用掩膜的低温气体喷射法的制作方法

本发明涉及一种通过低温气体喷射给承载构件(“承载构件”亦可称为“载体构件”)涂层的方法。在此方法中，在涂层前将掩膜铺设在承载构件上，以及在此掩膜的掩膜孔区域内将一种材料涂敷在承载构件上，此时，这种材料完全填满掩膜孔。

背景技术：

低温气体喷射是一种已知的方法，在此方法中规定用于涂层的粒子借助收敛-扩散喷嘴优选地加速到超音速，因此粒子基于其冲压动能保持附着在要涂层的表面上。在这里利用粒子的动能，它导致粒子塑性变形，在这种情况下涂层粒子在入射时仅在其表面熔化。因此相比于其他热喷射法将这种方法称为低温气体喷射，因为它在比较低的温度下实施，此时涂层粒子基本上保持固态。优选地，为了低温气体喷射，它也称为动力喷射，使用低温气体喷射设备，它有气体加热装置用于加热气体。在气体加热装置上连接滞止室，它在出口侧与收敛-扩散喷嘴，优选拉瓦尔喷管连接。收敛-扩散喷嘴有一个聚合的分段和一个扩张的分段，它们通过喷嘴的临界截面连接。收敛-扩散喷嘴在出口侧产生形式上为内含粒子的高速，优选地超音速气流的粉末射束。

由现有技术已知一种前言所述类型的方法。按de102004058806a1例如规定，在一个制冷体上能形成至少一个具有一定结构的电绝缘层和一个具有一定结构的导电层。为此使用掩膜，它们的孔按这种结构设计。所述具有一定结构的涂层用作电路结构，为此目的它们必须满足一些电路要求，例如规定的导体横截面。这些涂层可以在多个涂层面内重叠。

由d.-y.kim等人的论文“coldspraydepositionofcopperelectrodesonsiliconandglasssubstrates”,journalofthermalspraytechnology,vol.22,october2013已知，采用低温气体喷射并借助铺设在底物上的掩膜制造印刷电路板上的线路，然而会甩出这样的问题，为此所需的掩膜有宽度较小的掩膜孔。在这里，掩膜孔宽度与掩膜厚度之比，造成低温气体射束在掩膜孔内使粒子难以沉积的流动状况。这是因为在掩膜壁上形成回流，它导致被沉积材料的三角形横截面，此横截面的尖顶处于掩膜孔中心以及面朝低温气体射束。在掩膜孔壁本身却没有材料粘附。对于制造印制线路重要的是，印制线路的横截面适用于传输所要求的电流，与之相比，所制成的横截面形状起次要作用。

为避免在掩膜孔内出现不利于沉积例如矩形截面的流动状况，按k.-r.ernst等人的论文“anwendundsvielfaltdeskaltgasspritzens”,tagungsbanddergemeinschaftthermischesspritzene.v.,druck:gerdfriedwolfertstetter,gilching2012建议，不必在承载构件上铺设用于低温气体喷射的掩膜，而是可以离承载构件有一定距离处固定掩膜。然而，在掩膜离承载构件距离增加时，这一措施导致被喷射面的侧面总是进一步慢慢结束。因此在掩膜孔内制成的结构横截面同样不是矩形，而是近似梯形。

技术实现要素：

本发明的目的在于，改进低温气体喷射法，使之能得到一种涂层成果，按本方法能制成具有较高精度的侧面几何形状。

所述目的通过前言所述方法按本发明采取下述措施达到，亦即在一个工艺步骤中，在材料涂敷后(材料因而处于掩膜孔内并同样可能沉积在掩膜孔边缘上)实施去除处理，在此过程中，去除涂敷在掩膜(面朝低温气体射束的)上侧水平面上方的材料。在另一个工艺步骤中，按本发明在掩膜上铺设另一个掩膜，以及在此掩膜的掩膜孔区域内将材料(这种材料可以有与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。通过去除在先前工艺步骤中的材料，可以将另一个掩膜铺设在先前的那个掩膜由此已平整的表面上。在掩膜孔的区域内也形成一个平的表面，它准确地处于已填满的那个掩膜表面的平面内。因此，也可以将材料再次完全填满所铺设的另一个掩膜。

