專(zhuān)利名稱(chēng)：用于電/機(jī)械連接結(jié)構(gòu)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一些方法和裝置通過(guò)應(yīng)用定向的能量如超聲波能量同時(shí)把電的或其他部件連接在一起。更具體地說(shuō)，本發(fā)明著眼于通過(guò)應(yīng)用定向能量，特別是超聲能量所產(chǎn)生的電/機(jī)械連接結(jié)構(gòu)以便同時(shí)把聚合物基底和出現(xiàn)在單獨(dú)的基底上的導(dǎo)電涂層的金屬電路圖案連接在一起。
超聲波連接方法用于永久地連接兩個(gè)或多個(gè)由聚合物材料組成的部分，特別是在不適于使用粘合劑的時(shí)候或場(chǎng)合。當(dāng)連接暴露在某些化合物、溶劑、壓力和溫度的地方，使用粘合劑會(huì)對(duì)機(jī)械連接的強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。另外，超聲波連接要求少量或不要求表面處理，此連接非常牢固、迅速而且容易自動(dòng)化，當(dāng)該過(guò)程完成以后，部件不要求固定或處理的時(shí)間。
金屬的超聲波連接已經(jīng)是公知的。永久性的連接避免了必須用機(jī)械的固定器如螺釘、螺栓或鉚釘，并且不必使用其他一些方法如釬焊或焊接。金屬超聲波連接一般產(chǎn)生一種改進(jìn)了的電連接，這是由于兩個(gè)連接部件之間的界面實(shí)際上被消除了。
在某些應(yīng)用中，提供一種具有機(jī)械牢固性和導(dǎo)電性的連接是必須的或者是希望的。希望利用超聲波連接所提供的這種獨(dú)特性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，然而到現(xiàn)在為止，還不知道如何在一個(gè)傳導(dǎo)涂層的塑料部件上獲得上述性質(zhì)。每一個(gè)連接的操作能分別進(jìn)行，如上所述，然而同時(shí)連接是困難的。原因之一是對(duì)于聚合物與聚合物的超聲連接，超聲波能量應(yīng)用到每一個(gè)部件上以便使得一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的移動(dòng)是一個(gè)定向的沖擊運(yùn)動(dòng)(錘型的移動(dòng))。然而，對(duì)于金屬與金屬超聲連接，一個(gè)部件相對(duì)另一個(gè)部件的移動(dòng)是垂直的(一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)滑動(dòng))。因此，所希望的聚合物和金屬的連接的運(yùn)動(dòng)的方向是不同的并且看起來(lái)是不相容的。
傳導(dǎo)涂層的聚合物表面的連接在許多應(yīng)用中是有用的，其中有，(1)用于控制電磁干擾(eleclromagnetic interference-EMI)的外殼的密封；(2)靜電放電(ESD)場(chǎng)合中電氣組件的保護(hù)；以及(3)把表面支承件固定在熱型的電路板上；美國(guó)專(zhuān)利4,546,409中指出了在多表面之間的金屬與金屬連接可以應(yīng)用超聲波能量。然而，在該專(zhuān)利中討論的方法是具體的用在半導(dǎo)體裝置中的。
類(lèi)似的，美國(guó)專(zhuān)利4468731揭示的僅僅是聚合物與聚合物的超聲連接。這里很明顯沒(méi)有討論金屬表面或傳電涂層聚合物表面的連接。
美國(guó)專(zhuān)利4589584看來(lái)是應(yīng)用超聲波連接了一個(gè)填充聚合物和另一個(gè)填充聚合物，同時(shí)也連接了一個(gè)未填充聚合物和另一個(gè)未填充聚合物。通過(guò)在填充聚合物中加入導(dǎo)電填充物獲得一個(gè)導(dǎo)電連接。例如在一個(gè)熱塑基質(zhì)中加入銀顆粒。許多其它被發(fā)現(xiàn)的可以應(yīng)用的填充物包括玻璃、云母和礦物質(zhì)。然而這些填充物不能提供特殊的電連接，并且實(shí)際上破壞了聚合物基底或電路板所希望的絕緣性能。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種通過(guò)把定向能量應(yīng)用于要結(jié)合的對(duì)象而把多個(gè)導(dǎo)電涂層聚合物基底彼此由一個(gè)單一的操作連接起來(lái)的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)倪B接的幾何形狀、冶金結(jié)構(gòu)和金屬的位置獲得一個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)的機(jī)械連接和一個(gè)低阻抗的電連接。根據(jù)連接所要求的機(jī)械和電性質(zhì)，示出了各種連接形狀，包括對(duì)接、舌榫和槽連接以及階梯連接。
