具有平面和非平面部分的电路图案的光纤划线的方法

专利名称：具有平面和非平面部分的电路图案的光纤划线的方法
技术领域：
本发明涉及光纤电路板及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种将光导纤维粘合到介质基片上以形成具有平面和非平面部分的纤维电路图案以及由所述纤维电路图案构成的互连卡、智能卡或光纤电路卡的改进方法。
背景技术：
在电气和电子元件的制造和装配方面，长久以来用线路板来互连电子部件。这些“互连”板或卡具有一块其上装有多个电子部件的绝缘基片，所述电子部件可以是安装在绝缘基片上的集成电路组件或其他类型的电子、光电或光学元件，所述“互连”板或卡还具有一个相互连接各个部件的传导路径区域的图案。
由于光纤(optical filaments或optical fibers)可传送的信息远多于电导体(并且信号减弱远小于电导体)，因而光纤的使用日益广泛。例如，光纤底板(optical backplanes)越来越多地用在需要更高的电路密集度但难以使用一般的电线底板的电子系统中。光纤底板由以给定的图案或电路几何图安装或划线在基片上的多根光纤形成。光纤底板互连以光的形式传送信号的光纤电路部件以及电路部件、接线板、模块和/或集成电路。当光纤底板互连电气部件时，每一个部件的电能转换成光能，由光纤底板上的光纤将所述光能传送到另一个电气部件，光能在那里转换回电能以传送到另一个电气部件。
光纤底板依据不同的方法制成，从手工将光纤置于基片上，到通过机械化装置以给定的图案将光纤划在基片上。然而却难以工业制造带有光纤的互连卡，这些已知的方法往往导致无法接受的结果。光纤极小、难以处理。同时，这些微小的纤维易碎，往往不能经受在划线过程中由于急转弯产生的应力或类似情形。在交叠点(即一根导线与其自身或另一根导线重叠的地方)光纤的断裂尤其成问题，因为应力在这些点会急剧增高。在使用超声波能量来将纤维粘合到基片上时，由于会导致进一步的纤维断裂而更成问题。由于断裂比率的增加，光纤电路板制造的工业价值大打折扣。
例如，美国专利号3,674,602和3,674,914(日期均为1972年7月4日)描述了互连卡的制造方法。依据这些方法，将一基片安装在一个真空台上。接着用一个导线分送和粘接头以一个预先选定的平面电路图案将导线划到一基片表面上。这种方法就是公知的“导线划线”。一层压到基片表面上的粘合膜将导线紧固到基片上。在与导线接触时，粘接头发出的能量活化粘合膜，从而将导线粘接到基片上。
然而，在导线划线过程中，应力可严重到导致导线断裂(在交叠点达到12MPa)。1996年1月9日颁发给Luke等人的美国专利号5,483,603描述了一个用来检测断裂的导线划线电路板自动光学检验的系统和方法。相似地，在划线过程中，光纤上的应力增加了断裂和“微折”的可能性，所述“微折”状态可造成在沿着光纤传播过程中信号的衰减现象。
美国专利号6,088,230和6,233,818(日期分别为2000年7月17日和2001年5月22日)描述了将导线粘接到基片或装有芯片的板上的其他方法。美国专利号6,088,230专利公开了通过基片上的粘合层将芯片安装在基片上。接着，将导线的一个自由端焊接到一个芯片的接触面上。将成圈的导线分送到基片表面上。至少在若干点上将导线溶接到基片上。最后通过焊接将导线的第二自由端连接到另一个芯片的接触面上。美国专利号6,233,818公开了一种相似的方法，宣称除了金属导体外还可适用于玻璃纤维。然而，美国专利号6,088,230和6,233,818均没有描述使用光纤的实施例或者提供过程参数以成功地依据这些方法对光纤进行划线。
1993年11月2日颁发给BURACK等人的美国专利号5,259,051公开了一种通过将光纤划到基片上以使光纤互连的方法。由于划线头可以沿着X、Y和Z轴向移动，所以可以形成交迭点。一弹簧将划线头向下推到基片上，并在遇到障碍时允许划线头在交迭点处上推。光纤处的Z轴移动是不受控的，而取决于由划线过程中所遇到的障碍造成的阻力。
另外，在美国专利号5,259,051的方法中，光纤并未嵌入到基片中，而只是置于基片的表面上。因而，在划线之后，光纤由封包光纤的塑料膜覆盖。通过施加压力和热将塑料膜层压到基片上。封包光纤所必要的这个压力也会使光纤断裂。在日益常见和在光纤电路卡中所必需的交迭点处，断裂情况尤其成问题。
1994年5月8日颁发给BURACK等人的美国专利号5,292,390公开了一种生产光纤电路的相似的方法。首先将光纤粘接到基片的上表面上，接着用热塑性膜片材料将其覆盖。接着，在一个提高的温度和相当高的压力下紧压所形成的结构以将热塑性材料粘接或贴合到塑料基片上。在冷却之后，再一次对该结构进行加热并使其经受更高的压力以封包住光纤。即使在这种方式下，光纤仍然易受损坏，尤其当光纤电路图案包含有许多交叠点时，原因是热塑性膜片材料上加有热和压力。
