专利名称：用于电子设备的耐用玻璃陶瓷机壳/封罩的制作方法
技术领域：
本发明涉及可用作电子设备的耐用机壳或封罩的玻璃陶瓷。具体而言，本发明涉 及具有高于玻璃的断裂韧度和硬度、低导热性、对射频和微波频率具有透射性的玻璃陶瓷， 该玻璃陶瓷尤其适于用作电子设备的耐用机壳或封罩。
背景技术：
在过去十年内，便携式电子设备，如膝上型计算机、PDA、媒体播放器、便携式电话 等(常被称为“便携式计算设备”)，已变得更为小巧、轻便和功能强大。对这些小设备的开 发和应用做出贡献的一个因素是制造商将设备的电子元件尺寸越减越小并同时提高这些 元件的功率和/或操作速度的能力。然而，使得设备更小、更轻和功能更强大的趋势对便携 式计算设备中某些元件的设计提出了持续的挑战。与便携式计算设备设计相关的一个具体挑战是用于容纳该设备各种内部元件的 封罩。该设计挑战通常是由两个相矛盾的设计目的造成的——使得封罩更轻和更薄的需 要，和使得封罩更坚固、更坚硬和更抗破裂的需要。通常采用薄塑料结构体和少量接合件形 成的较轻的封罩倾向于更为柔软，且与更坚固和更硬质的封罩相比更容易褶皱和弯曲，而 坚固和更硬质的封罩通常采用较厚的塑料结构体和更多接合件组成，由此更厚且更重。不 幸的是，更坚固和更硬质结构体所增加的重量可能会导致使用者的不满，而轻便结构体的 弯曲/褶皱则有可能对便携式计算设备的内部造成损伤。考虑到现有封罩或机壳中的上述问题而存在改进便携式计算设备的封罩或机壳 的需求。具体而言，需要比现有封罩设计更小、更轻、更坚固、更抗破裂和更美观的封罩。发明概述本发明中所揭示的一个实施方式涉及能进行无线通讯的便携式电子设备。所述便 携式电子设备包括围绕和保护该电子设备内部操作元件的封罩或机壳(下文中简称为“封 罩”)。该封罩由玻璃陶瓷材料组成，可透过该材料进行无线通讯。所述的无线通讯可为例 如，对应于RF通讯从而使得该玻璃陶瓷材料可被无线电波透射。本发明进一步涉及适于容纳或包封便携式电子设备的元件的制品，该制品包括玻 璃陶瓷材料，该材料同时具有射频和微波频率透射性(由小于0. 5的损耗角正切值和位于 15MHz 3. OGHz的频率范围所限定)，断裂韧度大于1. OMPa -m1/2,等双轴抗弯强度(R0R强 度)大于lOOMPa，努普硬度至少为400kg/mm2，导热性小于4W/m°C，且孔隙度小于0. 1 %。玻璃陶瓷制品封罩可用于各种消费者电子制品中，例如能进行无线通讯的手机和 其它电子设备、音乐播放器、笔记本电脑、游戏控制器、计算机鼠标、电子书阅读器和其它设备。已发现将该玻璃陶瓷制品封罩持于手中时具有“愉悦感”。发明详述如下文所述，工业上对于成本更低廉、更小、更轻、更坚固、更抗破裂和更美观的电 子设备封罩的需求可通过将耐用玻璃陶瓷制品用作外壳或封罩而得以实现。这些玻璃陶瓷 封罩尤其适用于前述的电子设备，例如手机、音乐播放器、笔记本电脑、游戏控制器、计算机 鼠标、电子书阅读器和其它设备。这些玻璃陶瓷材料与现有材料(例如塑料和金属)相比 具有某些优点，例如轻便和/或抗撞击损伤(如产生凹痕)。此外，本文所描述的玻璃陶瓷 材料不仅耐用，还可制成诸多颜色，该特性在迎合终端消费者的期望和需求中非常有用。最 后，与目前用于封罩(尤其是金属封罩)的许多材料不同的是，采用玻璃陶瓷材料不会干扰 或阻碍无线通讯。如本文所用，术语“封罩”和“机壳”可互换使用。适用于容纳或包封便携式电子设备元件的玻璃陶瓷材料可用各种玻璃陶瓷材料 制成。具体而言，本申请中可采用众多玻璃陶瓷组分家族。虽然存在基于硼酸盐、磷酸盐和 硫属化物的玻璃陶瓷类且它们可用于本发明的实践中，但本申请中优选的材料包括硅酸盐 基组合物，这是因为硅酸盐材料通常具有优异的化学耐用性和机械性能。材料的选择通常由许多因素决定，这些因素包括但不限于射频和微波频率的透 射性、断裂韧度、强度、硬度、导热性和孔隙度。与玻璃陶瓷材料相关的成形性(和重塑性)、 机械加工性、精加工、设计适应性、和制造成本也是决定何种具体的玻璃陶瓷材料适于用作 电子设备机壳或封罩所必须考虑的因素。此外，材料的选择还取决于美观，包括颜色、表面 光洁、重量、密度(除了其它方面的因素以外)，下文中将对这些特性进行讨论。在一个具体实施方式
