具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器的制造方法
【专利摘要】具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器。本发明公开了NDT/NDI探头阵列和制造方法。该探头阵列包括柔性电路(10)的片，柔性电路(10)的片具有多个下部针(102)和对应的电连接的上部针(104)。该探头还包括：支撑块(12)；压电陶瓷(16)的层，压电陶瓷(16)的层具有多个导电元件(162)；匹配层(18)和框架(14)。诸如环氧树脂等的粘接材料被涂布于柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层，柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层均在框架内对准且至少部分地堆压在框架内，并且柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层以柔性电路的各下部针与压电陶瓷的导电元件中的对应的一个导电元件牢固地且永久地接触的方式永久接合。
【专利说明】具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2015年2月6日递交的、名称为“PHASED ARRAY ULTRASONICTRANSDUCERS WITH SOLDERLESS STACK BONDING ASSEMBLY” 的美国临时专利申请N0.62/112，933的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明涉及无损检测和无损检验装置(non-destrueti ve testing andinspect1n devices = NDT/NDI)，更特别地，涉及利用无焊接的堆叠接合组装方法来制造相控阵超声波检测(phased array ultrasonic testing = PAUT)换能器(transducer)。
【背景技术】
[0004]通常，PAUT换能器包括:压电陶瓷换能器阵列，导电元件沉积(deposite)在压电陶瓷上用于与阵列的各换能器电接触；用于衰减声音的支撑材料;和具有用于与导电元件接触的针的电路。针和电路通常是柔性印刷电路板(PCB)的形式。导电元件由可以通过诸如溅射等的任何适合的沉积方法沉积的诸如金等的导电材料的薄膜形成，该膜形成为各导电元件与阵列的一个换能器电接触的图案。
[0005]在现有实践中，PAUT换能器的组装方法包括使用焊接来将柔性电路安装于导电元件。即使利用高度的自动化，焊接通常也是费时费力的，这降低了生产率。
[0006]另外，在制造换能器的PAUT工业中使用的焊接主要牵涉到铅焊。直到2017年，要求该工业遵守限制有害物质(ROHS)，以便向欧盟提供产品。结果，将对此应用要求无铅制造。
[0007]因而，需要如下用于制作PAUT探头的组装工艺，其能够在不使用焊接的情况下实现PCB与压电元件之间的精确的、牢固的且永久的接触。
【发明内容】
[0008]这里公开的本发明解决了存在前述缺点的用于PAUT探头制造的现有组装方法所涉及的问题，诸如低生产率和铅污染等。注意，本文使用的术语“探头”、“换能器”和“传感器”可以可交换地使用。
[0009]因此，本发明的总体目的是提供一种通过无需焊接的组装工艺而得到的方法和NDT/NDI 探头。
[0010]本发明的另一个目的是布置使PCB的针与压电陶瓷上的导电元件精确对准的堆叠接合工艺。
[0011]本发明的另一个目的是利用框架和压力手段来精确地、牢固地且永久地实现PCB的针与压电陶瓷上的导电元件之间的接触。
[0012]通过如下方案实现本发明的上述目的。
[0013]—种相控阵超声波探头，其包括:柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针;支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部;压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件；匹配层;和框架，其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准且被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。
[0014]—种制作相控阵超声波探头的方法，其包括以下步骤:设置柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针;设置支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部;设置压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件;设置匹配层;设置框架；以及通过涂布粘接材料以及通过使用所述框架，将所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层中的每一者至少部分地限制、对准、堆压以及永久接合在所述支撑底部下方，使得所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触。
[0015]还能够理解，本发明的探头提供了没有任何焊接的、缩短制造周期的优点。
【附图说明】
[0016]图1是根据本发明的待组装的相控阵超声换能器的半截面分解立体图。
[0017]图2是示出了夹在支撑块与压电陶瓷之间的柔性电路的半截面立体图，其中涂布环氧树脂以取代焊接。
[0018]图3是示出了根据本发明的柔性电路的针与压电陶瓷上的导电元件匹配的相控阵超声换能器的立体截面图。
[0019]图4是示出了根据本发明的组装工艺的流程图。
【具体实施方式】