因而，适于进行大规模生产的制造光纤电路板的方法长久以来在工业上已成为一个需要。有各种不同的自动将导线进行划线并粘接到基片上的机器，但这些机器总的来说不适合用于光纤，原因是光纤相对易碎且不能经受热、压力以及急转弯等。
发明目的因而，本发明的一个目的即为提供一种适于进行大规模生产的以快速、有成本效益方式形成具有平面和非平面部分的光纤电路图案的方法。
另一个目的为提供一种在制造过程中通过减少纤维上的应力而避免纤维断裂的制造光纤划线电路的方法。
本发明的另一个目的为提供由一个或多个基本上没有应力的交迭点制成的光纤划线电路。
本发明的另一个目的为提供一种不使用厚、高性能绝缘层的制造导线划线电路的方法。
本发明的另一个目的为提供一种不使用难以去除的绝缘层的制造导线划线电路的方法。
本发明的另一个目的为提供不需要纤维带有厚、重的聚酰亚胺绝缘涂层以耐受制造过程的导线划线电路板。
本发明的另一个目的为提供纤维具有薄的聚氨酯涂层的导线划线电路板。
本发明的另一个目的为提供具有光滑和均匀外部以能随后打印例如数字化图像的智能卡。
在参看以下的说明书和权利要求书后，本发明的这些目的以及其他目的对于本领域的技术人员将变得显而易见。
发明概述在一个方面，本发明涉及在介质基片上或其临近处具有平面和非平面部分的光纤划线电路图案的方法。以沿一平行于基片表面的平面的约110英寸/分到约190英寸/分之间的速度在表面上或其临近处对一预先选定的连续光导纤维划线，从而由该划线的纤维形成电路图案的一个平面部分。通过放置下一根邻近早先刚刚划线的光导纤维的预先选定的连续纤维，从而该下一根预先选定的纤维横跨但不与形成基片表面的一部分的、预先选定的表面或区域粘合，由此形成电路图案的一个非平面部分。接着，在所述表面上或其临近处对另一根预先选定的连续纤维以约110英寸/分到约190英寸/分之间的速度划线以形成纤维电路的另一个平面部分。该下一根预先选定的纤维邻近形成纤维电路非平面部分的纤维。
已发现本发明能获得迄今为止无法获得的易碎光纤的划线速度。为了避免断裂，使光纤粘接到基片上所用的能量保持在一个获得足够粘接所需要的最小量。然而，当前后协同地(in tandem)提高划线速度和粘接能量(即超声波能量和压力)时，可获得令人惊奇的结果。可获得光纤和基片之间的出乎意料的强的结合力而不增加对纤维的损坏。这使得光纤电路板的工业化制造成为可行。
本发明另外的特征和优点将随着在以下的说明书中对本发明更加详细的描述、附图和权利要求书而变得显而易见。这些描述纯为示意性而不构成限定。
附图简单说明附

图1为用来制造三维纤维电路板的装置的示意图。
附图2a为纤维电路板的一部分的平面图，图中将一根纤维装设到基片上。
附图2b为附图2a中所示纤维电路板的相同部分的平面图，示出在纤维电路划线过程中纤维与基片进一步的粘接。
附图2c为附图2a和附图2b中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出一纤维电路部分在早先划线的纤维电路部分上方的放置。
附图2d为附图2a-2c中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出在纤维电路的主要部分上方放置一个纤维部分之后粘接过程的继续。
附图2e为附图2a-2d中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出纤维划线过程的继续。
附图2f为显示纤维电路板的一部分的平面图，示出一个纤维部分在基片的一个凹部上方的放置。
附图2g为显示纤维电路板的一部分的平面图，示出一个纤维部分在基片的一个凸起区域上方的放置。
附图3a为纤维电路板的一部分的平面图，图中将一根纤维装设到基片上。
附图3b为附图3a中所示纤维电路板的相同部分的平面图，示出在纤维电路划线过程中纤维与基片进一步的粘接。
附图3c为附图3a和附图3b中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出一个纤维部分在早先划线的纤维电路部分的下面的放置。
附图3d为附图3a-3c中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出在纤维电路的主要部分的下面放置一个纤维部分的过程中粘接过程的继续。
附图3e为附图3a-3d中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出粘接过程通过恢复在基片表面上划线继续进行。
附图3f为附图3a-3e中所示纤维电路板的相同部分的平面图，进一步示出粘接过程通过将另外的纤维部分划到嵌入纤维部分上继续进行。
