CN106104925A - 用于微丝焊接的焊接垫圈 - Google Patents

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Abstract

在多个实施例中，焊接垫圈用于建立导电电线和导电销之间的电连接。

Description

用于微丝焊接的焊接垫圈
相关申请
本申请要求在2014年1月7日提交的美国临时专利申请No.61/924,498的权益和优先权，其全部内容通过引用包含于此。
技术领域
在多个实施例中，本发明总地涉及用于微丝焊接的焊接垫圈和利用这种焊接垫圈的焊接过程。
背景技术
焊接过程在包括航空航天、汽车和消费电子领域的许多工业具有很多应用。特别地对于电子产品，经由尺寸缩放持续地减小尺寸对用于将不同的部件连接在一起的焊接过程提出了要求。在许多焊接过程中，由于将激光聚焦在直径小于1毫米的焊接区域上的能力，激光焊接特别地用于小规模应用中。在电线至电接触点的激光焊接中，聚焦的光能用于快速地加热焊接区，从而熔化电线连同电线被结合至的接触点的部分。光能强度通过光束尺寸、电压、脉冲宽度来控制，并且可以以单个突发或以变化定时的间隔重复的脉冲使用。尽管各种激光器可以用于激光焊接，但一种通用型的焊接激光器是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。Nd:YAG激光器通常需要诸如氦或氩的惰性保护气体，以使焊接免受可能降低焊接质量的大气(例如，氧气)。
有利地，由于激光被用于在激光焊接过程中的结合，所以没有电流流过接触点或电线，并且不存在来自焊接点上的电流极性的影响和至所焊接接触点的电连接。由此，在接触点不存在由于电流流动或其中的电阻所生成的热量。此外，因为激光器是精确的并产生可重复功率和持续时间的能量脉冲，所以其容易地合并至实际上任何规模的制造过程中。
尽管激光焊接过程是精确的，但技术人员的技能和经验的可变性可能导致产品的可变性，特别是对于亚毫米级焊接点。特定的设备和自动化减少了该可变性，但是小规模和少量的典型的开发中的产品，焊接过程仍然由技术人员手动完成。此外，因为激光束用于形成焊接点，所以激光焊接过程必然受限于结合容易地放置在激光束的视距内的电线或其他材料。另外，电线经由激光焊接要结合至的一些部件容易被在焊接过程中使用的强烈激光损坏，这可能影响生产可再现性和产量。最后，在典型的激光焊接程序中，一旦电线被焊接至电接触点，电线和接触点的相对几何结构固定，并且在不同方向施加至电线的力可能导致对焊接点的损坏，或者甚至焊接点的完全脱离。此外，在许多情况下，需要将多个电线结合至具有有限表面面积的单一电接触点。
考虑以上，需要能够实现电线至电接触点的可重复小规模的激光焊接的技术和设备。
发明内容
根据本发明的多个实施例，通过使用焊接垫圈来便于经由激光焊接的、电线至刚性电接触点(在此称为“销”)的结合，焊接垫圈用作电线和销之间的中间电通路。在多个实施例中，焊接垫圈限定销被容纳并至少部分包含其中的开口，建立了垫圈和销之间的电接触。焊接垫圈还限定电线可以被至少部分地插入其中的一个或多个通道。所插入的电线之后被焊接至焊接垫圈本身，其在避免了电线和销之间的直接物理接触或销对于激光焊接过程的强烈激光的暴露的需要的同时，建立电线和销之间的(经由垫圈的)电接触。
在本发明的多个实施例中，焊接垫圈的电线容纳通道包括较窄的部分和/或其他约束特征，其在焊接程序之前将电线保持就位。另外，因为电线未被直接结合至销，因而焊接垫圈可以在不妥协电线和销之间的电接触的情况下实现焊接电线围绕销的旋转运动；特别地，垫圈可以在保持与销的电接触的同时自身围绕销自由旋转。在其他实施例中，垫圈的销容纳开口包括一个或多个锁定特征(例如，非圆形形状和/或一个或多个切口)，其实现与具有非圆形横截面的销的接触和/或限制销(以及由此电线)相对于销的旋转运动。在其他实施例中，垫圈可以(在将电线焊接至垫圈之前或之后)相对于销自由旋转地定位，并且之后垫圈本身可以被焊接(例如，激光焊接)至销以将其固定就位，并建立垫圈和销之间的可靠的电接触。
根据本发明实施例的焊接垫圈可以包括多个电线容纳通道，由此实现多个不同电线至相同销的电连接。另外或代替地，电线垫圈可以甚至可以在接触相同销的同时堆叠在彼此的顶上，这也能实现多个电线至单个销的电连接。
在一个方面，本发明实施例的特征在于用于建立导电的一个或多个电线和导电的销之间的电连接的焊接垫圈。焊接垫圈包括、主要由、或由导电的主体组成，导电的主体(i)包括、主要由、或由导电材料组成，(ii)限定用于将销的至少一部分容纳在其中的销容纳开口，以及(iii)限定各自用于将一个或多个电线中的一个的至少一部分容纳在其中的一个或多个电线容纳通道。
