專利名稱：電極接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異質(zhì)金屬接合方法，特別涉及一種電極接合方法。
背景技術(shù)：
鉆孔自古以來即為一個(gè)重要的機(jī)械加工方法，且已進(jìn)一步應(yīng)用于電子產(chǎn) 業(yè)中，例如印刷電路板的加工?，F(xiàn)在一般電路板的制造過程中的鉆孔，除了 盲孔以外，幾乎所有鉆孔方法都是以機(jī)械鉆孔機(jī)器來制造成孔，甚至連目前
的難度較高的球門陣列封裝(BGA)板的0.1mm L，都是由機(jī)械鉆孔機(jī)來處理。 電路板制造廠的精密化需求給予了電路板機(jī)械鉆孔機(jī)設(shè)備制造廠商突破技 術(shù)瓶頸的動(dòng)力。
鉆孔機(jī)的原理是將旋轉(zhuǎn)軸(Spindle)表面鍍上一金屬電極層，并在相應(yīng)套 筒上設(shè)計(jì)相應(yīng)線圈，以產(chǎn)生磁場驅(qū)動(dòng)該旋轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。
通常是以電鍍方式于旋轉(zhuǎn)軸表面鍍上銅金屬層，再以車床去除或研磨掉 不必要的部分，而形成所需的電極圖案。但是以電鍍形成的電極圖案，制作 時(shí)間較長，且電極披覆的旋轉(zhuǎn)軸一般為不銹鋼材質(zhì)，銅電鍍于不銹鋼表面的 接合強(qiáng)度較差，因而在長時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)下，旋轉(zhuǎn)軸表面的電極圖案將受損， 導(dǎo)致鉆孔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)較不穩(wěn)定，而降低旋轉(zhuǎn)軸的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種電極接合方法，其具有較佳的接合強(qiáng)度，且制造方法簡 單，可降低成本提高效益。
本發(fā)明的電極接合方法包含下列步驟加熱一物件及一電極材料，使得 該電極材料熔化并擴(kuò)散進(jìn)入該物件產(chǎn)生接合，并于該物件表面形成一電極材 料層；冷卻該物件及電極材料；以及機(jī)械加工該電極材料層形成一電極圖案。 例如，首先加熱一物件(例如機(jī)械加工機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸心)及一電極材料(例如無氧 銅)至該物件的熔點(diǎn)及該電極材料的熔點(diǎn)之間的溫度，使得該電極材料熔化并擴(kuò)散進(jìn)入該物件產(chǎn)生接合，于該物件表面形成一電極材料層。之后冷卻該物 件及電極材料，并機(jī)械加工該電極材料層形成一 電極圖案。
較佳地，本發(fā)明的電極接合方法于一真空環(huán)境下進(jìn)行，其真空度介于1
至1(y5托耳(Torr)。
采用本發(fā)明的電極接合方法，可以獲得較佳的接合強(qiáng)度，其制造方法簡 單，可降低成本并提高效益。


圖1至5為本發(fā)明一實(shí)施例的電極接合方法； 圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的電極接合方法流程示意圖； 圖7為本發(fā)明另一實(shí)施例的電極接合方法的示意圖；以及 圖8為本發(fā)明的銅電極與不銹鋼軸心的界面金相示意圖。 其中，附圖標(biāo)記說明如下
IO旋轉(zhuǎn)軸
12軸端部
14凹槽
16漸擴(kuò)部分
18電極圖案
71工具管
73旋轉(zhuǎn)軸
ll軸身
13凸緣
15工具管
17空隙
19無氧銅柱
72電極材料
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明將通過附圖清楚說明本發(fā)明的電極接合方法。
以下將以一轉(zhuǎn)速可達(dá)160，000RPM的高速PCB鉆孔機(jī)軸心為例，說明本 發(fā)明的實(shí)施方式。參照?qǐng)D1， 一旋轉(zhuǎn)軸IO包含一軸身11及一軸端部12。該 軸身11表面欲制作一電極圖案，用以提供旋轉(zhuǎn)軸10的驅(qū)動(dòng)力。該旋轉(zhuǎn)軸10 由車刀加工一體成型，本實(shí)施例中，其采用不銹鋼或鐵基合金材質(zhì)。另外， 根據(jù)所需的電極圖案，先銑削或車削出相應(yīng)凹槽14，該凹槽14的深度約在 0.5~2mm之間。
參照?qǐng)D2，該軸端部12與軸身11交接處焊接一凸緣13，以供后續(xù)的電極接合加工之用。
本實(shí)施例后續(xù)于旋轉(zhuǎn)軸10表面制作電極的材料采用銅金屬或銅合金，
本實(shí)施例采用無氧銅柱，其直徑約介于3mm至8mm之間。將旋轉(zhuǎn)軸10及 無氧銅柱加以清洗，以去除表面臟污及雜質(zhì)。