附图4为依据本发明制成的一个交迭点的顶视图。
发明的具体描述依据本发明，提供了具有平面和非平面部分的光纤划线电路图案(optical filament scribing circuit patterns)以及由所述光纤划线电路图案构成的互连卡、智能卡或光纤电路卡的形成方法。
互连卡、智能卡和光纤电路卡具有划线并粘合到绝缘基片上的纤维电路(filament circuits)。多根划线的传导纤维构成了纤维电路图案。将每一根纤维从一端到另一端、一根接着另一根连续地划线并粘合到基片上，直到划出一个完整的纤维电路图案。基片的表面可接上电子、光电或光学元件。
可使用任何传导纤维，包括电导或光导纤维。例如可使用金属或导电线如铜线。纤维的周围提供有绝缘体。
光导纤维或光纤可以是单模或多模纤维。光导纤维可由任何透明的介质材料制成，通常是导光的玻璃或塑料。典型的光纤由三部分构成芯、包层和护套。纤维的芯或叫中心体是光的实际传播路径。与芯粘接(Bonded)的是包层。
芯和包层可由相同或不同的材料制成，比如光导玻璃或水晶。例如，芯和包层均可由硅石或掺杂的硅石以及其他含硅石或相似的光导材料制成。然而，应该理解也可使用其他本领域技术人员所知的材料。可使用的一些其他材料的示例为硫化物、氟化物、氧卤化物、以及掺杂稀土族离子的蹄酸盐玻璃(即钕掺杂蹄酸盐玻璃或铒掺杂氟化物玻璃)。芯和包层的材料应选择为使芯的折射率稍微高于包层的折射率。通过使芯的折射率稍微高于包层的折射率，将光保持在芯内并在其内传播。
通常具有护套以保护包层，但不全是。护套可以是一种适合的聚合物(通常称作缓冲套)，或者可以是一种塑料套。例如，封包的光纤由聚丙烯酸脂、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸酯、聚氨酯和乙烯醚制成的缓冲套环绕。
可根据各种公知的技术对光纤的抗拉强度进行测量。G.S.Glaesemann和D.J.Walter在《Method Of Obtaining Long-LengthStrength Distribution For Reliability Prediction》(《光学工程》30卷6号刊第746-748页，1991年6月)一文中公开了一种较佳的测试抗拉强度的方法。为理解本发明所需，所述公开通过一定程度的参考结合在本文中。依据这个方法进行测试时较佳为光纤具有至少约100kpsi(千磅/平方英寸)的抗拉强度。
在将纤维的一部分横跨纤维的另一部分(交迭点)处，在金属传导纤维上必须要有绝缘体以避免不需要的电气连接。而对于光导纤维，绝缘体为非必须。
粘合涂层和一层或多层打底的绝缘层(如具有的话)应该是可去除的。划线纤维和元件之间的电连接通过去除绝缘体和/或粘合剂进行。因此，粘合涂层和绝缘层应该能够去除，而不会损坏纤维或其上要粘接纤维的基片表面。绝缘体较佳为一种在通常的焊接温度下能轻易去除的热塑性材料。
基片构成互连卡的基体，提供结构方面的强度和支撑。可使用任何传统的基片。例如包括(1)带或不带蚀刻箔片接电和接地导体或类似物的电路基片；或者(2)电子互连板，包括断续接线(discrete-wired)的电路板、标准印刷电路板、多层电路板；其上带有元件的电路板，或者处于任何其他形成阶段的电路板。基片可由任何介质材料制成，包括酚纸片、环氧纸片、环氧玻璃片、环氧玻璃复层、聚酰亚胺薄片、三嗪树脂薄片和具有适宜热特性和电特性的其他基体材料。基片材料应具有足够的刚度、强度和厚度以满足成品互连板的要求。
导线的划线要求基片或纤维具有可活化粘合面的能量。纤维或基片可由具有这种特性的材料制成。另外，纤维或基片也可以是具有粘合涂层。在本领域中，导线划线的粘合剂广为人知，在颁发给Schonberg等人的美国专利号4,642,321和颁发给RUDIK等人的美国专利号4,544,801以及颁发给FRIEDRICH等人的美国专利号5,340,946中均有描述。可在基片上施加可活化粘合涂层，比如部分固化的热固性树脂，其在加热时具有延展性，在稍微加热时则具有粘合力。或者在纤维上加设粘合涂层。
可以使用任何适合的能够粘合纤维和基片的粘合材料。适合材料的一个样例是压敏性丙烯酸粘合带。
附图1示出实施本发明的装置的一个实施例的示意图。一个电子机械导线送料机构32，适于将纤维102分送到布线头20。导线送料机构32可包含一个与主导轮或驱动轮36连接的送料器电机34。主导轮36制有一个与纤维102紧密配合公差制成的凹槽26。精密轴承38位于将纤维压向布线头20的位置。当启动送料器电机34时，主导轮36旋转，纤维102被压入布线头20上的纤维引导器22。如果送料器电机34是直流电机，则以一个与所使用的直流电压成比例的速度对纤维送料。