本發(fā)明再一個(gè)目的在于當(dāng)為某些電路裝置同時(shí)形成一個(gè)電連接時(shí)，其中包括、但不限于設(shè)置在技術(shù)裝置上的表面，對(duì)插入在一個(gè)部件與基底之間的粘結(jié)劑提供一種非化學(xué)的、非溶解的反應(yīng)或處理。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供一種無(wú)特殊連接方法要求的裝置，并且容易適合于傳統(tǒng)的連接設(shè)備，如超聲波連接中所應(yīng)用的。
本發(fā)明涉及一種連接至少兩個(gè)導(dǎo)電涂層的聚合物基底的方法，特別是在導(dǎo)電涂層已經(jīng)有選擇地繪上了圖案的地方。一個(gè)導(dǎo)電層出現(xiàn)在形成電連接的區(qū)域的基底上。在形成機(jī)械連接的那些區(qū)域上不存在導(dǎo)電涂層。然后基底以一種配置放置，以便使形成機(jī)械連接的部位相互接觸，并且形成電連接的部件也相互接觸。然后給基底加定向能量是為了同時(shí)分別使導(dǎo)電涂層和聚合物基底融合在一起。
一旦能量源應(yīng)用在要連接的表面上，金屬和金屬以及聚合物和聚合物連接就在同一個(gè)操作中產(chǎn)生。要連接的部分提供一個(gè)特殊的幾何形狀，此幾何形狀保證了能量傳遞的發(fā)生能夠以一有利的方式檢測(cè)，以便同時(shí)確保聚合物材料的端與端接觸和金屬部分的面面接觸。
下列專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)在這里和權(quán)利要求中用到聚合物是用在兩個(gè)或多個(gè)要連接的表面上的任何一種不導(dǎo)電物質(zhì)，此物質(zhì)將融解并融合在一起。不導(dǎo)電物質(zhì)包括塑料、聚合物和熱塑料，但不限于此。
“連接”是指任何一種連接多個(gè)表面的方法，它包括但不限于使用一個(gè)定向高能的能量源。一個(gè)連接是多個(gè)表面的永久性連接。
“導(dǎo)電涂層”是指任何一種適合于用來(lái)作為聚合物材料上的一個(gè)涂層的導(dǎo)電物質(zhì)?！敖饘倩笔侵妇哂幸粋€(gè)永久地覆蓋一種導(dǎo)電材料的表面?！敖饘佟笔侵溉魏我环N適合于用來(lái)作為其他材料上的一個(gè)涂層的導(dǎo)電材料。
一個(gè)機(jī)械連接是一種相應(yīng)于拉力和垂直力的連接以便確保裝置的結(jié)構(gòu)完整性。一個(gè)電連接提供一個(gè)低阻抗的電路徑。
“燒化(flash)”是指融化的聚合物對(duì)金屬部分的擠壓，它一般對(duì)導(dǎo)電性有不利的影響。定向能量是任何一種高能能量源，包括但不限于超聲波能量。
在說(shuō)明書(shū)的結(jié)論部分中具體地指出了被認(rèn)為是本發(fā)明的主題，并提出了權(quán)利要求。然而本發(fā)明作為實(shí)際應(yīng)用的組織和方法，再加上本發(fā)明的進(jìn)一步目的和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)結(jié)合附圖的以下描述可以更好地理解。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)榫舌和槽連接設(shè)計(jì)的平面幾何形狀的側(cè)視圖。
圖2是與圖1相似的側(cè)視圖，但是它更具體的示出了當(dāng)兩個(gè)表面連在一起時(shí)定向能量源在兩個(gè)連接表面的應(yīng)用。
圖3是與圖2相似的側(cè)視圖，不同的是它示出了兩個(gè)金屬和聚合物表面融合在一起形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)之后的總的幾何形狀。
圖4是與圖1相似的側(cè)視圖，但它更具體地表示了根據(jù)本發(fā)明的具有一個(gè)階梯連接的幾何形狀的不同的實(shí)施例。
圖5是與圖1相似的側(cè)視圖，它表示了一個(gè)變化的幾何形狀。
