专利名称：用于电子设备的耐久性玻璃机壳/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久性机壳或封罩的玻璃材料。具体地，本发明涉 及具有高强度、低热导率以及近顶、射频和微波频率透过性的离子交换玻璃制品，其适合用 作电子设备的耐久性机壳或封罩。
背景技术：
过去十年，便携式电子设备如膝上型电脑、PDA、媒体播放器、蜂窝电话等(经常称 作“便携式计算设备”)变小、变轻、功能强大。推动这些小设备的开发和供应的一个因素是 制造商有能力将这些设备的电子组件缩小到越来越小的尺寸，同时增强这些组件的功能和 /或加快其运行速度。不过，将设备做得更小、更轻、功能更强的趋势给便携式计算设备的一 些组件的设计持续带来挑战。在便携式计算设备的设计方面，一个特别的挑战是用来容装设备的各种内部组件 的封罩。这种设计上的挑战一般来自两个相互冲突的设计目标——既希望把封罩做得更 轻、更薄，又希望把封罩做得更结实、更坚固。要使封罩更轻，通常采用薄塑料结构和少量紧 固件，因而它越柔韧，容易擦伤，更容易弯曲变形，这与通常采用更厚的塑料结构和更多紧 固件，因而更厚、更重但更结实和坚固的封罩相反。遗憾的是，更结实、更坚固的结构重量增 加，可能令使用者不满意，而更轻的结构发生弯曲/变形可能损坏便携式计算设备的内部 部件。鉴于现有封罩或机壳遇到的前述问题，人们需要经过改善的便携式计算设备封罩 或机壳。具体地，人们需要比当前的封罩设计更具性价比、更小、更轻、更结实且更美观的封罩。
发明内容
在一个实施方式中，本发明涉及能进行无线通信的便携式电子设备。便携式电子 设备包括包绕和/或保护电子设备内部运行组件的封罩/机壳或保护性覆盖物。封罩/机 壳/覆盖物由允许无线通信穿越的玻璃材料组成。无线通信可以是例如红外(IR)、RF和微 波通信，而玻璃材料可以透过顶、微波和射频，从而允许无线通信穿越。本发明还涉及适合容装、封闭或覆盖便携式电子设备的组件的制品，所述制品包 含离子交换玻璃，其压缩层具有大于或等于20 μ m的层深(DOL)。所述玻璃材料还具有特 定的性质，使得它特别适合用作电子设备的机壳/封罩/覆盖物。具体地，使此玻璃适用 于机壳/封罩/覆盖物的那些性质包括(1)射频和微波频率透过性，其限定条件是损耗 角正切值小于0. 03，频率范围在15MHZ-3. OGHz之间；(2)红外透过性；(3)断裂韧性大于0. 6MPa ‘ m1/2 ； (4)四点弯曲强度大于350MPa ； (5)维氏(Vickers)硬度至少为450kgf/mm2, 维氏中间/径向(median/radial)裂纹引发阈值至少为^gf ； (6)杨氏模量在约50_100GPa 之间的范围内；(7)热导率小于2. 0W/m°C ；以及⑶至少以下特性之一⑴层深(DOL)较 大的压缩表面层和大于400MPa的压缩应力，或者(ii)超过20MPa的中心张力。在一些实施方式中，玻璃制品机壳/封罩或覆盖物的厚度小于2mm，长宽比大于25 比1 (即长、宽或直径的最大尺寸大于厚度的25倍)。离子交换玻璃制品可用于许多日用电子制品中，例如蜂窝电话及其他能进行无线 通信的电子设备，音乐播放器，笔记本电脑，PDA，游戏控制器，计算机“鼠标”，电子书阅读器 及其他设备。发明详述如下文将要描述的，通过用耐久性玻璃制品作为日常电子用品如蜂窝电话、音乐 播放器、笔记本电脑、游戏控制器、计算机“鼠标”、电子书阅读器及其他设备的外壳或封罩 /机壳/覆盖物，可以满足工业上对性价比更高、更小、更轻、更结实、更美观的机壳、封罩或 保护性覆盖物的需求。这些玻璃材料相比于目前的材料如塑料和金属，具有某些优点，如重 量和/或耐冲击损伤(例如凹陷)和擦伤。此外，本文所述玻璃材料不仅具有耐久性，而且 不同于目前用于机壳/封罩/覆盖物的许多材料，特别是金属机壳/封罩，使用玻璃材料不 影响无线通信。本文所用术语“封罩”和“机壳”以及“覆盖物或保护性覆盖物”可互换使用。另
外，本文所用表述“本发明组合物主要由......组成，在批量基础上，以氧化物计的摩尔百
分数为......”是指用来制备玻璃的材料中可能存在杂质如铁、镍、钴及其他元素，但除非