布线头20具有一个前述的纤维引导器22、一个针24和一个变换组件(transducer assembly)50。较佳地，纤维引导器22和针24制成具有与纤维外径的紧密配合公差的凹槽62。纤维102从导线送料机构32送至纤维引导器22，并送至针24的凹槽26的下面。针头和纤维引导器的凹槽防止纤维的位置偏离正确路径。变换器54位于针头24的附近，将能量施加到被分送的纤维102或临近的基片106上。所述能量至少将纤维被分送的部分粘合到基片上。
用于活化粘合面的能量的数量和强度应该是可控的。能量的大小应能活化粘合剂，但不损坏纤维102或基片表面106。可以使用热、压力、超声波、激光或辐射能源或上述能源的组合能源。例如，也可通过在粘合面的一个部分使用一种溶剂而对粘合剂进行化学活化。另外，热气或过热气体如空气也可用在涂层上，提供热能以活化粘合剂。
附图1示出一个较佳的超声波变换组件。该变换组件50具有一个螺线管52，其激励位于螺线管52的中心的磁致伸缩变换器54，从而当电流通到螺线管52时，变换器54以固有频率进行机械振动。变换器54的机械运动传送到设于变换器54的针头24，从而使针头24振动。针头的振幅与通到螺线管52的电流的振幅成比例。针头24由套管28或其他支承件牢固地支承，从而防止偏离正确位置。
任何传统的控制器均可用来调节用于活化粘合面的能量的大小。
促动组件(actuator assembly)60沿着三个直交的轴向使布线头20和基片106相互移位。用于此目的的传统的移动台典型地可以通过液动或气动促动器绕着其各自的轴线以旋转方式移位。应该理解，基片或布线头或两者均可固定在此种移动台上。另一种做法是，将基片固定于仅能够在两个方向(X和Y)移动的移动台上，而布线头沿着Z轴移动。因而能够实现布线头相对于基片的三轴移位。可以使用任何传统的三维移动方法。
较佳地，促动组件60能横向和垂直地移动布线头20。最好是促动组件60使针24和纤维引导器22相互独立地移位。例如，当粘合剂为压敏性时，促动组件60较佳为通过针24调节施加到纤维上的压力。电子或气动系统62定位包含针24的布线头20并控制将纤维压到基片106上的压力。另外，悬移组件(suspension assembly)64可根据划线过程中的要求将纤维引导器抬起或放下。
依据上述的较佳实施例，针头24首先处于一个与纤维引导器22大致等高的位置。在划线过程中启动导线送料机构32以分送一段纤维102。放下针头24以将纤维102压向基片106。纤维引导器22所处的位置使得纤维102陷入到针头24的凹槽26中。对磁致伸缩性变换器54进行励磁以用能量将纤维104粘接到基片106上。
接着按照一个预先选定的图案相互移动基片106和纤维引导器22。导线送料器32和纤维引导器22将预定量的纤维102分送到基片上以形成一个纤维电路。选择性地启动变换组件50以将纤维104粘接到基片106上。
在端点处，可使用一个切割器30来切割纤维。
在连接点处，可使用变换组件50来将纤维104熔接到半导体器件112或其他电器或光学元件上。
当横跨一个凹入区域(比如孔洞114)、一个凸起区域(比如安装垫片或另一根导线116)时，过程顺序按以下方式进行第一步控制器56减少用来粘接纤维102和基片106的能量。例如，关掉超声波能源58或将其切换到空转状态，从而减少确保纤维102与基片106紧密接触的、由针头24所施加的压力。同时布线头20沿着Z轴方向从基片106上抬起一距离。
第二步布线头20在到达障碍点114或116的前缘110时被驱动至一个在所述障碍点上方的一定的Z轴高度。随着布线头20向上移动，将直流电接通到送料器电机上以分送纤维102，从而布线头20横跨障碍点114和116。通过这种方式，被分送的纤维102的量以及布线头20的移位均依据障碍点114和116的尺寸得以控制。
在横跨障碍点114或116之后，沿Z轴向着基片106的表面方向放下布线头20，至纤维102接触到基片106，并且针26将压力施加于其上。接通超声波能源58，继续前述的顺序，直到纤维104粘合、纤维电路100完成及切割器启动。
现参看附图2a-2g，在以诸如附图1中所示的装置10将纤维102划到基片106上的过程中，将基片106固定到工作台68上，并使基片106与布线头20关联。较佳地，基片106相对于布线头20的移动通过自动方式比如通过计算机66控制。可固定布线头20，而工作台68可三个方向移动。或者，布线头20可在所有三个方向上移动，而固定住工作台68。也可以布线头20和工作台68均可在所有三个方向上移动。
附图2A-2G示出形成具有平面和非平面部分的一个纤维电路图案100的互连卡的顺序步骤。如图所示，本发明使得在对纤维电路图案100进行划线的同时减少在交迭点107处加到纤维上的压力。另外，本发明能使纤维电路图案100在预先存在的凸起区域116比如垫片和接触图案上方划线。