本发明的实施例的特征在于各种不同组合的任意组合的以下中的一个或多个。至少一个电线容纳通道可以具有纵向范围，并且包括窄纵向区段，该窄纵向区段具有小于剩余纵向范围的宽度的宽度。至少一个电线容纳通道可以包括延伸至通道中以用于将电线固定在其中的一个或多个突起。销容纳开口可以具有基本上圆形的横截面。销容纳开口可以具有非圆形(例如，多边形)的横截面。销容纳开口可以包括凹口和/或突起，用于当销容纳在销容纳开口内时限制主体相对于销的旋转运动。主体可以限定一个或多个通孔，用于增加将销或一个或多个电线中的至少一个附接至主体的焊接点的表面积。销容纳开口和至少一个所述电线容纳通道可以被定向以使得，当分别被容纳在其中时，销和电线不直接接触彼此。
导电材料可以包括、主要由、或由金属和/或导电聚合物组成。导电材料可以包括、主要由、或由铜、金和/或钯组成。销容纳开口和至少一个所述电线容纳通道可以被定向以使得，当分别被容纳在其中时，销和电线在基本上垂直的方向上延伸。该一个或多个电线容纳通道可以包括多个离散的电线容纳通道，其各自被配置为将不同的电线容纳在其中。销容纳开口可以被设计尺寸并成形以紧密地将销的至少一部分容纳在其中。销的第一部分可以被容纳在销容纳开口内。销的第二部分可以被容纳在第二焊接垫圈的销容纳开口内，第二焊接垫圈(a)与焊接垫圈分离以及(b)设置在焊接垫圈之下。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于一种在导电的一个或多个电线和导电的销之间进行电连接的方法。将导电焊接垫圈设置在销上，销延伸通过限定在焊接垫圈中的开口的至少一部分。将电线的一部分设置在限定在焊接垫圈中的第一通道内，电线的所述部分不直接接触销。将电线的所述部分焊接至焊接垫圈。
本发明的实施例的特征在于各种不同组合的任意组合的以下中的一个或多个。将电线的所述部分焊接至焊接垫圈可以包括、主要由、或由将电线的所述部分激光焊接至焊接垫圈组成。可以将销焊接至焊接垫圈。将销焊接至焊接垫圈可以包括、主要由、或由将销激光焊接至焊接垫圈组成。在将电线的所述部分被焊接至焊接垫圈之前，可以将销焊接至焊接垫圈。在将电线的所述部分设置在第一通道内之前，可以将销焊接至焊接垫圈。可以将第二电线的一部分设置在限定在焊接垫圈中的第二通道内，第二通道与第一通道分离。可以将第二电线的所述部分焊接至焊接垫圈。
可以使焊接垫圈的一部分围绕销机械变形以增强与销的接触。可以使焊接垫圈的一部分围绕电线机械变形以增强与电线的接触。在将电线的所述部分焊接至焊接垫圈期间，可以将惰性保护气体设置在所述电线的所述部分上。所述惰性保护气体可以包括、主要由、或由氦和/或氩组成。将电线的所述部分设置在第一通道内可以包括、主要由、或由以下组成：推动电线的部分越过延伸至第一通道中的一个或多个突起。可以将涂层设置在焊接垫圈的至少一部分、销的至少一部分、和/或电线的至少一部分上。涂层可以包括、主要由、或由用于将销和/或电线固定至焊接垫圈的导电粘合剂组成。涂层可以是基本上防水的。涂层可以包括、主要由、或由硅胶、聚对二甲苯、聚氨酯、和/或环氧树脂组成。
通过参考以下说明书、附图和权利要求书，本发明的这些和其他目标、以及优点和特征将变得更加明显。此外，应该理解，这里描述的各种实施例的特征不互相排斥并且可以以各种组合和排列存在。如这里所使用的，术语“基本上”和“大致”意味着±10％，以及在一些实施例中为±5％。术语“主要由…组成”意味着排除对功能有贡献的其他材料，除非以其他方式在这里定义。尽管如此，这样的其他材料可以共同地或单独地以微量存在。
附图说明
在附图中，在不同的视图中相似的附图标记通常指相同的部件。而且，附图不必须标度，而是通常强调示出本发明的原理。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1是根据本发明各种实施例的焊接垫圈的等距视图；
图2是根据本发明各种实施例的便于销和电线之间的电连接的焊接垫圈的剖视图；
图3是根据本发明各种实施例的包括通孔的焊接垫圈的等距视图；
图4A和4B是根据本发明各种实施例的包括销锁定机构的焊接垫圈的等距视图；
图4C是根据本发明各种实施例的限定非圆形的销容纳开口的焊接垫圈的等距视图；以及
图5A和5B是根据本发明各种实施例的包括多个电线容纳通道的焊接垫圈的等距视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明各种实施例的示例性焊接垫圈100。如所示出的，焊接垫圈100的主体110在其中限定开口(“孔”)120以及通道130，其中销或其他电接触件可以至少部分地插入开口120中，电线的一部分被插入通道130中(参见图2)。通常，开口120完全延伸通过主体110。焊接垫圈100的主体110通常包括、主要由、或由一种或多种导电材料(例如，金属和/或导电聚合物)组成，以建立通过主体110的所容纳电线和销之间的电接触。主体110的材料还优选地是“焊接导电的”，即，能够经由诸如激光焊接的焊接过程部分地熔化或以其他方式电和机械连接至另一导体(例如，电线和/或销)。例如，主体110可以包括、主要由、或由诸如铜、金或钯的金属组成。主体110的材料还可以是有充分延展性的，以实现主体110在开口120和/或通道130附近的有限形变(例如，卷边)以增加主体110与容纳其中的电线和/或销之间的机械接触的量。
