具有無(wú)焊接的堆疊接合組裝的相控陣超聲換能器的制造方法
【專利摘要】具有無(wú)焊接的堆疊接合組裝的相控陣超聲換能器。本發(fā)明公開(kāi)了NDT/NDI探頭陣列和制造方法。該探頭陣列包括柔性電路(10)的片，柔性電路(10)的片具有多個(gè)下部針(102)和對(duì)應(yīng)的電連接的上部針(104)。該探頭還包括：支撐塊(12)；壓電陶瓷(16)的層，壓電陶瓷(16)的層具有多個(gè)導(dǎo)電元件(162)；匹配層(18)和框架(14)。諸如環(huán)氧樹(shù)脂等的粘接材料被涂布于柔性電路、支撐塊、壓電陶瓷和匹配層，柔性電路、支撐塊、壓電陶瓷和匹配層均在框架內(nèi)對(duì)準(zhǔn)且至少部分地堆壓在框架內(nèi)，并且柔性電路、支撐塊、壓電陶瓷和匹配層以柔性電路的各下部針與壓電陶瓷的導(dǎo)電元件中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)電元件牢固地且永久地接觸的方式永久接合。
【專利說(shuō)明】具有無(wú)焊接的堆疊接合組裝的相控陣超聲換能器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的引用
[0002]本申請(qǐng)要求2015年2月6日遞交的、名稱為“PHASED ARRAY ULTRASONICTRANSDUCERS WITH SOLDERLESS STACK BONDING ASSEMBLY” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.62/112，933的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損檢驗(yàn)裝置(non-destrueti ve testing andinspect1n devices = NDT/NDI)，更特別地，涉及利用無(wú)焊接的堆疊接合組裝方法來(lái)制造相控陣超聲波檢測(cè)(phased array ultrasonic testing = PAUT)換能器(transducer)。
【背景技術(shù)】
[0004]通常，PAUT換能器包括:壓電陶瓷換能器陣列，導(dǎo)電元件沉積(deposite)在壓電陶瓷上用于與陣列的各換能器電接觸；用于衰減聲音的支撐材料;和具有用于與導(dǎo)電元件接觸的針的電路。針和電路通常是柔性印刷電路板(PCB)的形式。導(dǎo)電元件由可以通過(guò)諸如濺射等的任何適合的沉積方法沉積的諸如金等的導(dǎo)電材料的薄膜形成，該膜形成為各導(dǎo)電元件與陣列的一個(gè)換能器電接觸的圖案。
[0005]在現(xiàn)有實(shí)踐中，PAUT換能器的組裝方法包括使用焊接來(lái)將柔性電路安裝于導(dǎo)電元件。即使利用高度的自動(dòng)化，焊接通常也是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，這降低了生產(chǎn)率。
[0006]另外，在制造換能器的PAUT工業(yè)中使用的焊接主要牽涉到鉛焊。直到2017年，要求該工業(yè)遵守限制有害物質(zhì)(ROHS)，以便向歐盟提供產(chǎn)品。結(jié)果，將對(duì)此應(yīng)用要求無(wú)鉛制造。
[0007]因而，需要如下用于制作PAUT探頭的組裝工藝，其能夠在不使用焊接的情況下實(shí)現(xiàn)PCB與壓電元件之間的精確的、牢固的且永久的接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]這里公開(kāi)的本發(fā)明解決了存在前述缺點(diǎn)的用于PAUT探頭制造的現(xiàn)有組裝方法所涉及的問(wèn)題，諸如低生產(chǎn)率和鉛污染等。注意，本文使用的術(shù)語(yǔ)“探頭”、“換能器”和“傳感器”可以可交換地使用。
[0009]因此，本發(fā)明的總體目的是提供一種通過(guò)無(wú)需焊接的組裝工藝而得到的方法和NDT/NDI 探頭。
[0010]本發(fā)明的另一個(gè)目的是布置使PCB的針與壓電陶瓷上的導(dǎo)電元件精確對(duì)準(zhǔn)的堆疊接合工藝。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)目的是利用框架和壓力手段來(lái)精確地、牢固地且永久地實(shí)現(xiàn)PCB的針與壓電陶瓷上的導(dǎo)電元件之間的接觸。
[0012]通過(guò)如下方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的。
[0013]—種相控陣超聲波探頭，其包括:柔性電路的片，所述柔性電路的片在第一連接邊緣處具有多個(gè)針;支撐塊，所述支撐塊具有支撐頂部和支撐底部;壓電陶瓷的層，所述壓電陶瓷的層具有靠近第二連接邊緣的多個(gè)導(dǎo)電元件；匹配層;和框架，其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層均被對(duì)準(zhǔn)且被至少部分地堆壓在所述框架內(nèi)的所述支撐底部下方，并且所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層以所述第一連接邊緣處的各針與所述第二連接邊緣處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸的方式永久地接合。