在附图2a中示出一个处于划线过程起始步骤的互连卡120。互连卡120包含一块带有粘合于其表面上的纤维104的基片106。基片106可包含多个凹入区域114，比如预先钻出的孔眼、凹槽、孔洞或类似物。在基片106的表面上也可具有垫片、连接结构或其他凸起区域116。
一旦纤维104被划线并粘合到基片106上，如上所述，由纤维104所占据的基片上的部分称为“第一预置区域”。基片上包含或设置成要包含凹入或凸起区域114或116的区域也可称为第一预置区域。当随后的纤维要横跨早先划线的纤维时，这些随后划线的纤维将不直接与基片106粘接。
参看附图2b，划线针24和基片106相互之间在一个与基片106的表面平行的X-Y平面上移动，同时将纤维104分送并粘合到基片106的表面上。在针24到达基片106上的一个预置区域的一个前缘110时，移动停止。针24从基片106的表面上沿着Z轴方向抬起一段距离，所述Z轴方向垂直于由基片的表面确定的X-Y平面。
如附图2c所示，接着相互之间移动针24和基片106，同时分送纤维102。在这个步骤中可以不施加活化粘合剂的活化能量。通过这个方式，随后划线的纤维102可以横跨早先粘接的纤维104而不与其接触，并且未被粘合到其上。
参看附图2d，一旦针24到达基片106上的第一预置区域的一个后缘112时，针24再一次沿着Z轴方向移动，使纤维102与基片106的表面接触。恢复活化粘合剂的能量施加，将纤维104粘合到基片106的表面上。如附图2e所示，相互之间移动针24和基片106，同时将纤维104分送并粘合到基片表面106。继续这个过程直到形成一个完整的纤维电路图案100。
如附图2f所示，可利用如上所述的过程在基片106区域上方对一根未粘接的纤维102划线，所述区域包含孔眼、凹槽、孔洞或类似物114。附图2g示出用来在基片106区域上方对纤维102划线的相同的过程，所述区域带有一个凸起116比如一个垫片或接触图案。
附图3a-3f示出用于形成纤维电路图案100的、具有非平面部分的互连卡120的顺序步骤，所述纤维电路图案100包含数根沿着Z轴方向嵌入到基片106中的纤维105，所述Z轴方向处于由基片106的表面确定的X-Y平面的下方。如图所示，本发明使得在对纤维电路图案100进行划线时减少在交迭点107处施加在纤维上的压力。另外，本发明还使得纤维电路图案100进入基片106的凹入区域114中。
在附图3a中示出一个处于划线过程起始步骤的互连卡120。将纤维102送到基片表面106。沿Z轴向着基片106的表面方向移动划线针24，使纤维102与基片表面106相互接触。与此同时或随后将能量施加到纤维102或基片或者两者上以活化粘合面。通过这个方式将纤维104粘接到基片表面106上。
参看附图3b，相互移动划线针24和基片106，同时将纤维102分送到基片表面106上。如上所述，在纤维102接触到基片表面106时，将纤维102粘合到基片表面106上。
基片106的区域可称为“第二预置区域”。这些区域可包含交迭点107。在基片106上的第二预置区域的前缘110处，针24和基片106相互之间的移动停止。接着沿着Z轴将针24和基片106移近。
参看附图3c，针24以受控和预先选定的方式沿着Z轴向下移动，将纤维105嵌入到基片表面的下面。在这个步骤中，可增加活化粘合剂的活化能量。接着，针24和基片106相互之间沿着X和Y轴方向移动。
参看附图3d，一旦针24到达基片106上的第二预置区域的一个后缘112时，针24与基片106相互之间沿着Z轴方向移动，使纤维102与基片表面106接触。恢复活化粘合剂的能量施加，将纤维104粘合到基片表面106上。如附图3e所示，相互之间移动针24和基片106，同时将纤维104分送并粘合到基片表面上。继续这个过程，直到形成一个完整的纤维电路图案100。
如附图3f所示，第二纤维104可放置在嵌入纤维105即那些早先粘合在位于基片表面106下面的第二平面上的纤维的上面。然而，在第二纤维104与嵌入纤维105相交的点处并没有停止施加活化粘合面的能量。相反地，第二纤维104粘合到嵌入纤维105的上面。通过这种方式，第二纤维104跨过嵌入纤维105，停留在与纤维电路图案100的主要部分相同的X-Y平面上。
附图4是依据本发明形成的交迭点的顶视图。如上所述，第一导线104粘接在基片表面上。第二导线104从线A到线B相似地粘接在与第一导线相同的X-Y平面上。在线B处代表第一预置区域的前缘110，针24和基片106沿着Z轴方向相互移开。针24从线B移动到线C(代表第一预置区域的后缘112)，同时分送另外的纤维102。在线C处，针24和基片106沿着Z轴方向相互移近。施加能量以活化粘合剂并将纤维104粘接到基片表面106。接着针24和基片106相互之间沿着X-Y平面移动，同时将纤维104分送和粘合到基片106的表面上，如上所述。从而形成一个三维的纤维电路。
