CN101442881B - 电极接合方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电极接合方法包含下列步骤：首先加热一物件(例如机械加工机的旋转轴心)及一电极材料(例如无氧铜)至该物件的熔点与该电极材料的熔点之间的温度，使得该电极材料熔化并扩散进入该物件产生接合，于该物件表面形成一电极材料层。之后冷却该物件及电极材料，并机械加工该电极材料层形成一电极图案。通过本发明的电极接合方法，不仅可有效增加电极与物件的接合强度，且由于制造过程简单，可降低成本提高效益，广泛应用。

Description

电极接合方法

技术领域

本发明涉及一种异质金属接合方法，特别涉及一种电极接合方法。

背景技术

钻孔自古以来即为一个重要的机械加工方法，且已进一步应用于电子产业中，例如印刷电路板的加工。现在一般电路板的制造过程中的钻孔，除了盲孔以外，几乎所有钻孔方法都是以机械钻孔机器来制造成孔，甚至连目前的难度较高的球门阵列封装(BGA)板的0.1mm孔，都是由机械钻孔机来处理。电路板制造厂的精密化需求给予了电路板机械钻孔机设备制造厂商突破技术瓶颈的动力。

钻孔机的原理是将旋转轴(Spindle)表面镀上一金属电极层，并在相应套筒上设计相应线圈，以产生磁场驱动该旋转轴高速转动。

通常是以电镀方式于旋转轴表面镀上铜金属层，再以车床去除或研磨掉不必要的部分，而形成所需的电极图案。但是以电镀形成的电极图案，制作时间较长，且电极披覆的旋转轴一般为不锈钢材质，铜电镀于不锈钢表面的接合强度较差，因而在长时间高速旋转下，旋转轴表面的电极图案将受损，导致钻孔机的运转较不稳定，而降低旋转轴的使用寿命。

发明内容

本发明提供一种电极接合方法，其具有较佳的接合强度，且制造方法简单，可降低成本提高效益。

本发明的电极接合方法包含下列步骤：在低于物件的熔点的温度下，至少对电极材料加热，使得该电极材料熔化并扩散进入该物件产生接合，并于该物件表面形成一电极材料层；冷却该物件及电极材料；以及机械加工该电极材料层形成一电极图案。例如，首先加热一物件(例如机械加工机的旋转轴心)及一电极材料(例如无氧铜)至该物件的熔点及该电极材料的熔点之间的温度，使得该电极材料熔化并扩散进入该物件产生接合，于该物件表面形成一电极材料层。之后冷却该物件及电极材料，并机械加工该电极材料层形成一电极图案。

较佳地，本发明的电极接合方法于一真空环境下进行，其真空度介于1至10^-5托耳(Torr)。

采用本发明的电极接合方法，可以获得较佳的接合强度，其制造方法简单，可降低成本并提高效益。

附图说明

图1至5为本发明一实施例的电极接合方法；

图6为本发明一实施例的电极接合方法流程示意图；

图7为本发明另一实施例的电极接合方法的示意图；以及

图8为本发明的铜电极与不锈钢轴心的界面金相示意图。

其中，附图标记说明如下：

10旋转轴                11轴身

12轴端部                13凸缘

14凹槽                  15工具管

16渐扩部分              17空隙

18电极图案              19无氧铜柱

71工具管                72电极材料

73旋转轴

具体实施方式

本发明将通过附图清楚说明本发明的电极接合方法。

以下将以一转速可达160,000RPM的高速PCB钻孔机轴心为例，说明本发明的实施方式。参照图1，一旋转轴10包含一轴身11及一轴端部12。该轴身11表面欲制作一电极图案，用以提供旋转轴10的驱动力。该旋转轴10由车刀加工一体成型，本实施例中，其采用不锈钢或铁基合金材质。另外，根据所需的电极图案，先铣削或车削出相应凹槽14，该凹槽14的深度约在0.5～2mm之间。

参照图2，该轴端部12与轴身11交接处焊接一凸缘13，以供后续的电极接合加工之用。

本实施例后续于旋转轴10表面制作电极的材料采用铜金属或铜合金，本实施例采用无氧铜柱，其直径约介于3mm至8mm之间。将旋转轴10及无氧铜柱加以清洗，以去除表面脏污及杂质。

之后，将一工具管(治具管)15的底部和该凸缘13进行焊接，如图3所示。该工具管15可由不锈钢或其它种类的钢材所制成，其包含一由小至大的渐扩部分16，使得管口部分具有较大的口径。图4为该工具管15管口的示意图，该工具管15的管壁与旋转轴10之间形成空隙17，可置入多支无氧铜柱19，本实施例中无氧铜柱19的总重量约700克。

之后，将包含该旋转轴10及无氧铜柱19的工具管15置于真空炉中加热至1080至1200℃之间，并维持约20至120分钟，使得无氧铜柱19熔化形成无氧铜溶液，并且通过熔解及扩散作用，于该旋转轴10表面附着接合一无氧铜金属层。较佳地，该真空炉的真空度约在1至10^-5托耳之间，且可通入氮气、氩气等惰性气体或氢气、一氧化碳等还原性气体，以减少空气中的氧气侵入，防止氧化。