[0020]图1不出了相控阵超声换能器(phased array ultrasonic transducer)的组装。如图1、图2和图3所示，PAUT探头包括柔性电路10、框架14、压电陶瓷16、匹配层18和支撑块(backing block) 12，支撑块12具有支撑顶部12a、支撑底部12b和支撑侧部12c。压电陶瓷16包括多个换能器，多个导电元件162靠近第二连接边缘162a，用于与各换能器电接触。柔性电路10在第一连接边缘102a处包含多个导电的下部针102，其中下部针102中的每一个下部针被构造成与导电元件162中的对应的一个导电元件电接触。柔性电路10还具有多个上部针104，其目的是使得与相控阵超声换能器的外部进行电接触。上部针104中的每一个上部针通过柔性电路1与下部针1 2中的对应的一个下部针电接触。柔性电路1上能够获得接地面24，以便为柔性电路10和压电陶瓷16上的换能器提供共用的电气接地连接。
[0021]应当注意，在图1和图3中导电元件162作为一维阵列的线被示出，这对于与一维阵列的换能器进行接触来说将是合适的。然而，在本发明的另一个实施方式中，压电陶瓷16可以包括二维阵列的换能器，导电元件162以用于与各换能器电接触的对应的二维阵列的导电点的方式配置。在该实施方式中，下部针102将具有不同的长度，各针的端部被构造成与导电点中的一个导电点进行电接触。
[0022]在组装相控阵超声换能器期间，柔性电路10的下部针102需要形成为与压电陶瓷16的对应的导电元件162牢固且永久的接触，以便发送电脉冲使压电陶瓷振动并产生超声波。根据本发明，这种牢固且永久的接触通过施加压力和永久接合手段(means)实现。可以由诸如塑料等的任何合适的电绝缘材料制成的框架14用作匹配层18、压电陶瓷16、柔性电路10和支撑材料12用的对准工具。另外，对准孔22用于对准标准加压工具(未示出)中的压力针，可以通过手动或其它手段激活该标准加压工具以对超声换能器组装的层之间施加压力。注意，框架14和支撑块12具有各自的大小和公差，该大小和公差被构造成使得:柔性电路10、支撑块12、压电陶瓷16和匹配层18均被对准并且能够被至少部分地堆压在框架14内的支撑底部12b下方，并以第一连接边缘102a处的各针与第二连接边缘162a处的对应的导电元件162对应地、牢固地且永久地接触的方式永久接合。
[0023]应当注意，“边缘” 102a和边缘162a不一定如图1所示为直线状。“边缘” 102a和边缘162a仅分别表示柔性电路10和压电陶瓷16的远端部。在可选择的实施方式中，“边缘” 102a和边缘162a可以采取各针102和162具有不同长度的非均一杆(uneven bar)的形式，只要对应的针102和162具有充分重合的端部或边缘，使得它们在被堆压后对应地、牢固地且永久地接触即可。该可选择的实施方式可以用于压电陶瓷16包括二维阵列的换能器的情形。
[0024]参照图2和图3，涂布诸如环氧树脂等的粘接剂以将柔性电路10永久地接合就位并且维持柔性电路10与压电陶瓷16之间的电连接性。柔性电路10与压电陶瓷16之间的电连接性通过以下关于图4说明的堆叠接合工艺来实现。
[0025]图2示出了由匹配层18、压电陶瓷16和柔性电路10构成的堆叠，匹配层18、压电陶瓷16和柔性电路10全体在压力下被压缩在支撑块12下方。注意，柔性电路10在三个侧面包裹支撑块12。在压缩期间，挤出过量的环氧树脂，特别是从下部针102与导电元件162之间挤出过量的环氧树脂，使得实现良好的电接触。
[0026]图3是沿着图2所示的线A-A的截面图。图3示出了柔性电路10和压电陶瓷16被夹在支撑块12与匹配层18之间的情况下的堆叠的另一个图。在图3中，支撑块12和下部针102已被切断，以便更清楚地示出下部针102如何与压电陶瓷16的导电元件162匹配。注意，如图1和图2所示的针102全部延伸跨越支撑块12的宽度不是必须的。假设下部针102与导电元件162之间存在足够的重合以具有良好的电接触，则如图3所示的缩短的针102是可接受的。
[0027]图4示出了无焊接的堆叠接合工艺的实施步骤。在步骤40中，将匹配层18对准在框架14中。在步骤42中，将环氧树脂涂布于匹配层18的背面。在步骤44中，将压电陶瓷16载置在匹配层18上。在步骤46中，将另一环氧树脂层涂布于压电陶瓷16的正面侧。在步骤48中，以下部针102接触压电陶瓷16上的导电元件162的方式对准柔性电路1。在步骤50中，将环氧树脂层涂布于柔性电路10的背面侧。在步骤52中，利用柔性电路10来夹住支撑材料12，最后，在步骤54中，利用加压工具(未示出)施加压力以确保下部针102与导电元件162之间电接触。推到柔性电路10上的来自于工具和支撑材料的压力确保了在不使用焊接的情况下的电接触，环氧树脂层固化并将整个堆叠包在框架内部以维持电接触。
[0028]如能够在图1中看到的，下部针102从柔性电路1的主体大致以直角延伸，使得一旦将支撑块12朝向压电陶瓷16向下压，则下部针102处于形成电接触的位置。可选择地，还可以以如下方式实现下部针102的定位:下部针102从柔性电路10直线状向外延伸，随后绕着支撑块12预组装弯曲柔性电路10。本领域技术人员能够选择下部针102形状的其它变型，并且下部针102形状的其它变型均在本发明的范围内。
[0029]应当注意，以上组装工艺的步骤可以被组合成更少数量的步骤、分解成更多步骤和/或以任何方式同时进行或顺序进行，这些均在本发明的范围内。
[0030]还应当注意，在以上说明的工艺中，环氧树脂用作示例性的粘接材料。还可以考虑其它粘接材料并且其它粘接材料在本发明的范围内。
[0031]本发明的无焊接的堆叠接合的方法不需要热量并且消除了将柔性电路焊接于压电陶瓷的需要。此外，来自焊接的热量能够潜在地损坏压电陶瓷。该新工艺已将组装时间从55分钟减少到25分钟。此外，该新工艺已将固化时间从48小时减少到2小时。
【主权项】