本发明涉及一种特别有优势的形成具有处于或临近绝缘基片的表面的平面和非平面部分的纤维电路图案的方法。光纤粘接过程十分复杂。本发明设计成将光纤粘接头组件以预定的路径快速地跨过基片移动，与此同时，将光纤分送并通过超声波粘接到基片的表面上。这要求用于分送光纤的电机的动作以及所产生的超声波能量都得到精确地控制，并被调制成与粘接机构的相对速度成比例。另外，粘接机构在旋转和Z轴移动方面的特性也必须要加以控制，以及与其它系统功能精确地协调。如以下所阐明，使用特定量的超声波能量和针压力，本发明可获得快于先前50％的划线速度。另外，光纤和基片之间甚至在进行快速划线时也具有很强的粘接力。
如果划线速度设定得太快，可造成光纤不能牢固地粘接到基片上。这会使光纤电路板欠坚固的而无法让人接受。另外，高的划线速度可造成光纤断裂，这同样也是无法让人接受。但是不管怎样，提高划线速度以提高生产率仍然是很重要的。
光纤和基片之间的粘接力较佳地在大约7克到大约14克之间，更好地在大约9克到大约12克之间，最好在大约10克到大约11克之间。
在这个方面，本发明是一个三步骤的方法。第一步，在一个与基片的表面平行的平面中以及在基片的一个表面上或其临近处对一根预先选定的连续的光导纤维划线。这就形成了电路图案的一个平面部分。较佳地，在划线步骤中，布线头20和基片相互之间以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度移动，移动速度为大约130英寸/分到大约170英寸/分之间更好，最好移动速度为大约150英寸/分。为了获得这些速度而同时满足(1)确保光纤和基片之间的牢固粘接，(2)避免易碎光纤的断裂这两个互相矛盾的目标，选定一适宜的粘接能量。
具体地说，较佳地是通过施加超声波能量将光纤粘接到基片上。在划线过程中同时施加超声波能量和压力则更佳。当在划线过程中施加超声波能量时，所用的电流在大约1.2安培到大约1.4安培之间，在大约1.3安培到大约1.4安培之间则更佳。另外，超声波能量具有一个在大约1伏特到大约2伏特之间的空转电压。运行电压在11到12伏特之间。另外，运行功率在大约2.0瓦特到大约3.5瓦特之间，较佳地在大约2.5瓦特到大约3.0瓦特之间。
如果在划线过程中施加压力，较佳地，所施加的压力在大约1.200牛顿到大约1.324牛顿之间，在大约1.275牛顿到大约1.324牛顿之间则更佳。
第二步，形成一个电路图案的非平面部分。布线头20(与前述的布线头纤维引导器22、针24和粘接变换组件50一同)沿着平面和非平面方向移动。因而，由纤维引导器22夹持的光纤也同样沿着平面和非平面方向移动。光纤从布线头上被分送出去，以放置下一根连续光纤。该下一根光纤横跨但不与构成基片表面的一部分的、预先选定的表面或区域粘合。为了实现这种不粘接的交迭，在交迭过程中用在光纤上的压力较佳地减少到大约0.333到大约0.353牛顿之间。这避免了高应力造成的光纤断裂。
第三步，对平行于基片表面的一个平面进行划线。具体地，在基片表面上或其临近处将临近形成纤维电路的非平面部分的纤维的下一根预先选定的连续的纤维粘接到基片上以形成电路的另一个平面部分。同样地，如同在以上第一步骤中所述(即通过超声波能量和压力的施加)完成划线过程以及光纤与基片的粘接。通过执行上述方法，可使三维光纤电路的划线速度在大约110英寸/分到大约190英寸/分之间，在130英寸/分到大约170英寸/分之间更佳，最好为150英寸/分。
例1使用如上所述的装置和光纤形成一具有平面和非平面部分的划线纤维电路图案。例如，可使用纽约州Hauppauge的AdvancedInterconnection Technology，L.L.C.(Stratos Lightwave company)提供的COILPROTM2000系列布线机或COILPROTM4000系列布线机。
所用的基片为特拉华州Wilmington的DuPont，Inc.提供的聚酰亚胺膜片，商标名为KAPTON200HN，50微米厚。在一个表面上粘接上一层粘合剂制成基片。粘合剂为明尼苏达州St.Paul的3M提供的丙烯酸树脂，商标名为VHBTMAdhesive Transfer Tape。粘合层为250微米厚。使用滚动层压机将粘合层粘接到基片上。为此将两种膜片彼此对准，使其在层压机的滚筒之间通过。从动滚筒(compliant rollers)则是将材料挤压在一起。
光纤为纽约州Corning的Corning Incorporated提供的单模光纤，商标名为SMF-28TMFiber。该光纤为硅芯、硅包层和丙烯酸缓冲套。标称芯径为9微米，从包层外侧测量，复合管直径为125±1微米。光纤的总直径(包含缓冲套)为245微米。
