適宜性，不用沿較大的掩膜厚度方向通過其他疊代步驟充分利用可能的空隙。

有利的是，掩膜確定的適用厚度與涂層的工藝參數一起儲存在數據庫內。由此在后續的過程中易于確定掩膜的厚度，因為可以動用經驗知識。它包含下述有關的信息，亦即掩膜孔的幾何尺寸和掩膜厚度，以及被處理的材料和低溫氣體噴射設備所調整的涂層參數，如粉末輸送速度、粉末類型和氣體溫度、氣體壓力及使用的氣體載體類型。

若至少一個掩膜設計為分成多個部分，其中分界縫從掩膜外邊緣延伸到掩膜孔，則得到本發明的一項特殊設計。它們設置為，使這些掩膜部分能平行于其上側彼此拉開。這種設計的優點是，這些掩膜部分能便于與涂層成果分離。尤其是，當涂層成果有側凹時，不可能如上面說明的那樣向上從承載構件扯掉掩膜。當然，若朝涂層成果側面有足夠的位置，則掩膜構件至少在側凹小的情況下可以所謂的向側向抽拉，并由此脫開涂層成果。

向上或部分朝側向除去掩膜有突出的優點，它們在方法后續的過程中可以再次使用。此外還有可能在短時間內除去掩膜。當然若不可能整個或部分除去掩膜，則還存在可能性將掩膜破壞。若它們與涂層成果不同，例如由非貴重的材料制成，則允許將它們化學或電化學溶解。

附圖說明

下面借助附圖說明本發明的其他詳情。圖中相同或相應的元件總是采用相同標記，并就此而言僅多次說明在各附圖之間有什么差別。其中：

圖1至7用示意剖面圖表示按本發明制造柱狀結構用方法的一種實施例所選擇的工藝步驟；

圖8至15用示意剖面圖表示按本發明用于制造具有側凹的構件的方法的另一種實施例所選擇的工藝步驟；

圖16表示具有分界縫的掩膜的俯視圖；以及

圖17表示一種可能的構件的實施例的三維圖。

具體實施方式

按本發明方法的工藝步驟一般可如下所述。工藝準備包括制造掩膜，在這里事先確定各掩膜的掩膜厚度。

本方法一開始在承載構件上鋪設第一個掩膜，以及通過低溫氣體噴射用要噴射的材料進行充填。接著從形成的現有涂層成果和掩膜上側去除多余的材料。然后鋪設下一個掩膜并再次通過低溫氣體噴射進行充填。在這里，掩膜的厚度保證，能直接在鋪設后，在(承載構件或先前沉積的材料)它們已清理干凈的表面上，能夠直至掩膜邊緣無空穴地(或無缺陷地)沉積一個噴射層。在重新去除多余的材料后可以檢驗，掩膜孔是否已完全填滿。換句話說，應確定在掩膜孔內部噴射的表面在去除多余材料后是否處處均與掩膜表面平齊。這例如也可以通過光學自動檢驗法保證。如果不是這種情況，則可以在鋪設下一個掩膜前，實施另一次低溫氣體噴射以及銑削多余量。直至對涂層成果滿意，亦即掩膜孔已完全填滿，并在結構尚未制成時，才鋪設下一個掩膜。在最后一個掩膜充填并去除多余的材料后，便可以對涂層成果是否最終制成的問題給予肯定的答復。

在圖1中可以看出，如何在承載構件11上鋪設第一個掩膜12。它有掩膜孔13，在按圖1的工藝步驟中正在用材料14充填掩膜孔13。這通過沒有詳細說明的低溫氣體噴射法實現。在圖1中僅表示一個收斂-擴散噴嘴15，它是圖中未表示的低溫氣體噴射設備的組成部分。噴嘴15將粒子射束16對準承載構件11，此時不僅掩膜12的掩膜孔13而且在掩膜孔13邊緣旁的掩膜12表面，均提供材料14的沉積涂層。

在圖2中可以看出，借助銑刀頭19去除按圖1多余的材料。為此銑刀頭19沿箭方向在表面18上運動，在圖2中還可以看出，掩膜孔13已完全用材料填滿。

在圖3中表示緊接的兩個工藝步驟。在第一個掩膜12上鋪設另一個掩膜12a，此掩膜12a的掩膜孔13與掩膜12的掩膜孔準確對齊。借助噴嘴15再次沉積材料，直至重新完全填滿掩膜孔13。

在圖4中可以看出，多余的材料借助銑刀頭19再次除去(類似于圖2所示的工藝步驟)。

在圖5中可以看出，類似于圖3實施另外兩個工藝步驟，此時首先鋪設掩膜12b，它借助圖中未表示的噴嘴15充填材料14。現在銑刀頭19正在從掩膜12b表面18除去多余的材料14。此另一個掩膜12b的掩膜孔13與先前的兩個掩膜孔全等。

按圖6可以看出，材料14現在填滿全部三個掩膜孔13。這時構件已制成，所以掩膜12、12a、12b可以按圖中表示的箭頭向上取走。這是能夠輕易做到的，因為材料14有帶垂直側面的柱狀結構(棱柱形)。

由圖7可以看出，在承載構件11上留下作為涂層20的材料14。承載構件11現在可以發揮其作用。作為示例在圖17中表示一種可能的承載構件。它可以是鑄造符號用的模具。在這里承載構件11可以將一個平面提供使用，在此平面上作為涂層20構成要鑄造的符號。

在圖8至15中表示一種方法，按此方法得到的涂層成果是一個構件21(參見圖15)。本方法與按圖1至7所示方法的工作過程基本相同，在這里僅再次詳細說明其不同點。

按圖8和圖9的工藝步驟類似于按圖1和圖2的工藝步驟進行。

與圖3不同，按圖10鋪設另一個掩膜12d，它的掩膜孔13大于掩膜12的掩膜孔。由此在材料中形成一個側凹22，它在圖14和15中可以看得更清楚。按圖11去除材料類似于圖4進行。

圖12與圖5的差別再次在于，配備另一個掩膜12e，它有比掩膜12d大的掩膜孔13。因此，在圖13中能看到的由材料14制成的涂層成果總體上有蘑菇的形狀。它使掩膜12、12d、12e難以取走。若它們有圖中沒有詳細表示的垂直于圖紙平面的分界縫，從而將它們設計為分成兩個部分(參見圖16)，則各半個掩膜可以按圖13沿所勾畫的兩個箭頭方向，平行于承載構件11表面抽出。

然而，由材料14制成的涂層成果也可能有一種不允許側向抽出掩膜分部的幾何形狀。在這種情況下，在圖14中表示掩膜12、12d、12e如何也能在電化學槽25中溶解，此時在圖14中不再能看到掩膜，因為它們已經被溶解。在隨后的、圖中沒有進一步表示的步驟中，如此形成的構件21例如可以通過電火花切割從承載構件11取下，承載構件11在本工藝方案中僅用作構建平臺。制成的構件21表示在側視圖15中。

圖16表示一個設計為分成兩個部分的掩膜12f。它例如能用于圖13所示的方法。掩膜12f有兩個可通過分界縫24分開的半掩膜23。在掩膜孔13中制造的構件，即使位于上方的掩膜基于較大或超覆的掩膜孔從而在要制成的構件內構成側凹時，也不妨礙除去掩膜。但前提條件是側凹不過大(亦即，從掩膜到掩膜的“側凹階躍”)，否則它導致材料沉積在造成側凹的掩膜上。也就是說，由此將掩膜粘附在涂層成果上，必須通過掩膜的拉脫力克服粘附。