根據(jù)本發(fā)明的原理，圖1顯示了應(yīng)用一個(gè)榫舌和槽連接設(shè)計(jì)的一平面幾何形狀。為了得到一個(gè)電-機(jī)械連接，首先一個(gè)導(dǎo)電涂層施加在所被選擇的形成電連接的區(qū)域。金屬涂層不施加在形成機(jī)械連接的區(qū)域。金屬涂層在一些區(qū)域的出現(xiàn)以及在其他區(qū)域的不出現(xiàn)使得在形成金屬和金屬連接的同時(shí)獲得聚合物與聚合物的連接。很明顯，此方法對(duì)已經(jīng)配置了適當(dāng)?shù)慕饘賵D案的部分也是適用的。金屬涂層可以容易地通過(guò)選擇的蝕刻、機(jī)械磨損或其他方法從任何一個(gè)區(qū)域除去。
圖1中所示的連接結(jié)構(gòu)的方法表示了要連接的兩個(gè)連接部分10和20。每一個(gè)相連的部分包括導(dǎo)電涂層30。榫舌零件50包括無(wú)金屬涂層或在連接前把金屬除去的能量導(dǎo)向器40。然后金屬60保留在榫舌50的側(cè)壁。部件20的連接部分10有槽結(jié)構(gòu)70。槽70的大小用于接受榫舌50。槽70在其槽底部區(qū)域沒(méi)有涂導(dǎo)電材料，或在連接前除去此區(qū)域的金屬。金屬100保留在槽70的側(cè)壁。
在最佳實(shí)施例中的冶金結(jié)構(gòu)包括涂在聚合物基底上的許多導(dǎo)電層。冶金結(jié)構(gòu)最好分別包括無(wú)電/電鍍銅110、電鍍鎳120和電鍍金130。銅、鎳和金涂層的厚度大約分別為1000微英寸、85微英寸和30微英寸。
為了獲得牢固的電-機(jī)械連接，如圖2所示兩個(gè)連接部分放在一個(gè)卡具或定位器250上，并且應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的超聲波連接方法進(jìn)行超聲波連接。
圖2和3分別是對(duì)兩個(gè)要連接的部分200和300應(yīng)用一個(gè)超聲波能量源150以及一個(gè)以榫舌和槽的連接的組合的幾何形狀的更進(jìn)一步的表示。圖3具體地說(shuō)明了完成了的聚合物連接210和金屬連接350的一般形狀。夾緊壓力、連接時(shí)間和供給的能量都可變化，它們可根據(jù)連接所希望的性質(zhì)而改變。在一個(gè)實(shí)施例中所用的超聲波能量在40-300瓦秒(Ws-Watt-Seconds)范圍內(nèi)，夾緊壓力在10-30磅/平方英寸，所施加的能量脈沖的時(shí)間范圍為0.1秒到0.5秒之間。
上述連接結(jié)構(gòu)使用在許多不同的場(chǎng)合中，其中將兩個(gè)或更多的部件連接形成一個(gè)機(jī)械牢固的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在連接部分的導(dǎo)電圖形(pattern)之間獲得一個(gè)低阻抗的電連接。一些應(yīng)用包括殼層但不限于殼層(連接器、局部裝配)、熱塑印刷電路板(2維和3維)和印刷電路板和其它基底上的附加部件。
另外，雖然上面描述了一個(gè)樺舌和槽連接結(jié)構(gòu)，其它的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用。圖4表示了另一個(gè)能應(yīng)用的幾何形狀。圖4表示了兩個(gè)要連接的連接部分400和410。每一個(gè)連接部件400和410分別包括導(dǎo)電涂層區(qū)域440和450。連接部件4 00包括能量導(dǎo)向器430，此處沒(méi)有涂金屬(或在連接前除去此處的金屬)。為了避免燒化(flashing)，設(shè)置這種幾何形狀以便使得當(dāng)連接的兩個(gè)部分440和450連接時(shí)，每個(gè)連接件400和410的兩側(cè)面460和470不連接并且有一空間或間隙留在兩個(gè)側(cè)面460和470之間。
類(lèi)似的，表5還表示了另一種可能的連接設(shè)計(jì)。圖5也表示了兩個(gè)要連接的連接部分500和510，以及其中一個(gè)連接部分包括一個(gè)能量導(dǎo)向器530，該導(dǎo)向器沒(méi)有涂層(或在連接前去除此處金屬層)。導(dǎo)電材料540和550分別位于連接部分500和510上。連接部件之一(這里是510)的一個(gè)側(cè)面有一個(gè)從頂部表面的縮陷560，以減少或排除燒化(flashing)問(wèn)題。