出于颜色的需要，它们不是为形成玻璃组合物而引入，也不能理解成为形成玻璃组合物而 特意加入。适用于容装/密封或保护/覆盖便携式电子设备的组件的玻璃材料优选由碱性铝 硅酸盐玻璃组成，因为这种类型的玻璃一般具有充分的化学和机械耐久性，以适应这种容 装/密封/覆盖应用，特别是与基于塑料及其他非碱性玻璃的机壳/封罩/覆盖物相比时； 在下文中，术语“封罩”涵盖机壳、封罩或保护性覆盖物。材料的选择一般取决于许多因素，包括但不限于射频和微波频率透过性、四点弯 曲强度、劲度/杨氏模量、硬度、压裂阈值、热导率、压缩层深度(DOL)、表面压缩应力和中心 张力。与此玻璃材料相关的形成性、精整性、设计灵活度和制造成本也是影响特定玻璃材料 是否适合用作电子设备封罩的因素。此外，材料的选择还取决于美观性，包括颜色、表面精
整度、重量等。在一个特定实施方式中，本发明包括适合用作电子设备封罩的制品，所述电子设 备封罩包含同时具有射频和微波频率透过性的离子交换玻璃材料，所述射频和微波频率透 过性限定为损耗角正切值小于0. 03，频率范围在15MHZ-3. OGHz之间，透红外，断裂韧性大 于0. 6MPa · m1/2,四点弯曲强度大于:350MPa，维氏硬度至少为600kgf/mm2，维氏中间/径向 裂纹引发阈值至少为^gf,杨氏模量在约50-100GI^之间的范围内，热导率小于2. 0ff/m°C。此外，所述玻璃制品封罩应具有至少以下特性之一 (i)层深(DOL)大于20μπι的 压缩表面层和大于400MPa的压缩应力，或者(ii)超过20MPa的中心张力。所述玻璃材料/封罩由具有至少一个离子交换表面的玻璃材料组成，所述离子交换表面可用本领域技术人员已知的任何离子交换方法形成，只要能达到上述DOL和压缩应 力就合适。在另一个示例性实施方式中，封罩或机壳的整体厚度为2mm，压缩层的DOL为 40 μ m，该压缩层的压缩应力至少为525MPa。同样，能实现这些特征的任何离子交换方法都 合适。具体地，玻璃制品内的中心张力CT可通过压缩应力CS计算。压缩应力CS在表面 附近(即在100 μ m以内)测量，得到最大CS值和压缩应力层的测量深度(在本文中也称 “层深”或“DOL”)。CS与CT之间的关系通过以下表达式给出CT = (CS · DOL) / (t_2D0L) (1)其中t是玻璃制品的厚度。除非另有说明，中心张力CT和压缩应力CS在本文中 用兆帕斯卡(MPa)表示，而厚度t和层深DOL用毫米表示。对断裂韧性超过0. 6MPa -m1/2的这种要求，加上20 μ m/表面压缩应力超过400MPa 组合(或CT超过20MPa)、维氏硬度/压痕阈值要求、四点弯曲强度大于350MPa，它们共同 作用，使得到的封罩体足够结实和经久耐用，从而经受典型的日常使用/应用的考验。前述 离子交换玻璃制品能够满足的这种耐久性特征的一种度量方法是看离子交换玻璃制品能 否满足标准下落测试要求，所述测试涉及从1米的高度数次(例如5次)冲击/下落到硬 表面如混凝土或花岗岩上。在另一个示例性实施方式中，所述制品，特别是电子设备封罩，具有射频和微波频 率透过性，其定义为在500MHZ-3. OGHz的频率范围内，损耗角正切值小于0. 015。对于封罩 内包含天线的手持式无线设备，此射频和微波频率透过性特征尤其重要。此射频和微波透 过性使无线信号能够穿过封罩/机壳封闭体，在一些情况下还能促进这些信号的传输。此 外，还可能适宜在红外范围内具有透过性，以实现电子设备之间的无线光通信；具体而言是 在750-2000nm的波长范围内，红外透过率大于80%。例如，IR通信可用来下载音乐文件到 便携式音乐播放器上，或者将锻炼数据从GPS或心率监控器上传到计算机上进行分析。本文所述玻璃封罩包含增强玻璃，该玻璃在压痕时变形主要是因为致密化作用而 不是因为剪切故障(shear faulting)。该玻璃变形时不存在表面下故障和径向裂纹，因此 较之于典型的离子交换玻璃，它更耐损伤，若通过离子交换增强，它更能抵抗剪切故障对裂 纹的引发。在一个实施方式中，所述玻璃封罩包含离子交换玻璃，其维氏中间/径向裂纹引 发阈值至少为5千克力(kgf)。在第二个实施方式中，所述玻璃封罩的维氏中间/径向裂纹 引发阈值至少约为IOkgf ；在第三个实施方式中，所述玻璃封罩的维氏中间/径向裂纹引发 阈值至少约为30kgf。在又一个实施方式中，电子设备机壳或封罩包含这样的玻璃，其断裂韧性大于 0. 