1.一种相控阵超声波探头，其包括: 柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针， 支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部， 压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件， 匹配层，和 框架， 其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准且被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述粘接材料包含至少环氧类材料。3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述支撑块是所述支撑顶部和所述支撑底部为多边形形状的多边棱柱的形状，所述框架的在与所述支撑底部平行的平面中的截面具有与所述支撑底部或所述支撑顶部的形状大致相同的多边形形状。4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，在被堆压之前，在所述第一连接边缘处的多个针的伸出到所述支撑底部下方的部分形成下部针，所述下部针在被堆压的同时朝向所述支撑底部弯曲。5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，在被堆压之后，所述下部针被夹在所述支撑底部与所述压电陶瓷之间。6.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述下部针沿着所述第一连接边缘形成至少一根线，所述导电元件沿着所述第二连接边缘形成对应的至少一根线，其中所述至少一根线能够沿着所述支撑底部的多边形形状的任意数量的边。7.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述下部针以不均一的长度结束并且所述导电元件沿着所述第二连接边缘形成对应的不均一的前部，其中所述下部针以如下方式与所述导电元件对应地充分重合:各所述下部针均与所述导电元件中的对应的一个导电元件牢固地且永久地接触。8.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，在被堆压之前，与所述第一连接边缘相反的顶部侧的多个针的一部分伸出到所述支撑顶部上方并形成上部针，所述上部针朝向所述支撑顶部弯曲并且被构造成与将与所述探头联接的仪器电联接。9.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述柔性电路在三个侧面包裹所述支撑块，所述三个侧面是所述支撑底部、所述支撑顶部和所述支撑块的一个棱柱侧面。10.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述支撑块是直棱柱。11.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述柔性电路还包括与所述多个针连接的接地条。12.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述框架由硬的且电绝缘的材料制成。13.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述框架由硬塑料制成。14.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述框架和所述支撑块均具有各自的大小和公差，该大小和公差被构造成使得:所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准并且能够被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。15.—种制作相控阵超声波探头的方法，其包括以下步骤: 设置柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针， 设置支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部， 设置压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件， 设置匹配层， 设置框架，以及 通过涂布粘接材料，以及通过使用所述框架，将所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层中的每一者至少部分地限制、对准、堆压以及永久接合在所述支撑底部下方，使得所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触。16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述支撑块是所述支撑顶部和所述支撑底部为多边形形状的多边棱柱的形状，所述框架的在与所述支撑底部平行的平面中的截面具有与所述支撑底部或所述支撑顶部的形状大致相同的多边形形状。17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆压之前，在所述第一连接边缘处的多个针的伸出到所述支撑底部下方的部分形成下部针，所述下部针在被堆压的同时朝向所述支撑底部弯曲。18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆压之后，所述下部针被夹在所述支撑底部与所述压电陶瓷之间。19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在被堆压之前，与所述第一连接边缘相反的顶部侧的多个针的一部分伸出到所述支撑顶部上方并形成上部针，所述上部针朝向所述支撑顶部弯曲并且被构造成与将与所述探头联接的仪器电联接。20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述粘接材料包含至少环氧类材料。
【文档编号】B06B1/06GK105880139SQ201610082838
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月5日
【发明人】J·劳德米尔希, T·雷伊
【申请人】奥林巴斯科技美国公司