将光纤粘接到基片上而成一系列平行线，约长40cm，使用超声波能量，电流为1.3-1.4安培，空转电压在1到2伏特之间，运行电压为11-12伏特，运行功率为2.0-3.5瓦特。
除了超声波能量，也可将压力施加到光纤上。为将光纤嵌入基片，施加1.275到1.324牛顿之间的压力。在光纤“跳过”或横跨另一个区域(即光纤的另一段或一光学元件)时，施加0.333到0.353牛顿之间的较低的压力。
在这些条件下，所述装置能够以150英寸/分的速度对光纤进行划线。
比较例1采用与例1中相同的装置、基片和光纤，但使用不同的条件进行光纤粘接。具体地，超声波能量的电流为1.1-1.2安培，空转电压小于1伏特，运行电压为10-11伏特，运行功率为1.6-2.0瓦特。同样地，将光纤粘接到基片上而成一系列平行线，约长40cm。
将压力加到光纤上。为将光纤嵌入到基片上，施加大约1.177牛顿的压力。在光纤“跳过”或横跨过另一个区域(即光纤的另一段或一光学元件)时施加0.333到0.353牛顿之间的较低的压力。
在这些条件下，所述装置能够以100英寸/分的速度对光纤进行划线。
比较测试使用一个型号为#1130的Instron的应力测试仪对例1和比较例1中形成的粘接力进行定量测试。将每根光纤的一端夹紧在Instron设备的拉伸机构内。以10英寸/分的应变率将光纤垂直地从基片的表面上拉出。记录拉出所需要的力，以克表示。结果汇总如下

另外，在进行粘接力测试之前，沿着其长度方向以20倍光学放大对每一根粘接的光纤进行目测检验。未发现有由所述两个参数组合的使用而造成的任何物理或机械损坏。
这些结果是出乎意料的，稍微增加超声波能量和针压力就使粘接速度提高50％，粘接力提高到将近两倍。由于光纤粘接更加牢固，因而在随后的光电路的处理过程中极少可能有脱位或移动情况，这将直接使得生产率大幅提高以及产品质量更为上乘。
如上所述，本发明可通过各种实施例实施。从本发明更为广义的方面看，本发明不受限于在此描述的具体实施例。在所附权利要求书的范围之内可进行更改而不偏离本发明的原理和牺牲其主要优点。
权利要求
1.一种在一介质基片的表面或其临近处形成具有平面和非平面部分的光纤电路板的方法，其特征在于，所述方法包含(a)以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度沿一平行于基片表面的平面和在所述的基片表面上或临近所述基片表面处对一根预先选定的连续的光导纤维划线，从而由所述划线的纤维形成所述电路图案的一个平面部分；(b)通过沿着平面和非平面方向以可控的方式移动纤维并放置下一根预先选定的连续纤维形成电路图案的一个非平面部分，所述下一根预先选定的连续纤维邻近早先刚刚划线的光导纤维，从而横跨但不与形成基片表面的一部分的预先选定的表面或区域粘合；(c)以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度沿一平行于基片表面的平面和在所述的基片表面上或临近所述基片表面处对下一根预先选定的连续的纤维划线，所述下一根纤维邻近形成纤维电路非平面部分的所述纤维，从而形成电路的另一个平面部分，其中，所获得的光纤和基片之间的粘接力在大约7克到大约14克之间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片、或所述纤维或两者具有一层可通过施加能量活化的粘合面，以及，所述划线步骤(a)和(c)包含将所述纤维送到一个纤维引导器，同时相互之间移动纤维引导器和基片，从而将一根纤维从纤维引导器分送到纤维电路图案的基片的表面上；同步或随后，施加能活化基片和/或形成一个预先选定的电路路径的纤维的粘合面的能量，从而纤维粘合到纤维电路图案的基片上。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纤维引导器和所述基片以一个大约为150英寸/分的速度相互之间移动。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纤维引导器相对于基片移动，而所述基片保持固定。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基片相对于纤维引导器移动，而所述纤维引导器保持固定。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述施加能量的步骤包含施加输出功率为大约2.0瓦特到大约3.5瓦特的超声波能量。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超声波能量的输出功率在大约2.5瓦特到大约3.0瓦特之间。