[0014]—種制作相控陣超聲波探頭的方法，其包括以下步驟:設(shè)置柔性電路的片，所述柔性電路的片在第一連接邊緣處具有多個(gè)針;設(shè)置支撐塊，所述支撐塊具有支撐頂部和支撐底部;設(shè)置壓電陶瓷的層，所述壓電陶瓷的層具有靠近第二連接邊緣的多個(gè)導(dǎo)電元件;設(shè)置匹配層;設(shè)置框架；以及通過(guò)涂布粘接材料以及通過(guò)使用所述框架，將所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層中的每一者至少部分地限制、對(duì)準(zhǔn)、堆壓以及永久接合在所述支撐底部下方，使得所述第一連接邊緣處的各針與所述第二連接邊緣處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸。
[0015]還能夠理解，本發(fā)明的探頭提供了沒(méi)有任何焊接的、縮短制造周期的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明的待組裝的相控陣超聲換能器的半截面分解立體圖。
[0017]圖2是示出了夾在支撐塊與壓電陶瓷之間的柔性電路的半截面立體圖，其中涂布環(huán)氧樹(shù)脂以取代焊接。
[0018]圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的柔性電路的針與壓電陶瓷上的導(dǎo)電元件匹配的相控陣超聲換能器的立體截面圖。
[0019]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的組裝工藝的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1不出了相控陣超聲換能器(phased array ultrasonic transducer)的組裝。如圖1、圖2和圖3所示，PAUT探頭包括柔性電路10、框架14、壓電陶瓷16、匹配層18和支撐塊(backing block) 12，支撐塊12具有支撐頂部12a、支撐底部12b和支撐側(cè)部12c。壓電陶瓷16包括多個(gè)換能器，多個(gè)導(dǎo)電元件162靠近第二連接邊緣162a，用于與各換能器電接觸。柔性電路10在第一連接邊緣102a處包含多個(gè)導(dǎo)電的下部針102，其中下部針102中的每一個(gè)下部針被構(gòu)造成與導(dǎo)電元件162中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)電元件電接觸。柔性電路10還具有多個(gè)上部針104，其目的是使得與相控陣超聲換能器的外部進(jìn)行電接觸。上部針104中的每一個(gè)上部針通過(guò)柔性電路1與下部針1 2中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)下部針電接觸。柔性電路1上能夠獲得接地面24，以便為柔性電路10和壓電陶瓷16上的換能器提供共用的電氣接地連接。
[0021]應(yīng)當(dāng)注意，在圖1和圖3中導(dǎo)電元件162作為一維陣列的線被示出，這對(duì)于與一維陣列的換能器進(jìn)行接觸來(lái)說(shuō)將是合適的。然而，在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，壓電陶瓷16可以包括二維陣列的換能器，導(dǎo)電元件162以用于與各換能器電接觸的對(duì)應(yīng)的二維陣列的導(dǎo)電點(diǎn)的方式配置。在該實(shí)施方式中，下部針102將具有不同的長(zhǎng)度，各針的端部被構(gòu)造成與導(dǎo)電點(diǎn)中的一個(gè)導(dǎo)電點(diǎn)進(jìn)行電接觸。
[0022]在組裝相控陣超聲換能器期間，柔性電路10的下部針102需要形成為與壓電陶瓷16的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件162牢固且永久的接觸，以便發(fā)送電脈沖使壓電陶瓷振動(dòng)并產(chǎn)生超聲波。根據(jù)本發(fā)明，這種牢固且永久的接觸通過(guò)施加壓力和永久接合手段(means)實(shí)現(xiàn)?？梢杂芍T如塑料等的任何合適的電絕緣材料制成的框架14用作匹配層18、壓電陶瓷16、柔性電路10和支撐材料12用的對(duì)準(zhǔn)工具。另外，對(duì)準(zhǔn)孔22用于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)加壓工具(未示出)中的壓力針，可以通過(guò)手動(dòng)或其它手段激活該標(biāo)準(zhǔn)加壓工具以對(duì)超聲換能器組裝的層之間施加壓力。注意，框架14和支撐塊12具有各自的大小和公差，該大小和公差被構(gòu)造成使得:柔性電路10、支撐塊12、壓電陶瓷16和匹配層18均被對(duì)準(zhǔn)并且能夠被至少部分地堆壓在框架14內(nèi)的支撐底部12b下方，并以第一連接邊緣102a處的各針與第二連接邊緣162a處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件162對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸的方式永久接合。
[0023]應(yīng)當(dāng)注意，“邊緣” 102a和邊緣162a不一定如圖1所示為直線狀?！斑吘墶?102a和邊緣162a僅分別表示柔性電路10和壓電陶瓷16的遠(yuǎn)端部。在可選擇的實(shí)施方式中，“邊緣” 102a和邊緣162a可以采取各針102和162具有不同長(zhǎng)度的非均一桿(uneven bar)的形式，只要對(duì)應(yīng)的針102和162具有充分重合的端部或邊緣，使得它們?cè)诒欢褖汉髮?duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸即可。該可選擇的實(shí)施方式可以用于壓電陶瓷16包括二維陣列的換能器的情形。