70MPa -m172,四点弯曲强度大于475MPa，优选大于525MPa，杨氏模量/弹性在50_75GPa之 间的范围内。热导率在前述水平下，特别是小于2W/m°C时，有可能使机壳/热罩即使在接近高 达100°C的高温时，摸上去仍是凉的。较佳的是，玻璃机壳的热导率小于1.5W/VC。作为比 较，应当指出，陶瓷如氧化铝的热导率高达^W/VC。在一些实施方式中，所述玻璃制品具有透明表面，其限定条件是至少一个表面的 Ra粗糙度小于50nm，优选小于15nm。为达到此水平的表面粗糙度，一种选择是用标准抛光技术抛光表面，从而实现必要的表面粗糙度，使其小于50nm，优选小于15nm。或者，所述玻 璃制品可利用具有经过抛光或非织构化表面的模具形成，从而实现必要的表面粗糙度，使 其小于50nm，优选小于15nm。在其他一些实施方式中，所述玻璃制品看上去可以是不透明的，这意味着所述制 品的至少一个表面的Ra粗糙度在50nm-15 μ m之间。此不透明制品特征的优点是，所述玻 璃机壳/封罩制品具有有利的抗污性或耐指纹性(fingerprintresistant)。为实现此水 平的表面粗糙度，得到看上去不透明的制品，可对玻璃制品进行机械研磨(使用标准研磨 技术)，然后将其投入蚀刻步骤，除去在研磨步骤可能产生的任何表面下损伤。这种研磨步 骤/蚀刻步骤的组合可在实际形成制品期间或之后进行。或者，所述玻璃制品可用具有织 构化表面的模具形成，从而实现50nm-15 μ m之间的必要表面粗糙度。如上文所述，适合用作电子设备机壳或封罩的玻璃材料包含碱性铝硅酸盐玻璃材 料，因为它们具有充分的化学耐久性和机械性质，从而适用于此容装/密封应用，尤其是与 基于塑料及其他非碱性玻璃的机壳/封罩相比时。在最广义的实施方式中，在批量基础上，以氧化物的摩尔百分数计，适合用作电 子机壳/封罩的代表性广义碱性铝硅酸盐玻璃组成系列包含40-80% SiO2,0-28% Al2O3， 0-12 % B2O3,0-18 % Li20,0-10 % Na20,0-18 % K20,0-16 % MgO, 0—10 % MgF2,0—8 % CaO, 0-15% CaF2,0-20% SrO, 0-12% BaO, 0-8% ZnO, 0-4% P2O5,0-2% TiO2,0-5% ZrO2, 0-1% SnO2,0-1% Sb2O3'0-1% A&03。在较狭义的实施方式中，合适的封罩/机壳玻璃是能下拉(更具体地是熔合拉 制)成薄玻璃制品的碱性铝硅酸盐，所述薄玻璃制品随后可形成电子设备机壳/封罩。以 摩尔百分数(mol% )表示浓度，此碱性铝硅酸盐玻璃包含以下氧化物64 ( SiO2 ( 68 ； 12 彡 Na2O 彡 16 ;8 彡 Al2O3 彡 12 ;0 彡 B2O3 彡 3 ;2 彡 K2O 彡 5 ;4 彡 MgO 彡 6 ;0 彡 CaO 彡 5。 此外，66 摩尔 ％ 彡 Si02+B203+Ca0 彡 69 摩尔 ％ ；Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr0 > 10 摩尔 ％ ； 5 摩 尔％彡 MgO+CaO+SrO ( 8 摩尔%； (Na2CHB2O3)-Al2O3 ( 2 摩尔%；2 摩尔%( Na2O-Al2O3 ( 6 摩尔％ ；4摩尔％彡(Nii2(HK2O)-Al2O3彡10摩尔％。所述玻璃的液相线粘度至少为130千 泊(kpoise)，使该玻璃能够被下拉。本文所用“液相线粘度”是指熔融玻璃在液相线温度下的粘度，其中液相线温度是 指熔融玻璃从熔化温度冷却下来时第一次出现晶体的温度，或者温度从室温上升时最后的 晶体熔化的温度。下面展示了能被下拉(更具体地是熔合拉制)成薄玻璃制品，随后形成电子设 备机壳/封罩的合适的碱性铝硅酸盐的另一个具体实施方式
。该碱性铝硅酸盐玻璃具体 包含60-70 摩尔 % SiO2 ；6-14 摩尔 ％ Al2O3 ；0-15 摩尔 ％ B2O3 ；0-15 摩尔 ％ Li2O ；0-20 摩 尔 ％ Na2O ；0-10 摩尔 ％ K2O ；0-8 摩尔 ％ MgO ；0-10 摩尔 ％ CaO ；0-5 摩尔 ％ ZrO2 ；0-1 摩 尔 ％ SnO2 ；0-1 摩尔 ％ CeO2 ；少于 50ppm 的 Aii2O3 ；少于 50ppm 的 SId2O3 ；其中 12 摩尔 ％ 彡Li20+Na20+K20彡20摩尔％且0摩尔MgO+CaO彡10摩尔％。下面展示了能被下拉(更具体地是熔合拉制)成薄玻璃制品，随后形成电子设备 机壳/封罩的合适的碱性铝硅酸盐的又一个更具体实施方式