还参考图2，焊接垫圈100可以用于产生和维持电线200和销210之间的电接触，销210例如从基板220(例如电路板)突出并耦合至基板220。如示出的，销210可以基本垂直地经由开口120突出，并且电线200可以基本水平地(即，基本上垂直于销210延伸的方向)被容纳在通道130内，但开口120和通道130的其他几何结构和相对构造根据应用可以是合适的。如这里所使用的，“销”指任何基本刚性的电接触点。
在本发明的各种实施例中，焊接垫圈100被设置在销210上，以使得销210安装在开口120内。如图2所示，销210的末端可以经由开口120突出(即，焊接垫圈100的厚度可以小于销210的高度)，或者销可以在开口120内并在主体110的顶面之下终止。销210可以紧密地安装在开口120内以使得其物理地接触垫圈100的主体110，由此建立(并在操作期间维持)主体110和销210之间的电接触。例如，销210可以被压配在开口120内和/或使用导电粘合剂至少部分地固定在开口120内。在销210被插入开口120中之后，围绕开口120的主体110可以经由机械力部分地变形以增加销210和主体110之间的物理接触的量和/或至少部分地将销210固定就位。在本发明的一些实施例中，主体110在维持与销210之间的物理和电接触的同时自由地围绕销210旋转。在各种实施例中，一旦销210被插入(若有的话)，销210和主体110之间的任何电和物理连接通过将销210焊接至主体110而增强。例如，销210可以被激光焊接至主体110的邻近开口120的部分。
如图2所示，电线200被容纳在焊接垫圈100的通道130内以使得电线200的端部被包含在通道130内或者从其稍微突出。电线200的该末端通常没有任何周围的绝缘并由此适于焊接。电线200的未被直接焊接至垫圈100的其他部分可以至少部分地通过绝缘围绕。在电线200被插入至开口120中之后，围绕通道130的主体110可以经由机械力部分地变形，以增加电线200和主体110之间的物理接触量和/或至少部分地将电线200固定就位。电线200可以随后在通道130附近被焊接(例如，激光焊接)至主体110以建立电线200和主体110之间的可靠的电接触。有利地，在电线200被激光焊接至主体110的实施例中，远离尖端在电线200内生成的任何热量不足以熔化这种绝缘。在本发明的一些实施例中，在沿着电线200的远离其尖端的位置处执行焊接，特别地在尖端从通道130突出的情况下。在这种情况下，电线的尖端附近的激光焊接可能导致电线的一部分断裂或使其横截面减小(或“颈缩”)，这可能导致通过电线的有害地高电阻。在激光焊接实施例中，用于将电线200和/或销210焊接至主体110的激光可以被脉冲化。激光可以在相同的焊接位置被脉冲化多次，和/或激光束可以相对于主体110平移，以使得利用一个或多个脉冲来在沿着主体110、电线200和/或销210的多个点的每一个处形成焊接连接。在一些实施例中，在将电线200附接至垫圈100之前，垫圈100被焊接至销210；然而，这样的实施例可能不是优选的，因为它们可能限制电线200至主体110的靠近和/或附接的方向(即，通道130的方向)。
在本发明的多个实施例中，涂层240可以施加在垫圈100的至少一部分、销210和电线200的至少一部分(例如，非绝缘部分)上，如图2所示。涂层240可以是诸如医用级硅胶的生物兼容材料，如在一些实施例中，销210可以不设置在密封外壳内。涂层240也可以是防水的保形涂层，并且可以由此包括、主要由、或由例如聚对二甲苯(即，聚(对苯二甲)聚合物)、硅胶、环氧树脂、一个或多个聚氨酯、和/或一个或多个灌封材料组成。涂层240可以另外地用作导电粘合剂以进一步机械地将销210固定至焊接垫圈100，以及将焊接垫圈100固定至插入至通道130中的电线200。
在本发明的多个实施例中，销210和电线200是导电的和焊接导电的。例如，销210和/或电线200可以包括、主要由、或由一种或多种金属组成，诸如铝、金、银、不锈钢、铜、钯、或镍。在一些实施例中，主体110的至少一部分包括、主要由、或由与电线200和/或销210相同的材料(例如，金属)组成。
如图1和2所示，焊接垫圈100的通道130可以包括一个或多个特征，其在电线200被放置在通道130中之后帮助将电线200维持在通道130内。例如，通道130可以包括窄区段140，其宽度小于通道130的剩余纵向范围(例如，通道130的包含电线200的尖端或者电线200的尖端被包含其中的部分)的宽度。电线200可以放置在通道130内以使得其通过窄区段140(例如，压配在窄区段140内)固定就位。如图2所示，窄区段140可以垂直地仅在通道130的一部分上延伸，并且电线200可以通过窄区段140被推进越过突起230，并且通过窄区段140的突起230被“锁定”就位。如在图5A和5B中更容易地观察到的，窄区段140可以在基本上通道130的全部深度上垂直地延伸。在其他实施例中，窄区段在仅通道130的深度的一部分上垂直地延伸(如图2所示)，但在通道130的整体范围内水平地(即，纵向地)延伸。