[0024]參照?qǐng)D2和圖3，涂布諸如環(huán)氧樹(shù)脂等的粘接劑以將柔性電路10永久地接合就位并且維持柔性電路10與壓電陶瓷16之間的電連接性。柔性電路10與壓電陶瓷16之間的電連接性通過(guò)以下關(guān)于圖4說(shuō)明的堆疊接合工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0025]圖2示出了由匹配層18、壓電陶瓷16和柔性電路10構(gòu)成的堆疊，匹配層18、壓電陶瓷16和柔性電路10全體在壓力下被壓縮在支撐塊12下方。注意，柔性電路10在三個(gè)側(cè)面包裹支撐塊12。在壓縮期間，擠出過(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂，特別是從下部針102與導(dǎo)電元件162之間擠出過(guò)量的環(huán)氧樹(shù)脂，使得實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。
[0026]圖3是沿著圖2所示的線A-A的截面圖。圖3示出了柔性電路10和壓電陶瓷16被夾在支撐塊12與匹配層18之間的情況下的堆疊的另一個(gè)圖。在圖3中，支撐塊12和下部針102已被切斷，以便更清楚地示出下部針102如何與壓電陶瓷16的導(dǎo)電元件162匹配。注意，如圖1和圖2所示的針102全部延伸跨越支撐塊12的寬度不是必須的。假設(shè)下部針102與導(dǎo)電元件162之間存在足夠的重合以具有良好的電接觸，則如圖3所示的縮短的針102是可接受的。
[0027]圖4示出了無(wú)焊接的堆疊接合工藝的實(shí)施步驟。在步驟40中，將匹配層18對(duì)準(zhǔn)在框架14中。在步驟42中，將環(huán)氧樹(shù)脂涂布于匹配層18的背面。在步驟44中，將壓電陶瓷16載置在匹配層18上。在步驟46中，將另一環(huán)氧樹(shù)脂層涂布于壓電陶瓷16的正面?zhèn)?。在步驟48中，以下部針102接觸壓電陶瓷16上的導(dǎo)電元件162的方式對(duì)準(zhǔn)柔性電路1。在步驟50中，將環(huán)氧樹(shù)脂層涂布于柔性電路10的背面?zhèn)?。在步驟52中，利用柔性電路10來(lái)夾住支撐材料12，最后，在步驟54中，利用加壓工具(未示出)施加壓力以確保下部針102與導(dǎo)電元件162之間電接觸。推到柔性電路10上的來(lái)自于工具和支撐材料的壓力確保了在不使用焊接的情況下的電接觸，環(huán)氧樹(shù)脂層固化并將整個(gè)堆疊包在框架內(nèi)部以維持電接觸。
[0028]如能夠在圖1中看到的，下部針102從柔性電路1的主體大致以直角延伸，使得一旦將支撐塊12朝向壓電陶瓷16向下壓，則下部針102處于形成電接觸的位置?？蛇x擇地，還可以以如下方式實(shí)現(xiàn)下部針102的定位:下部針102從柔性電路10直線狀向外延伸，隨后繞著支撐塊12預(yù)組裝彎曲柔性電路10。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇下部針102形狀的其它變型，并且下部針102形狀的其它變型均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0029]應(yīng)當(dāng)注意，以上組裝工藝的步驟可以被組合成更少數(shù)量的步驟、分解成更多步驟和/或以任何方式同時(shí)進(jìn)行或順序進(jìn)行，這些均在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0030]還應(yīng)當(dāng)注意，在以上說(shuō)明的工藝中，環(huán)氧樹(shù)脂用作示例性的粘接材料。還可以考慮其它粘接材料并且其它粘接材料在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0031]本發(fā)明的無(wú)焊接的堆疊接合的方法不需要熱量并且消除了將柔性電路焊接于壓電陶瓷的需要。此外，來(lái)自焊接的熱量能夠潛在地?fù)p壞壓電陶瓷。該新工藝已將組裝時(shí)間從55分鐘減少到25分鐘。此外，該新工藝已將固化時(shí)間從48小時(shí)減少到2小時(shí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種相控陣超聲波探頭，其包括: 柔性電路的片，所述柔性電路的片在第一連接邊緣處具有多個(gè)針， 支撐塊，所述支撐塊具有支撐頂部和支撐底部， 壓電陶瓷的層，所述壓電陶瓷的層具有靠近第二連接邊緣的多個(gè)導(dǎo)電元件， 匹配層，和 框架， 其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層均被對(duì)準(zhǔn)且被至少部分地堆壓在所述框架內(nèi)的所述支撐底部下方，并且所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層以所述第一連接邊緣處的各針與所述第二連接邊緣處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸的方式永久地接合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述粘接材料包含至少環(huán)氧類材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述支撐塊是所述支撐頂部和所述支撐底部為多邊形形狀的多邊棱柱的形狀，所述框架的在與所述支撐底部平行的平面中的截面具有與所述支撐底部或所述支撐頂部的形狀大致相同的多邊形形狀。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探頭，其特征在于，在被堆壓之前，在所述第一連接邊緣處的多個(gè)針的伸出到所述支撐底部下方的部分形成下部針，所述下部針在被堆壓的同時(shí)朝向所述支撐底部彎曲。