中，适于用作电子设备封罩的制品包含玻璃陶瓷材料，该材 料同时具有射频和微波频率透射性(由小于0. 5的损耗角正切值(loss tangent)和处于 15MHz 3. OGHz的频率范围限定)，该材料的断裂韧度大于1. OMPa · m1/2,等双轴抗弯强度 (下文中称为环对环(ring-on-ring)或ROR强度)大于lOOMPa，努普硬度至少为400kg/ mm2,导热性小于4W/m°C，且孔隙度小于0. 1 %。该ROR强度根据ASTM :C1499_05中所记载 的过程测定。在优选的实施方式中，当所用玻璃陶瓷材料用于透明封罩时，其断裂韧度可高达 1. 2MPa · mV2，而当该玻璃陶瓷材料不透明时，其断裂韧度可高达5. OMPa · m1/20对于要用作便携式电子设备封罩的任何玻璃陶瓷材料而言，一个重要的标准是该 材料应能方便地制成三维形状(即，非平面制品)。已知三维玻璃陶瓷部件可用三种方式中 的一种制成；可由玻璃陶瓷材料直接形成最终形状(例如，模塑)，或者可先将玻璃陶瓷材 料形成中间形状，然后再通过机器加工或重塑形成最终所需的形状。如前所述，有效获得三维形状的一种途径是选择具有良好机械加工性的玻璃陶瓷 材料。就此而言，其应当能够方便地采用常规/标准高速金属加工工具(如钢、碳化物和/ 或金刚石修整器(tool))以高容差(tolerance)机械加工成所需的封罩形状，而不会导致 这些工具的不合理磨损。此外，具有良好机械加工性的玻璃陶瓷在采用上述工具的高速机 械加工后，将具有最小的凹陷、碎片和破裂损坏。含有云母结晶相的玻璃陶瓷是具有优异机 械加工性的玻璃陶瓷材料的一个例子。此外，如前所述，希望所用的玻璃陶瓷材料能够方便地成形或重塑成所需的三维 形状封罩。该成形或重塑方法通常是通过采用标准加工技术完成的，所述技术为例如压制、流坠(sag)、吹塑、真空流坠、浇铸、薄片铸造(sheet coin)和粉末烧结。这些成形和重 塑将所需后续精加工(例如抛光)的数量减至最少。对于制造复合三维形状物(例如机壳或封罩)的重塑方法，重塑步骤可涉及先将 玻璃陶瓷材料制成中间形状，然后将该中间玻璃陶瓷制品再次加热到其残留玻璃的工作温 度以上，从而使得玻璃陶瓷部件可再成形(流坠、拉伸等)，而玻璃陶瓷的整体微结构和性 质上没有变化。在制品的另一个实施方式中，具体(涉及)具有射频和微波频率透射性的电子设 备封罩，所述透射性由15MHz 3. OGHz的频率范围的小于0. 03的损耗角正切值来限定。在 其它实施方式中包括具有射频和微波频率透射性的电子设备封罩，所述透射性由15MHz 3. OGHz的频率范围内的损耗角正切值小于0. 01和小于0. 005所限定。该射频和微波频率 的透射性特征对于包含位于该封罩内部的天线的无线手持设备尤其重要。射频和微波频率 的透射性使得无线信号可穿过该封罩，且在某些情况下可增强这些透过。在另一实施方式中，该电子设备机壳或封罩包含玻璃陶瓷，其断裂韧度大于 1. OMPa · m1/2, ROR 强度大于 150MPa，优选大于 300MPa。现在对导热性特征进行具体讨论，应注意到所需水平的导热性(尤其是小于4W/ m°C )似乎可使得封罩在接触甚至高达接近100°C的高温时保持低温。优选地，导热性小于 3W/m°C，和小于2W/m°C是所需的。某些合适的硅酸盐玻璃陶瓷(下文中将具体讨论)的代 表性导热性*(单位为W/m°C )如下堇青石玻璃陶瓷3. 6β 锂辉石(Corningware) 2. 2β 石英(Zerodur)1. 6钙硅石(实施例9-下文)1.4可机械加工的云母(Macor) 1. 3*( #JALA. McHale, Engineering properties of glass-ceramics (
工程学性质”)，于Engineered Materials Handbook (《工程材料手册》)，第4卷，Ceramics and Glasses ( “陶瓷和玻璃”)，美国材料信息学会(ASM International) 1991.)其它具有必不可少的导热性特征的玻璃陶瓷包括二硅酸锂基和硅碱钙石玻璃陶 瓷，这两种材料的导热性值预期小于4. 0W/mV。作为比较，应注意到诸如氧化铝的陶瓷可能 具有高达四的不为所需的导热性。透明封罩也是有利的，尤其是在400-700nm可见光谱下透明，且对Imm厚度具有> 50%透射的玻璃陶瓷材料。在玻璃陶瓷制品(尤其是封罩)的另一方面中，可对其进行离子交换加工。对玻璃 陶瓷制品的至少一个表面进行离子交换加工，从而使得经过离子交换(“IX”)的表面具有 压缩层(compressive layer)，该压缩层的层深度(DOL)大于或等于制品总体厚度2%、且 抗压强度至少为300MPa。本领域中已知的任何离子交换方法均是适合的，只要能获得上述 DOL和抗压强度。该方法包括但不限于将玻璃陶瓷制品浸渍在熔化的锂、钠、钾和/或铯的 硝酸盐、硫酸盐和/或盐酸盐浴中或它们任何组合的浴中。