。该碱性铝硅酸盐玻璃具体 包含61摩尔SiO2 ^ 75摩尔％ ；7摩尔Al2O3 ^ 15摩尔％ ；0摩尔B2O3 ^ 12 摩尔％ ；9摩尔Na2O彡21摩尔％ ；0摩尔K2O彡4摩尔％ ；0摩尔MgO彡7摩尔％ ;0摩尔CaO彡3摩尔％。下面展示了能被下拉(更具体地是熔合拉制)成薄玻璃制品，随后形成电子设备 机壳/封罩的合适的碱性铝硅酸盐的最后一个具体实施方式
。该碱性铝硅酸盐玻璃具体包 含60-72 摩尔 ％ SiO2 ；9-16 摩尔 ％ Al2O3 ；5-12 摩尔 ％ B2O3 ；8-16 摩尔 ％ Na2O ；0-4 摩尔 ％ K2O,其中
权利要求
1.一种适合容装、密封或覆盖便携式电子设备的组件的制品，所述制品包含离子交 换玻璃，所述离子交换玻璃具有射频和微波频率透过性，其限定条件是损耗角正切值小于 0. 03，频率范围在15MHZ-3. OGHz之间；红外透过性；大于0. 60MPa · m1/2的断裂韧性；大于 350MPa的四点弯曲强度；至少为450kgf/mm2的维氏硬度；至少为5kgf的维氏中间/径向 裂纹引发阈值；在50-100GPa之间的杨氏模量；小于2. 0W/m°C的热导率；以及至少以下性 质之一(i)层深(DOL)大于或等于20μ m的压缩表面层和大于400MPa的压缩应力，或者(ii)超过20MPa的中心张力。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃在633nm处的折射率大于1.47。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃具有射频和微波频率透过性，其限 定条件是在500MHZ-3. OGHz之间的频率范围内的损耗角正切值小于0. 015。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃的断裂韧性大于0.75MPa · m1/20
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃的杨氏模量在50-75GPa之间。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃的四点弯曲强度大于475MPa。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃的维氏硬度至少为500kgf/mm2，维 氏中间/径向裂纹引发阈值大于lOkgf。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃的热导率小于1.5W/m°C。
9.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃制品是透明的，至少有一个表面的 Ra粗糙度小于50nm。
10.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃制品看上去是不透明的，至少有 一个表面的Ra粗糙度在50nm与15 μ m之间。
11.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃在750-2000nm波长范围内的近红 外透过率大于80%。
12.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述制品的总厚度为1.2mm，压缩层的DOL 在40-80 μ m之间的范围内，压缩层的压缩应力为525MPa。
13.如权利要求1所述的制品，其特征在于，所述玻璃是碱性铝硅酸盐玻璃。