这两个最后提到的工艺步骤可以多次实施，直至在承载构件上涂敷的材料达到要求的(亦即结构规定的)厚度。由此结束涂层并可以除去掩膜，在承载构件上留下涂层成果。使用多个掩膜突出的优点在于，可以与涂层成果的厚度无关，只按照流体动力学有利充填材料的观察角度拟定掩膜的厚度。换句话说，多个掩膜上下重叠，以制成涂层成果所要求的厚度。每个掩膜在这里逐个充填，在这里通过选择掩膜厚度保证完全填满。此外，通过接着去除多余的材料还保证，相邻的掩膜足够紧密地互相贴靠，由此涂层结构的相应分区能够无干扰地构成。通过完全填满各掩膜，所制成的涂层形成有利的侧面，它们直接贴靠在掩膜孔的壁上。因此有利地通过低温气体喷射还能制成一些结构，它们的侧边界准确垂直于承载构件表面延伸。尤其是，当相邻掩膜的掩膜孔总是完全重叠时，还能制成柱状结构。

相邻掩膜的掩膜孔一般必须至少在部分区域内叠叉，以形成整体式涂层成果。当然，在承载构件上可以造成多个这种互不接触的涂层成果。当上下相继的掩膜有全等的掩膜孔或逐渐减小、完全重叠的掩膜孔，则附加得到的优点是，在涂层结束后能非常容易从构件除去掩膜。也就是说，此时它们能方便地向上(亦即从承载构件垂直离开)扯掉，因为在制成的涂层成果中没有构成侧凹。

按本发明一种有利的设计规定，由材料构成的涂层成果与承载构件分离。涂层成果有利地因而本身意味着是一个构件，它在与承载构件分离后可以用作它用。承载构件(亦可称为“载体构件”)本身因而仅理解为是涂层成果的构建平台。

有利地，按本发明的方法因此可利用作为构件的生殖制造方法。为了准备实施这种方法，按本发明的一种设计可以规定，掩膜孔的设计在考虑到用于构件的掩膜厚度的情况下按以下所述确定，亦即将构件的几何尺寸通过计算分解为重叠的盘。为此常用的计算方法是众所周知的并优选地基于要制造构件的cad模型。在按本发明方法已提及的设计中，构件经计算得出的盘，准确给定掩膜孔的体积。因此在确定盘的厚度时，便可以考虑掩膜应有什么厚度。

作为替代方式，按本发明的方法当然也可以用于提供具有一定结构的涂层的构件。这种例如可在机器中使用的构件，在按本发明方法的这种方案中意味着是所述的承载构件。在这种情况下涂层成果是在该承载构件上要制造的具有一定结构的涂层。

按本发明的一种特殊的设计规定，至少部分掩膜有最大为1mm的厚度。厚度为1mm的掩膜业已证明有良好的妥协性，从而也能制造具有所要求精确度的更精细的结构。当然并非无例外地需要所有的掩膜均有最大为1mm的厚度。沿低温气体射束方向看有较大横截面积的那些涂层成果的部分区域，也可以制有比较大的掩膜孔。在这种情况下也可以实现较大的掩膜厚度，从而在按本发明的方法中可以节省总的工艺步骤。由此在方法使用中有利地提高经济性。

在使用较厚的掩膜时，按一种有利的设计可以规定，至少掩膜之一分多个步骤充填。在材料沉积的各个步骤后实施去除工艺，此时去除处于掩膜上侧水平面上方沉积的材料。在这里会涉及在形成的涂层成果中已经超过掩膜的上侧平面突出的不平度。此外在这里还会涉及在掩膜边缘旁掩膜上侧形成的材料颗粒的沉积。这些在逐渐生长的情况下对涂层成果的构成带来负面影响，因此可有利的是，在充填掩膜时在其间总是反复将它们去除。

所提及的沉积也在使用有较小宽度掩膜孔的薄掩模时形成。由于掩膜小的厚度，在充填深度较小的掩膜孔期间不发生它们的生长。因此在掩膜孔用材料完全填满后清除沉积，使随后的掩膜能铺放在平的底物上便足够了，所述平的底物可以通过处理掩膜和沉积材料的表面形成。