之后，將一工具管(治具管)15的底部和該凸緣13進(jìn)行焊接，如圖3 所示。該工具管15可由不銹鋼或其它種類的鋼材所制成，其包含一由小至 大的漸擴(kuò)部分16，使得管口部分具有較大的口徑。圖4為該工具管15管口 的示意圖，該工具管15的管壁與旋轉(zhuǎn)軸IO之間形成空隙17，可置入多支無 氧銅柱19,本實(shí)施例中無氧銅柱19的總重量約700克。
之后，將包含該旋轉(zhuǎn)軸10及無氧銅柱19的工具管15置于真空爐中加 熱至1080至1200'C之間，并維持約20至120分鐘，使得無氧銅柱19熔化 形成無氧銅溶液，并且通過熔解及擴(kuò)散作用，于該旋轉(zhuǎn)軸10表面附著接合 一無氧銅金屬層。較佳地，該真空爐的真空度約在1至10—5托耳之間，且可 通入氮?dú)?、氬氣等惰性氣體或氫氣、 一氧化碳等還原性氣體，以減少空氣中 的氧氣侵入，防止氧化。
之后，去除(例如車除)工具管15，并可利用車削、銑切、研磨或拋光等 技術(shù)將凹槽14表面以外的無氧銅金屬層去除，而形成所需的電極圖案18。
依據(jù)Fick的擴(kuò)散定律所示/二-D宇，其中J為擴(kuò)散通量，D為擴(kuò)散
系數(shù)，而宇為擴(kuò)散濃度梯度。擴(kuò)散系數(shù)D可由下式表示D-ZV—募，其中D。
為擴(kuò)散常數(shù)，i 為氣體常數(shù)，^為擴(kuò)散激活能，r為絕對(duì)溫度。由Fick的擴(kuò) 散定律可知，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度r呈指數(shù)關(guān)系，隨著溫度的升高，擴(kuò)散系數(shù)
D將急劇增大。因此，本發(fā)明實(shí)施例中可加熱至最高120(TC以增加擴(kuò)散速率 及擴(kuò)散質(zhì)量。另外，因不銹鋼軸身的固相線(Solidus)約為1200°C，故此處加 熱溫度必須低于1200。C以防止旋轉(zhuǎn)軸IO局部熔化而造成損壞或變形。上述 制造方法可歸納成如圖6所示的流程圖。首先將軸心(旋轉(zhuǎn)軸)進(jìn)行加工，并 形成與電極相應(yīng)的凹槽。其次進(jìn)行軸心和無氧銅的清洗。之后，將工具管和 軸心的凸緣焊接，并將無氧銅置于工具管和軸心間的空隙， 一并加熱至無氧 銅的熔點(diǎn)以上，以此利用熔解及擴(kuò)散現(xiàn)象將軸心表面形成一無氧銅金屬層。 接著，將工具管車除，并去除凹槽位置以外的無氧銅金屬層，以形成所需的電極圖案。
圖7為本發(fā)明另一實(shí)施例的電極接合方法的示意圖，其采用新工具工藝
設(shè)計(jì)。本實(shí)施例采用一工具管71，先將電極材料(例如無氧銅柱或顆粒)72放 置于該工具管71中，并加熱使得該電極材料72熔化成液態(tài)。之后，再將軸 心或旋轉(zhuǎn)軸73置入該液態(tài)狀的電極材料72中，通過熔解及擴(kuò)散作用，于該 旋轉(zhuǎn)軸73表面接合一電極材料層(例如無氧銅金屬層)。本實(shí)施例相較于圖1 至5所示，因先將電極材料熔化，其放置電極材料(如無氧銅柱)所需的空間 較小，故除了工具管71可制作的較小外，亦可減少電極材料72所需的量或 數(shù)目。另外，由于所需電極材料72較少，故加熱的速度可加快，而進(jìn)一步 縮短制造時(shí)間。較佳地，該工具管71采用熔點(diǎn)高于電極材料的陶瓷或金屬 材料制成，其內(nèi)部表面可涂布脫模劑。當(dāng)加工件冷卻后，該旋轉(zhuǎn)軸73可與 其表面的電極材料72 —并從該工具管71中抽出，該工具管71可重復(fù)使用。
圖8為不銹鋼的旋轉(zhuǎn)軸IO及銅電極圖案18的界面金相示意圖，其中顯 示銅擴(kuò)散至旋轉(zhuǎn)軸10的深度可達(dá)約65/zm，即電極圖案18已擴(kuò)散深入旋轉(zhuǎn) 軸10的表面，因此兩者間具有良好的接合強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用上，銅擴(kuò)散至旋 轉(zhuǎn)軸10的深度以超過30 //m為佳，且至少需超過10//m。
上述以鉆孔機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸為例(但非限制)進(jìn)行說明，而其它采用相同或類 似的機(jī)械加工機(jī)(例如成型機(jī))的物件，或其它異質(zhì)材料接合的應(yīng)用，也在本 發(fā)明所涵蓋的范圍內(nèi)。