图3示出根据本发明的多个实施例的焊接垫圈300。如所示出的，焊接垫圈300的主体110限定一个或多个通孔310，当电线200被焊接至主体110时，主体110或电线200的材料可以经由通孔310流动。通孔310的存在可以增加在电线200和主体110之间焊接的表面面积，并且可以增加焊接的强度。由此，将焊接电线200从垫圈300断开所需的拉力增大。一个或多个通孔310可以被限定在通道130的一个或两个壁内，并且可以延伸通过主体和/或至开口120中。
在本发明的多个实施例中，焊接垫圈包括一个或多个特征，其限制垫圈围绕销的旋转运动。例如，如图4A和4B所示，焊接垫圈400的开口120可以包括一个或多个锁定特征410。销210的至少一部分可以具有与锁定特征410的形状互补的形状和/或突出至锁定特征400，由此防止焊接垫圈400围绕销210的旋转。锁定特征410可以从开口120的剩余部分延伸或延伸至开口120的剩余部分中。类似地，如图4C所示，焊接垫圈400的开口420可以具有非圆形(例如，方形、六边形或其他多边形)的形状。当将具有与开口420互补的形状的销210放置在开口420中时，销210可以锁定就位以限制垫圈400的旋转运动。
如图5A和5B所示，焊接垫圈500的主体110可以限定多个电线容纳通道130，由此实现多个不同电线200和单个销210之间的电接触。图5A和5B的焊接垫圈500包括三个通道130-1、130-2和130-3，但是根据本发明实施例的焊接垫圈可以仅包括两个通道或多于三个通道。当在单个销和多个电线之间期望电接触，但是销过小以使得将电线直接焊接至销是困难的或不可能的时，这种多通道构造可以是有利的。此外，由于每个电线被限制在其自己的通道内，因而一个电线的焊接(和/或由焊接过程生成的热量)不可能影响另一电线至焊接垫圈的主体的焊接(或已经存在的连接)。多个电线的焊接连接点在垫圈的主体上的分布由此改进了这种连接的可靠性和收益。如上所述，图5A和5B中所示的多通道构造可以通过在单个销上的多个单通道或多通道焊接垫圈的堆叠来增强或代替。
根据本发明的实施例，焊接垫圈可以通过各种不同技术中的任一个来制造。例如，焊接垫圈可以由一片或多片材料加工，模制、印花或甚至经由微机电(MEMS)技术制造。
这里所使用的术语和表达用作描述的术语和表达并且没有限制，并且在使用这些术语和表达时不意图排除所示出和描述的特征的任何等价物或其部分。另外，在描述了本发明的特定实施例之后，对于本领域普通技术人员来说明显的是，可以在不背离本发明的精神和范围的情况下使用包括这里所公开的概念的其他实施例。因此，所描述的实施例将在所有方面被认为是仅示意性的而非限制性的。

Claims (30)

1.一种用于建立导电的一个或多个电线和导电的销之间的电连接的焊接垫圈，所述焊接垫圈包括：
导电的主体(i)包括导电材料，(ii)限定用于将所述销的至少一部分容纳在其中的销容纳开口，以及(iii)限定各自用于将所述一个或多个电线中的一个的至少一部分容纳在其中的一个或多个电线容纳通道。
2.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，至少一个所述电线容纳通道具有纵向范围，并包括窄纵向区段，所述窄纵向区段具有小于剩余纵向范围的宽度的宽度。
3.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，至少一个所述电线容纳通道包括延伸至所述通道中以用于将所述电线固定在其中的一个或多个突起。
4.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口具有基本上圆形的横截面。
5.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口具有非圆形的横截面。
6.根据权利要求5所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口的横截面是多边形。
7.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口包括凹口或突起中的至少一个，用于当所述销容纳在所述销容纳开口内时限制所述主体相对于所述销的旋转运动。
8.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述主体限定一个或多个通孔，用于增加将所述销或所述一个或多个电线中的至少一个附接至所述主体的焊接点的表面积。