将该浴和样品保持在高于该盐 熔化温度但低于其分解温度的恒温下，通常为350 800°C。普通玻璃陶瓷离子交换所需的 时间可为15分钟 48小时，这取决于离子通过结晶相和玻璃态相的扩散率。在某些情况下，可采用一种以上离子交换方法使得给定的玻璃陶瓷材料产生特定的应力分布(stress profile)或表面压应力。在一个更为具体的实施方式中，该封罩的总体厚度为2mm，压缩层的DOL为40 μ m 且其压应力至少为500MPa。再次说明，本领域普通技术人员已知的可获得这些特性的任何 离子交换方法均是适合的。应注意到除了单步离子交换加工外，多重离子交换方法也可用于产生设计的离子 交换状态以增强性能。即，采用不同浓度离子的离子交换浴或采用多种具有不同离子半径 的离子类型进行多重离子浴，可产生至所选深度的应力分布。此外，在离子交换之前或之后 可采用一种或多种热处理来定制应力分布。如前所述，用作电子设备封罩的优选玻璃陶瓷材料包括硅酸盐基组合物，这是因 为此类材料具有优异的化学耐用性和机械加工性质。硅酸盐材料家族中存在诸多组合物家 族(参见 L. R. Pinckney，“Glass-Ceramics” (玻璃陶瓷)，Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (《柯克-欧沙玛化学技术百科全书》)，第四版，第12卷，John Wiley and Sons (约翰威立国际出版公司)，627-644，1994)。适用于本发明的具体的玻璃陶瓷包括但不限于，基于如下的玻璃陶瓷(1)简单硅酸盐晶体，例如二硅酸锂(Li2Si2O5)、顽辉石(MgSiO3)和钙硅石 (CaSiO3)；(2)硅铝酸盐晶体，例如源自 Li20-Al203-Si02、MgO-Al2O3-SiO2 和 Al2O3-SiR 体系 的那些，其晶核玻璃包括填塞β -石英、β -锂辉石、堇青石和莫来石；(3)氟硅酸盐晶体，例如碱和碱土云母以及链硅酸盐，如钾碱镁闪石和硅碱钙石； 以及(4)硅酸盐晶核玻璃内的氧化物晶体，例如基于尖晶石固溶体的玻璃陶瓷(例如 (Zn，Mg) Al2O4)和石英(SiO2)。表I中给出了适用于机壳的玻璃陶瓷材料的代表性例子。这些玻璃陶瓷中的大部 分能形成内部晶核，其中主晶相在起始晶相上或相分离区域内成核。对于某些玻璃陶瓷材 料(如基于钙硅石的那些)，优选采用标准粉末加工(玻璃料烧结)方法。如果需要，可将 着色剂(如过渡金属氧化物)加入所有这些材料中，并可将所有材料上釉。在最广泛的实施方式，表I的代表性实例中包括本发明的组合物，这些组合物基 本上由以下组分组成(以批量为基础计的氧化物重量百分比)40-80% Si02、0-28%A1203、 0-8% B203>0-18% Li20,0-10% Na2O^O-Il % K20,0-16% Mg0、0_18% Ca0、0_10% F,0-20% Sr0,0-12% Ba0,0-8% Zn0、0_8% P2O5,0-8% TiO2,0-5% ZrO2 和 0-1% Sn02。此外，表1中所揭示的是各代表性组合物中已获得/已测定某些代表性的性质； 应变点(应变)、退火点(退火)、密度(密度)、液线温度(液线温度)、环对环等双轴抗弯 强度(R0R强度)、经离子交换的环对环等双轴抗弯强度(IX ROR强度)、断裂韧度(断裂韧 度)、弹性模量(模量)、剪切模量(S模量)和泊松比(P比)努普硬度(努普H).表 I
权利要求
1.一种适于容纳或包封便携式电子设备元件的制品，所述制品包含同时具有射频和微 波频率透射性的玻璃陶瓷材料，该透射性由小于0. 5的损耗角正切值和15MHZ-3. OGHz的频 率范围所限定，该材料的断裂韧度大于1. OMPa M1^ROR强度大于lOOMPa，努普硬度至少为 400kg/mm2,导热性小于4W/m°C，且孔隙度小于0. 1 %。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，在用钢、碳化物和/或金刚石修整器机械加 工时，所述玻璃陶瓷具有良好的机械加工性。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷具有射频和微波频率透射性， 该透射性由在15MHZ-3. OGHz的频率范围内小于0. 03的损耗角正切值所限定。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷具有射频和微波频率透射性， 该透射性由在15MHz 3. OGHz的频率范围内小于0. 01的损耗角正切值所限定。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，对于透明玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷的断裂韧 度大于1. 2MPa · m1/2，对于不透明玻璃陶瓷，其断裂韧度高达5. OMPa · m1/20