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加能量步骤进一步包含将大约1.177牛顿到大约1.324牛顿之间的压力施加到纤维上。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述压力在大约1.275牛顿到大约1.324牛顿之间。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述施加能量的步骤包含以一选自一组由热、超声波、压力及其组合构成的形式施加能量。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述施加能量以活化粘合面的步骤包含在所述表面上施加超声波能量。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述施加能量以活化粘合面的步骤包含将表面加热到大约90°F到大约160°F的温度范围之内。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)包含中断能量施加以使纤维不与形成基片的表面的一部分的预先选定的表面或区域粘合；沿着垂直于由基片的表面确定的平面的Z轴方向将纤维引导器和基片相互移开；通过在一个平行于由基片的表面确定的平面的平面中相互之间移动纤维引导器和基片，横跨形成基片的表面的一部分的预先选定的表面或区域，同时将纤维送到纤维引导器上，以使该下一根预先选定的连续纤维被分送在形成基片的表面的一部分的预先选定的表面或区域的上方，但不与所述预先选定的表面或区域接触；沿着Z轴方向相互移近纤维引导器和基片，直到纤维引导器位于一个由电路图案的平面部分确定的平面中。
14.一种光纤划线的方法，其特征在于，包含以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度将一根预先选定的连续光纤划在一块热塑性基片的一个表面上，以形成一个具有一预定路径的纤维电路图案；将足够的能量施加到纤维或基片上以在纤维和基片之间以获得大约7克到大约14克之间的粘接力。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述纤维电路图案至少具有一个交迭点。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述划线步骤包含通过在一平行于基片表面形成的平面中以可控方式移动并放置一根预先选定的连续纤维而对纤维电路图案的一第一大体平面部分划线；通过以可控方式沿着平面和非平面方向移动纤维并放置邻近早先刚刚划线的纤维的下一根预先选定的连续纤维，以使该下一根预先选定的纤维横跨但不与一形成基片表面的一部分的预先选定的表面或区域粘合，由此对纤维电路图案的一个大体非平面部分划线；通过在一个平行于基片表面的平面中以可控方式移动并放置邻近形成纤维电路非平面部分的纤维的下一根预先选定的连续纤维，由此对纤维电路图案的一第二大体平面部分划线。
17.一种光纤划线的装置，包含用于以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度将一根预先选定的连续的光纤划到一块热塑性基片的一个表面上，以形成一个具有一个预定路径的纤维电路图案的装置；用于将足够的能量施加到纤维或基片上以在纤维和基片之间获得大约7克到大约14克之间的粘接力的装置。
全文摘要
提供形成具有平面和非平面部分的光纤电路图案的方法。以大约110英寸/分到大约190英寸/分之间的速度相互之间移动纤维引导器和基片，并将一根光纤分送在或靠近基片的一个表面，由此对一光纤电路图案划线。纤维、基片或两者具有粘合面。粘合面能够通过施加能量进行粘性活化。能量施加与划线过程同步或在其后。较佳地，施加输出功率在大约2.0瓦特到大约3.5瓦特之间的超声波能量，同时将大约1.177牛顿到大约1.324牛顿之间的压力施加到纤维上。纤维电路图案的一部分为平面而另一部分为非平面。非平面部分横跨但不与基片的一个预先选定的区域接触或粘合。预先选定的区域对应于一个垫片、一个接触图案、一个孔眼、一个凹槽、一个凸起区域、图案中早先划线的平面部分的一部分、以及一个纤维的端点。另一种做法是，非平面部分可嵌入到基片表面的下面。纤维电路的另一个平面部分横跨非平面部分但不与早先划线的非平面部分的一个预先选定的部分接触或粘合。通过这种方式形成光纤划线电路板。
文档编号B42D15/10GK1672168SQ03818201
公开日2005年9月21日 申请日期2003年7月29日 优先权日2002年7月29日
发明者雷蒙德·S·基奥 申请人:斯特拉托斯国际有限公司