本發(fā)明通過熔化及高溫?cái)U(kuò)散原理將異質(zhì)電極接合于例如旋轉(zhuǎn)軸的物件 上，不僅可有效增加電極與物件的接合強(qiáng)度，且由于制造過程簡單，可降低 成本提高效益，而得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人士仍 可能基于本發(fā)明的教導(dǎo)及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因 此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離 本發(fā)明的替換及修飾，并包括在以下的權(quán)利要求所涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種電極接合方法，包含下列步驟加熱一物件及一電極材料，使得該電極材料熔化并擴(kuò)散進(jìn)入該物件產(chǎn)生接合，并于該物件表面形成一電極材料層；冷卻該物件及電極材料；以及機(jī)械加工該電極材料層形成一電極圖案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該物件及電極材料加熱 至該物件的熔點(diǎn)及該電極材料的熔點(diǎn)間的溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該物件由不銹鋼或鐵基 合金制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該電極材料為銅金屬或銅合金。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該物件及電極材料的加 熱和冷卻是在一真空環(huán)境下進(jìn)行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電極接合方法，其中該真空環(huán)境的真空度介 于1至10—5托耳之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該物件及電極材料的加 熱及冷卻是在一真空爐中進(jìn)行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極接合方法，其中該真空爐中通以惰性氣 體或還原性氣體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極接合方法，其中該真空爐中通以氬氣、 氦氣、氮?dú)?、氫氣或一氧化碳?br> 10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電極接合方法，其中該物件上焊接一工具管， 該電極材料置于該工具管與物件間的空隙中進(jìn)行加熱，使得該電極材料熔 化。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中該電極圖案利用車削、 銑切或研磨形成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中于加熱該物件及電極材 料前還包含一于該物件表面制作一凹槽的步驟，該凹槽的形狀相應(yīng)于該電極圖案。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的電極接合方法，其中該凹槽的深度約介于 0.5至2mm之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中該物件為一鉆孔機(jī)或成 型機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中該電極材料擴(kuò)散進(jìn)入該 物件的深度大于10//m。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中該電極材料先被加熱熔 化，之后將該物件置于該熔化的電極材料中，使得該電極材料擴(kuò)散進(jìn)入該物件產(chǎn)生接合。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電極接合方法，其中該物件及電極材料置于 一工具管中加熱，該工具管由熔點(diǎn)高于電極材料的陶瓷或金屬材料所制成。
全文摘要
本發(fā)明的電極接合方法包含下列步驟首先加熱一物件(例如機(jī)械加工機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸心)及一電極材料(例如無氧銅)至該物件的熔點(diǎn)與該電極材料的熔點(diǎn)之間的溫度，使得該電極材料熔化并擴(kuò)散進(jìn)入該物件產(chǎn)生接合，于該物件表面形成一電極材料層。之后冷卻該物件及電極材料，并機(jī)械加工該電極材料層形成一電極圖案。通過本發(fā)明的電極接合方法，不僅可有效增加電極與物件的接合強(qiáng)度，且由于制造過程簡單，可降低成本提高效益，廣泛應(yīng)用。
文檔編號(hào)H05K3/04GK101442881SQ20071018839
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者卓錦煌, 蔡耀華 申請(qǐng)人:達(dá)航工業(yè)股份有限公司