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷的ROR强度大于150MPa。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷的ROR强度大于300MPa。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷的导热性小于3W/m°C。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷的导热性小于2W/m°C。
10.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷在400-700nm的可见光谱中 透明，穿过Imm厚度的透射> 50%。
11.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷是硅酸盐基玻璃陶瓷，主要 的结晶相选自二硅酸锂、顽辉石和钙硅石。
12.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷是硅铝酸盐基玻璃陶瓷，主 要的结晶相选自填塞β-石英、β-锂辉石、堇青石和莫来石。
13.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷是氟硅酸盐基玻璃陶瓷，主 要的结晶相选自钾碱镁闪石和硅碱钙石。
14.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷由位于硅酸盐晶核玻璃前体 中的氧化物结晶组成，主要的结晶相选自尖晶石固溶体和石英。
15.如权利要求1所述的制品，其特征在于，对所述玻璃陶瓷制品的至少一个表面进行 离子交换处理，其中经离子交换的表面具有压缩层，该压缩层的层深度(DOL)大于或等于 制品总体厚度的2 %，且抗压强度至少为300MPa。
16.如权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品的总体厚度为2mm，压缩层的DOL 为 40 μ m0
17.如权利要求15所述的制品，其特征在于，所述制品的压缩层的压应力为500MPa。
18.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品可用选自下组的标准加工技术形 成压制、流坠、真空流坠、浇铸、薄片铸造和粉末烧结。
19.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃陶瓷在低于1275°C的温度时的液 线粘度大于50泊。
20.如权利要求1所述的制品，其特征在于，以批料为基准计的氧化物重量百分比表 示，所述玻璃陶瓷基本上由以下组分组成40-80% SiO2,0-28% Al203>0-8% B203、0_18% Li2O^O-IO% Na2O^O-Il % K20,0-16% Mg0、0_18% Ca0、0_10% F2,0-20% Sr0,0-12% BaO,0-8% ZnO、0-8% P2O5>0-8% TiO2,0-5% ZrO2 ^P 0-1% SnO2。
全文摘要
本发明涉及适于用作电子设备机壳或封罩的玻璃陶瓷制品，该制品包含玻璃陶瓷材料。具体而言，本发明涉及包含玻璃陶瓷材料的玻璃陶瓷制品机壳/封罩，所述玻璃陶瓷材料同时具有射频和微波频率透射性(由小于0.5的损耗角正切值和15MHz～3.0GHz的频率范围所限定)，其断裂韧度大于1.5MPa·m1/2，等双轴抗弯强度(ROR强度)大于100MPa，努普硬度至少为400kg/mm2，导热性小于4W/m℃，且孔隙度小于0.1％。
文档编号C03C21/00GK102089252SQ200980125880
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月3日
发明者G·H·比尔, J·阿明, K·R·罗辛顿, L·F·比尔, L·R·平克尼, M·J·德杰纳卡 申请人:康宁股份有限公司