專利名稱：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應(yīng)用定向的能量如超聲波能量同時把電的或其他部件連接在一起。更具體地說，本發(fā)明著眼于通過應(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或多個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候或場合。當(dāng)連接暴露在某些化合物、溶劑、壓力和溫度的地方，使用粘合劑會對機(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、迅速而且容易自動化，當(dāng)該過程完成以后，部件不要求固定或處理的時間。
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傳導(dǎo)涂層的塑料部件上獲得上述性質(zhì)。每一個連接的操作能分別進(jìn)行，如上所述，然而同時連接是困難的。原因之一是對于聚合物與聚合物的超聲連接，超聲波能量應(yīng)用到每一個部件上以便使得一個部件相對于另一個部件的移動是一個定向的沖擊運(yùn)動(錘型的移動)。然而，對于金屬與金屬超聲連接，一個部件相對另一個部件的移動是垂直的(一個部件相對于另一個滑動)。因此，所希望的聚合物和金屬的連接的運(yùn)動的方向是不同的并且看起來是不相容的。
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；美國專利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，在該專利中討論的方法是具體的用在半導(dǎo)體裝置中的。
類似的，美國專利4468731揭示的僅僅是聚合物與聚合物的超聲連接。這里很明顯沒有討論金屬表面或傳電涂層聚合物表面的連接。
美國專利4589584看來是應(yīng)用超聲波連接了一個填充聚合物和另一個填充聚合物，同時也連接了一個未填充聚合物和另一個未填充聚合物。通過在填充聚合物中加入導(dǎo)電填充物獲得一個導(dǎo)電連接。例如在一個熱塑基質(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)明的一個目的在于提供一種通過把定向能量應(yīng)用于要結(jié)合的對象而把多個導(dǎo)電涂層聚合物基底彼此由一個單一的操作連接起來的方法。
本發(fā)明的另一個目的在于通過選擇適當(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結(jié)構(gòu)強(qiáng)的機(jī)械連接和一個低阻抗的電連接。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，包括對接、舌榫和槽連接以及階梯連接。
本發(fā)明再一個目的在于當(dāng)為某些電路裝置同時形成一個電連接時，其中包括、但不限于設(shè)置在技術(shù)裝置上的表面，對插入在一個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)明還有一個目的在于提供一種無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操作中產(chǎn)生。要連接的部分提供一個特殊的幾何形狀，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，以便同時確保聚合物材料的端與端接觸和金屬部分的面面接觸。
下列專業(yè)術(shù)語在這里和權(quán)利要求中用到聚合物是用在兩個或多個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表面的方法，它包括但不限于使用一個定向高能的能量源。一個連接是多個表面的永久性連接。
“導(dǎo)電涂層”是指任何一種適合于用來作為聚合物材料上的一個涂層的導(dǎo)電物質(zhì)?！敖饘倩笔侵妇哂幸粋€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適合于用來作為其他材料上的一個涂層的導(dǎo)電材料。
一個機(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。一個電連接提供一個低阻抗的電路徑。
“燒化(flash)”是指融化的聚合物對金屬部分的擠壓，它一般對導(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。
在說明書的結(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)明的一個榫舌和槽連接設(shè)計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)兩個表面連在一起時定向能量源在兩個連接表面的應(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金屬和聚合物表面融合在一起形成一個整體的結(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)用一個榫舌和槽連接設(shè)計的一平面幾何形狀。為了得到一個電-機(jī)械連接，首先一個導(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獲得聚合物與聚合物的連接。很明顯，此方法對已經(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選擇的蝕刻、機(jī)械磨損或其他方法從任何一個區(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連接部分10和20。每一個相連的部分包括導(dǎo)電涂層30。榫舌零件50包括無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所示兩個連接部分放在一個卡具或定位器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分別是對兩個要連接的部分200和300應(yīng)用一個超聲波能量源150以及一個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合中，其中將兩個或更多的部件連接形成一個機(jī)械牢固的結(jié)構(gòu)，同時在連接部分的導(dǎo)電圖形(pattern)之間獲得一個低阻抗的電連接。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表示了另一個能應(yīng)用的幾何形狀。圖4表示了兩個要連接的連接部分400和410。每一個連接部件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)連接的兩個部分440和450連接時，每個連接件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側(cè)面460和470之間。
類似的，表5還表示了另一種可能的連接設(shè)計。圖5也表示了兩個要連接的連接部分500和510，以及其中一個連接部分包括一個能量導(dǎo)向器530，該導(dǎo)向器沒有涂層(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)的一個側(cè)面有一個從頂部表面的縮陷560，以減少或排除燒化(flashing)問題。
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)人員可以對其進(jìn)行許多改進(jìn)和改變。因此，通過附加的權(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上，在要形成電連接的第一個位置上施加一個導(dǎo)電層，并且在所述基底中的每一個上提供第二個位置，該位置無導(dǎo)電材料，而且在該位置要形成一個機(jī)械連接；把該基底放在一個配置中，其中形成機(jī)械連接的第一個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對接連接結(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具有漸縮的端部的階梯連接結(jié)構(gòu)和一個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具有漸縮的端部的對接連接結(jié)構(gòu)和一個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. 一個聚合物基底的連接，每一個基底有一個導(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，此方法通過一個高能能量源放熱，此能源的輸出由一個能量定向器聚焦，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引起金屬表面的融化從而形成一個牢固的電和機(jī)械連接。
文檔編號B29C65/08GK1117211SQ9510166
公開日1996年2月21日 申請日期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 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司