9.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口和至少一个所述电线容纳通道被定向以使得，当分别被容纳在其中时，所述销和所述电线不直接相互接触。
10.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述导电材料包括金属或导电聚合物中的至少一种。
11.根据权利要求10所述的焊接垫圈，其中，所述导电材料包括铜、金或钯中至少之一。
12.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口和至少一个所述电线容纳通道被定向以使得，当分别被容纳在其中时，所述销和所述电线在基本上垂直的方向上延伸。
13.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述一个或多个电线容纳通道包括多个离散的电线容纳通道，其各自被配置为将不同的电线容纳在其中。
14.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，所述销容纳开口被设计尺寸并成形以紧密地将所述销的所述至少一部分容纳在其中。
15.根据权利要求1所述的焊接垫圈，其中，(i)所述销的第一部分被容纳在所述销容纳开口内，以及(ii)所述销的第二部分被容纳在第二焊接垫圈的销容纳开口内，所述第二焊接垫圈(a)与所述焊接垫圈分离以及(b)设置在所述焊接垫圈之下。
16.一种在导电的一个或多个电线和导电的销之间进行电连接的方法，所述方法包括：
将导电焊接垫圈设置在所述销上，所述销延伸通过限定在所述焊接垫圈中的开口的至少一部分；
将所述电线的一部分设置在限定在所述焊接垫圈中的第一通道内，所述电线的所述部分不直接接触所述销；以及
将所述电线的所述部分焊接至所述焊接垫圈。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述电线的所述部分焊接至所述焊接垫圈包括将所述电线的所述部分激光焊接至所述焊接垫圈。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述销焊接至所述焊接垫圈。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述销焊接至所述焊接垫圈包括将所述销激光焊接至所述焊接垫圈。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，在将所述电线的所述部分焊接至所述焊接垫圈之前，将所述销焊接至所述焊接垫圈。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，在将所述电线的所述部分设置在所述第一通道内之前，将所述销焊接至所述焊接垫圈。
22.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将第二电线的一部分设置在限定在所述焊接垫圈中的第二通道内，所述第二通道与所述第一通道分离；以及
将所述第二电线的所述部分焊接至所述焊接垫圈。
23.根据权利要求16所述的方法，还包括以下中至少之一(i)使所述焊接垫圈的一部分围绕所述销机械变形以增强与所述销的接触，或者(ii)使所述焊接垫圈的一部分围绕所述电线机械变形以增强与所述电线的接触。
24.根据权利要求16所述的方法，还包括在将所述电线的所述部分焊接至所述焊接垫圈期间，将惰性保护气体设置在所述电线的所述部分上。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述惰性保护气体包括氦或氩中至少之一。
26.根据权利要求16所述的方法，其中，将所述电线的所述部分设置在所述第一通道内包括推动所述电线的所述部分越过延伸至所述第一通道中的一个或多个突起。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括将涂层设置在所述焊接垫圈的至少一部分、所述销的至少一部分、以及所述电线的至少一部分上。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述涂层包括用于将所述销和所述电线固定至所述焊接垫圈的导电粘合剂。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述涂层是基本上防水的。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述涂层包括硅胶、聚对二甲苯、聚氨酯、或环氧树脂中至少之一。
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