14.如权利要求13所述的制品，其特征在于，在批量基础上，以氧化物的摩尔百分数 计，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含 40-80 % SiO2,0-28 % Al2O3，0-8 % B2O3，0-18 % Li20,0-10 % Na20,0-11% K20,0-16% MgO,0-18% CaO,0-15% CaF2,0-20% SrO,0-12% BaO,0-8% ZnO, 0-4% P2O5,0-8% TiO2,0-5% ZrO2,0-1% SnO2 和 O-ISb2O3,0-1 % As203。
15.如权利要求13所述的制品，其特征在于，所述碱性铝硅酸盐玻璃主要由以下 成分组成64摩尔％ ≤SiO2 ≤ 68摩尔％ ;12摩尔％ ≤Na2O ≤16摩尔摩尔％ ≤Al2O3≤12摩尔％ ；0摩尔％≤B2O3≤3摩尔％ ；2摩尔％≤K2O≤5摩尔％ ；4摩尔％ ≤ MgO ≤ 6摩尔％ ；以及0摩尔％≤CaO≤5摩尔％，其中66摩尔％≤Si02+B203+Ca0≤69 摩尔 ％ ； Na20+K20+B203+Mg0+Ca0+Sr0 >10 摩尔 摩尔 MgO+CaO+SrO ≤8 摩 尔％ ； (Na2CHB2O3)-Al2O3≤2摩尔％ ；2摩尔％≤Na2O-Al2O3≤6摩尔％ ；以及4摩尔％ ((Na2CHK2O)-Al2O3 ( 10 摩尔 ％。
16.如权利要求13所述的制品，其特征在于，在批量基础上，以氧化物的摩尔百分数 计，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含60-70摩尔% SiO2 ；6-14摩尔% Al2O3 ；0-15摩尔% B2O3 ；0-15 摩尔 ％ Li2O ；0-20 摩尔 % Na2O ；0-10 摩尔 ％ K2O ；0-8 摩尔 % MgO ；0-10 摩尔 % CaO ； 0-5 摩尔 ％ ZrO2 ；0-1 摩尔 ％ SnO2 ；0-1 摩尔 ％ CeO2 ；小于 50ppm 的 As2O3 ；以及小于 50ppm 的 Sb2O3 ；其中12摩尔Li20+Na20+K20彡20摩尔％且0摩尔MgO+CaO彡10摩尔％。
17.如权利要求13所述的制品，其特征在于，在批量基础上，以氧化物的摩尔百分数 计，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含 61-75% SiO2, 7-15% Al2O3,0-12B203'9-21% Na20,0-4%, 0-7% MgO 以及 0-3%。
18.如权利要求13所述的制品，其特征在于，在批量基础上，以氧化物的摩尔百分数 计，所述碱性铝硅酸盐玻璃包含60-72% SiO2 ；9-16% Al2O3 ；5-12% B2O3 ；8-16% Na2O ；以及 0-4% K20，其中琳O3 (摩尔？(摩尔。 Σ碱金属敛进剂(摩尔％) >。
19.如权利要求15所述的制品，其特征在于，所述玻璃在低于1275°C的温度下的液相 线粘度大于130000泊。
20.如权利要求15所述的制品，其特征在于，所述玻璃是可熔合形成的，所述制品通过 标准加工技术形成，所述技术选自下组压制、垂挂、真空垂挂、压板及其组合。
全文摘要
本发明涉及包含玻璃材料、适合用作电子设备机壳/封罩或保护性覆盖物的玻璃制品。具体地，包含离子交换玻璃的机壳/封罩/覆盖物具有以下特性(1)射频和微波频率透过性，其限定条件是损耗角正切值小于0.03，频率范围在15MHz-3.0GHz之间；(2)红外透过性；(3)断裂韧性大于0.6MPa·m1/2；(4)四点弯曲强度大于350MPa；(5)维氏硬度至少为450kgf/mm2，维氏中间/径向裂纹引发阈值至少为5kgf；(6)杨氏模量在约50-100GPa之间的范围内；(7)热导率小于2.0W/m℃；以及(9)至少以下特性之一(i)层深(DOL)较大的压缩表面层和大于400MPa的压缩应力，或者(ii)超过20MPa的中心张力。
文档编号C03C3/091GK102123960SQ200980132741
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月21日 优先权日2008年8月21日
发明者J·阿明, K·R·罗辛顿, L·R·平克尼, M·J·德杰纳卡, R·萨比亚 申请人:康宁股份有限公司