按本发明另一项设计规定，所有的、它们的掩膜孔至少沿一个方向有最大为1mm宽度的掩膜，有最大为1mm的厚度。作为替代也可以规定，在所有的掩膜中，掩膜厚度与掩膜孔最小宽度之比保持最大为1。在这里涉及掩膜有利的设计规则，它们防止已提及的在掩膜孔内形成不良流动状况并因而关系到掩膜孔有缺陷的材料充填。应考虑涂层成果的质量规定。具体而言，允许在要构成的涂层成果中形成的小孔不超过规定值，以便使涂层成果符合具体情况的质量要求。

为了能在使用情况下检验所选择的掩膜厚度的适合度，可有利地规定，至少掩膜之一允许的厚度通过以下所述确定，亦即掩膜用要加工的材料完全填满。在这之后接着检验由涂敷的材料构成的涂层成果是否达到要求的质量。在这里要求的质量必须通过能测量的参数说明。例如可以采用涂层成果的密度。它提供有关涂层成果中气孔份额的说明。还可以检验气孔尺寸本身，因为尤其在掩膜孔的壁区内会吸附气孔和/或出现体积较大的气孔。这些例如可以通过制成磨片或磨样检验。

为了检验可以制造要么试样要么有待制成的涂层成果本身。若涂层成果满足质量要求，则可以用厚度较大的掩膜重复检验。这种检验因此可包含多个叠代步骤。作为替代方式当然也可以使用本方法，以确认所选择的掩膜厚度的适宜性，不用沿较大的掩膜厚度方向通过其他叠代步骤充分利用可能的空隙。

有利的是，掩膜确定的适用厚度与涂层的工艺参数一起储存在数据库内。由此在后续的过程中易于确定掩膜的厚度，因为可以动用经验知识。它包含下述有关的信息，亦即掩膜孔的几何尺寸和掩膜厚度，以及被处理的材料和低温气体喷射设备所调整的涂层参数，如粉末输送速度、粉末类型和气体温度、气体压力及使用的气体载体类型。

若至少一个掩膜设计为分成多个部分，其中分界缝从掩膜外边缘延伸到掩膜孔，则得到本发明的一项特殊设计。它们设置为，使这些掩膜部分能平行于其上侧彼此拉开。这种设计的优点是，这些掩膜部分能便于与涂层成果分离。尤其是，当涂层成果有侧凹时，不可能如上面说明的那样向上从承载构件扯掉掩膜。当然，若朝涂层成果侧面有足够的位置，则掩膜构件至少在侧凹小的情况下可以所谓的向侧向抽拉，并由此脱开涂层成果。

向上或部分朝侧向除去掩膜有突出的优点，它们在方法后续的过程中可以再次使用。此外还有可能在短时间内除去掩膜。当然若不可能整个或部分除去掩膜，则还存在可能性将掩膜破坏。若它们与涂层成果不同，例如由非贵重的材料制成，则允许将它们化学或电化学溶解。

附图说明

下面借助附图说明本发明的其他详情。图中相同或相应的元件总是采用相同标记，并就此而言仅多次说明在各附图之间有什么差别。其中：

图1至7用示意剖面图表示按本发明制造柱状结构用方法的一种实施例所选择的工艺步骤；

图8至15用示意剖面图表示按本发明用于制造具有侧凹的构件的方法的另一种实施例所选择的工艺步骤；

图16表示具有分界缝的掩膜的俯视图；以及

图17表示一种可能的构件的实施例的三维图。

具体实施方式

按本发明方法的工艺步骤一般可如下所述。工艺准备包括制造掩膜，在这里事先确定各掩膜的掩膜厚度。

本方法一开始在承载构件上铺设第一个掩膜，以及通过低温气体喷射用要喷射的材料进行充填。接着从形成的现有涂层成果和掩膜上侧去除多余的材料。然后铺设下一个掩膜并再次通过低温气体喷射进行充填。在这里，掩膜的厚度保证，能直接在铺设后，在(承载构件或先前沉积的材料)它们已清理干净的表面上，能够直至掩膜边缘无空穴地(或无缺陷地)沉积一个喷射层。在重新去除多余的材料后可以检验，掩膜孔是否已完全填满。换句话说，应确定在掩膜孔内部喷射的表面在去除多余材料后是否处处均与掩膜表面平齐。这例如也可以通过光学自动检验法保证。如果不是这种情况，则可以在铺设下一个掩膜前，实施另一次低温气体喷射以及铣削多余量。直至对涂层成果满意，亦即掩膜孔已完全填满，并在结构尚未制成时，才铺设下一个掩膜。在最后一个掩膜充填并去除多余的材料后，便可以对涂层成果是否最终制成的问题给予肯定的答复。