之后，去除(例如车除)工具管15，并可利用车削、铣切、研磨或抛光等技术将凹槽14表面以外的无氧铜金属层去除，而形成所需的电极图案18。

依据Fick的扩散定律所示 $J=-D\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dx}}$ ，其中J为扩散通量，D为扩散系数，而

为扩散浓度梯度。扩散系数D可由下式表示 $D=D_0{e}^{-\frac{Q}{\mathrm{RT}}}$ ，其中D₀为扩散常数，R为气体常数，Q为扩散激活能，T为绝对温度。由Fick的扩散定律可知，扩散系数D与温度T呈指数关系，随着温度的升高，扩散系数D将急剧增大。因此，本发明实施例中可加热至最高1200℃以增加扩散速率及扩散质量。另外，因不锈钢轴身的固相线(Solidus)约为1200℃，故此处加热温度必须低于1200℃以防止旋转轴10局部熔化而造成损坏或变形。上述制造方法可归纳成如图6所示的流程图。首先将轴心(旋转轴)进行加工，并形成与电极相应的凹槽。其次进行轴心和无氧铜的清洗。之后，将工具管和轴心的凸缘焊接，并将无氧铜置于工具管和轴心间的空隙，一并加热至无氧铜的熔点以上，以此利用熔解及扩散现象将轴心表面形成一无氧铜金属层。接着，将工具管车除，并去除凹槽位置以外的无氧铜金属层，以形成所需的电极图案。

图7为本发明另一实施例的电极接合方法的示意图，其采用新工具工艺设计。本实施例采用一工具管71，先将电极材料(例如无氧铜柱或颗粒)72放置于该工具管71中，并加热使得该电极材料72熔化成液态。之后，再将轴心或旋转轴73置入该液态状的电极材料72中，通过熔解及扩散作用，于该旋转轴73表面接合一电极材料层(例如无氧铜金属层)。本实施例相较于图1至5所示，因先将电极材料熔化，其放置电极材料(如无氧铜柱)所需的空间较小，故除了工具管71可制作的较小外，亦可减少电极材料72所需的量或数目。另外，由于所需电极材料72较少，故加热的速度可加快，而进一步缩短制造时间。较佳地，该工具管71采用熔点高于电极材料的陶瓷或金属材料制成，其内部表面可涂布脱模剂。当加工件冷却后，该旋转轴73可与其表面的电极材料72一并从该工具管71中抽出，该工具管71可重复使用。

图8为不锈钢的旋转轴10及铜电极图案18的界面金相示意图，其中显示铜扩散至旋转轴10的深度可达约65μm，即电极图案18已扩散深入旋转轴10的表面，因此两者间具有良好的接合强度。实际应用上，铜扩散至旋转轴10的深度以超过30μm为佳，且至少需超过10μm。

上述以钻孔机的旋转轴为例(但非限制)进行说明，而其它采用相同或类似的机械加工机(例如成型机)的物件，或其它异质材料接合的应用，也在本发明所涵盖的范围内。

本发明通过熔化及高温扩散原理将异质电极接合于例如旋转轴的物件上，不仅可有效增加电极与物件的接合强度，且由于制造过程简单，可降低成本提高效益，而得到广泛应用。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明的教导及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并包括在以下的权利要求所涵盖的范围内。

Claims (17)

1.一种电极接合方法，包含下列步骤：

在低于物件的熔点的温度下，至少对电极材料加热，使得该电极材料熔化并扩散进入该物件产生接合，并于该物件表面形成一电极材料层；

冷却该物件及电极材料；以及

机械加工该电极材料层形成一电极图案。

2.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中加热该物件及电极材料至该物件的熔点及该电极材料的熔点间的温度。

3.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该物件由不锈钢或铁基合金制成。

4.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该电极材料为铜金属或铜合金。

5.根据权利要求2所述的电极接合方法，其中该物件及电极材料的加热和冷却是在一真空环境下进行。

6.根据权利要求5所述的电极接合方法，其中该真空环境的真空度介于1至10^-5托耳之间。

7.根据权利要求2所述的电极接合方法，其中该物件及电极材料的加热及冷却是在一真空炉中进行。

8.根据权利要求7所述的电极接合方法，其中该真空炉中通以惰性气体或还原性气体。

9.根据权利要求7所述的电极接合方法，其中该真空炉中通以氩气、氦气、氮气、氢气或一氧化碳。

10.根据权利要求2所述的电极接合方法，其中该物件上焊接一工具管，该电极材料置于该工具管与物件间的空隙中进行加热，使得该电极材料熔化。

11.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该电极图案利用车削、铣切或研磨形成。

12.根据权利要求2所述的电极接合方法，其中于加热该物件及电极材料前还包含一于该物件表面制作一凹槽的步骤，该凹槽的形状相应于该电极图案。

13.根据权利要求12所述的电极接合方法，其中该凹槽的深度介于0.5至2mm之间。

14.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该物件为一钻孔机或成型机的旋转轴。

15.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该电极材料扩散进入该物件的深度大于10μm。

16.根据权利要求1所述的电极接合方法，其中该电极材料先被加热熔化，之后将该物件置于该熔化的电极材料中，使得该电极材料扩散进入该物件产生接合。

17.根据权利要求2所述的电极接合方法，其中该物件及电极材料置于一工具管中加热，该工具管由熔点高于电极材料的陶瓷或金属材料所制成。

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