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，在被堆壓之后，所述下部針被夾在所述支撐底部與所述壓電陶瓷之間。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，所述下部針沿著所述第一連接邊緣形成至少一根線，所述導(dǎo)電元件沿著所述第二連接邊緣形成對(duì)應(yīng)的至少一根線，其中所述至少一根線能夠沿著所述支撐底部的多邊形形狀的任意數(shù)量的邊。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，所述下部針以不均一的長(zhǎng)度結(jié)束并且所述導(dǎo)電元件沿著所述第二連接邊緣形成對(duì)應(yīng)的不均一的前部，其中所述下部針以如下方式與所述導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地充分重合:各所述下部針均與所述導(dǎo)電元件中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)電元件牢固地且永久地接觸。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，在被堆壓之前，與所述第一連接邊緣相反的頂部側(cè)的多個(gè)針的一部分伸出到所述支撐頂部上方并形成上部針，所述上部針朝向所述支撐頂部彎曲并且被構(gòu)造成與將與所述探頭聯(lián)接的儀器電聯(lián)接。9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，所述柔性電路在三個(gè)側(cè)面包裹所述支撐塊，所述三個(gè)側(cè)面是所述支撐底部、所述支撐頂部和所述支撐塊的一個(gè)棱柱側(cè)面。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，所述支撐塊是直棱柱。11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的探頭，其特征在于，所述柔性電路還包括與所述多個(gè)針連接的接地條。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述框架由硬的且電絕緣的材料制成。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述框架由硬塑料制成。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述框架和所述支撐塊均具有各自的大小和公差，該大小和公差被構(gòu)造成使得:所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層均被對(duì)準(zhǔn)并且能夠被至少部分地堆壓在所述框架內(nèi)的所述支撐底部下方，并且所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層以所述第一連接邊緣處的各針與所述第二連接邊緣處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸的方式永久地接合。15.—種制作相控陣超聲波探頭的方法，其包括以下步驟: 設(shè)置柔性電路的片，所述柔性電路的片在第一連接邊緣處具有多個(gè)針， 設(shè)置支撐塊，所述支撐塊具有支撐頂部和支撐底部， 設(shè)置壓電陶瓷的層，所述壓電陶瓷的層具有靠近第二連接邊緣的多個(gè)導(dǎo)電元件， 設(shè)置匹配層， 設(shè)置框架，以及 通過(guò)涂布粘接材料，以及通過(guò)使用所述框架，將所述柔性電路、所述支撐塊、所述壓電陶瓷和所述匹配層中的每一者至少部分地限制、對(duì)準(zhǔn)、堆壓以及永久接合在所述支撐底部下方，使得所述第一連接邊緣處的各針與所述第二連接邊緣處的對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電元件對(duì)應(yīng)地、牢固地且永久地接觸。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述支撐塊是所述支撐頂部和所述支撐底部為多邊形形狀的多邊棱柱的形狀，所述框架的在與所述支撐底部平行的平面中的截面具有與所述支撐底部或所述支撐頂部的形狀大致相同的多邊形形狀。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆壓之前，在所述第一連接邊緣處的多個(gè)針的伸出到所述支撐底部下方的部分形成下部針，所述下部針在被堆壓的同時(shí)朝向所述支撐底部彎曲。18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆壓之后，所述下部針被夾在所述支撐底部與所述壓電陶瓷之間。19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆壓之前，與所述第一連接邊緣相反的頂部側(cè)的多個(gè)針的一部分伸出到所述支撐頂部上方并形成上部針，所述上部針朝向所述支撐頂部彎曲并且被構(gòu)造成與將與所述探頭聯(lián)接的儀器電聯(lián)接。20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述粘接材料包含至少環(huán)氧類材料。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK105880139SQ201610082838
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年2月5日
【發(fā)明人】J·勞德米爾希, T·雷伊
【申請(qǐng)人】奧林巴斯科技美國(guó)公司