在图1中可以看出，如何在承载构件11上铺设第一个掩膜12。它有掩膜孔13，在按图1的工艺步骤中正在用材料14充填掩膜孔13。这通过没有详细说明的低温气体喷射法实现。在图1中仅表示一个收敛-扩散喷嘴15，它是图中未表示的低温气体喷射设备的组成部分。喷嘴15将粒子射束16对准承载构件11，此时不仅掩膜12的掩膜孔13而且在掩膜孔13边缘旁的掩膜12表面，均提供材料14的沉积涂层。

在图2中可以看出，借助铣刀头19去除按图1多余的材料。为此铣刀头19沿箭方向在表面18上运动，在图2中还可以看出，掩膜孔13已完全用材料填满。

在图3中表示紧接的两个工艺步骤。在第一个掩膜12上铺设另一个掩膜12a，此掩膜12a的掩膜孔13与掩膜12的掩膜孔准确对齐。借助喷嘴15再次沉积材料，直至重新完全填满掩膜孔13。

在图4中可以看出，多余的材料借助铣刀头19再次除去(类似于图2所示的工艺步骤)。

在图5中可以看出，类似于图3实施另外两个工艺步骤，此时首先铺设掩膜12b，它借助图中未表示的喷嘴15充填材料14。现在铣刀头19正在从掩膜12b表面18除去多余的材料14。此另一个掩膜12b的掩膜孔13与先前的两个掩膜孔全等。

按图6可以看出，材料14现在填满全部三个掩膜孔13。这时构件已制成，所以掩膜12、12a、12b可以按图中表示的箭头向上取走。这是能够轻易做到的，因为材料14有带垂直侧面的柱状结构(棱柱形)。

由图7可以看出，在承载构件11上留下作为涂层20的材料14。承载构件11现在可以发挥其作用。作为示例在图17中表示一种可能的承载构件。它可以是铸造符号用的模具。在这里承载构件11可以将一个平面提供使用，在此平面上作为涂层20构成要铸造的符号。

在图8至15中表示一种方法，按此方法得到的涂层成果是一个构件21(参见图15)。本方法与按图1至7所示方法的工作过程基本相同，在这里仅再次详细说明其不同点。

按图8和图9的工艺步骤类似于按图1和图2的工艺步骤进行。

与图3不同，按图10铺设另一个掩膜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个侧凹22，它在图14和15中可以看得更清楚。按图11去除材料类似于图4进行。

图12与图5的差别再次在于，配备另一个掩膜12e，它有比掩膜12d大的掩膜孔13。因此，在图13中能看到的由材料14制成的涂层成果总体上有蘑菇的形状。它使掩膜12、12d、12e难以取走。若它们有图中没有详细表示的垂直于图纸平面的分界缝，从而将它们设计为分成两个部分(参见图16)，则各半个掩膜可以按图13沿所勾画的两个箭头方向，平行于承载构件11表面抽出。

然而，由材料14制成的涂层成果也可能有一种不允许侧向抽出掩膜分部的几何形状。在这种情况下，在图14中表示掩膜12、12d、12e如何也能在电化学槽25中溶解，此时在图14中不再能看到掩膜，因为它们已经被溶解。在随后的、图中没有进一步表示的步骤中，如此形成的构件21例如可以通过电火花切割从承载构件11取下，承载构件11在本工艺方案中仅用作构建平台。制成的构件21表示在侧视图15中。

图16表示一个设计为分成两个部分的掩膜12f。它例如能用于图13所示的方法。掩膜12f有两个可通过分界缝24分开的半掩膜23。在掩膜孔13中制造的构件，即使位于上方的掩膜基于较大或超覆的掩膜孔从而在要制成的构件内构成侧凹时，也不妨碍除去掩膜。但前提条件是侧凹不过大(亦即，从掩膜到掩膜的“侧凹阶跃”)，否则它导致材料沉积在造成侧凹的掩膜上。也就是说，由此将掩膜粘附在涂层成果上，必须通过掩膜的拉脱力克服粘附。