雖然根據(jù)這里的某些較佳實(shí)施例，仔細(xì)地描述了本發(fā)明，但那些在本領(lǐng)域的有關(guān)技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行許多改進(jìn)和改變。因此，通過(guò)附加的權(quán)利要求確定包括全部的這些改進(jìn)和改變都是處于本發(fā)明的實(shí)際的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種連接基底的方法，所述方法包括在所述基底中的每一個(gè)上，在要形成電連接的第一個(gè)位置上施加一個(gè)導(dǎo)電層，并且在所述基底中的每一個(gè)上提供第二個(gè)位置，該位置無(wú)導(dǎo)電材料，而且在該位置要形成一個(gè)機(jī)械連接；把該基底放在一個(gè)配置中，其中形成機(jī)械連接的第一個(gè)位置處于相接觸狀態(tài)，并且形成電連接的位置處于相接觸狀態(tài)；為了融解所述導(dǎo)電層和所述聚合物基底，對(duì)所述基底施加定向能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述導(dǎo)電層施加在所述的每一個(gè)基底上；然后將所述導(dǎo)電層從要形成機(jī)械連接的所述第二個(gè)位置上除去。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該定向能量是超聲波。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，要連接的基底還包括一個(gè)對(duì)接連接結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，要連接的表面還包括一個(gè)具有漸縮的端部的階梯連接結(jié)構(gòu)和一個(gè)防止融化的聚合物基底材料在基底表面上產(chǎn)生燒化的槽(pocket)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，要連接的表面還包括一個(gè)具有漸縮的端部的對(duì)接連接結(jié)構(gòu)和一個(gè)防止融化的聚合物基底材料在基底表面上產(chǎn)生燒化的槽。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，導(dǎo)電層包括適于擴(kuò)散連接的金屬。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)電層包括鎳層、銅層和金層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它們相應(yīng)的聚合物基底上面的所述導(dǎo)電層是以面靠面的關(guān)系構(gòu)成的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚合物基底是以端靠端的關(guān)系構(gòu)成的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1實(shí)現(xiàn)基底的連接。
12. 一個(gè)聚合物基底的連接，每一個(gè)基底有一個(gè)導(dǎo)電層，其中所述聚合物基底融合在一起并且在其上的導(dǎo)電層也融合在一起。
13. 至少兩個(gè)涂有導(dǎo)電層的聚合物基底的連接方法，該方法包括放置該基底于一個(gè)配置中，其中要形成的聚合物連接位置相接觸地放置，并且要形成的電連接的連接位置面靠面地接觸放置；為了融化所述導(dǎo)電涂層和所述聚合物基底對(duì)所述基底施加定向能量。
全文摘要
一種連接方法能夠在一個(gè)單一的操作中把許多帶有導(dǎo)電涂層的聚合物連接在一起，此方法通過(guò)一個(gè)高能能量源放熱，此能源的輸出由一個(gè)能量定向器聚焦，該能量定向器在他們的界面分別引起聚合物表面融化的同時(shí)引起金屬表面的融化從而形成一個(gè)牢固的電和機(jī)械連接。
文檔編號(hào)B29C65/08GK1117211SQ9510166
公開(kāi)日1996年2月21日 申請(qǐng)日期1995年2月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月1日
發(fā)明者G·M·喬達(dá)莫, L·H·韋爾茨 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司