CN106465549A - 用于增强的粘合剂结合的系统和方法 - Google Patents

Abstract

结合系统（100）包括第一基板（110）；第二基板（120）；粘合剂（200），该粘合剂与第一接触表面（115）和第二接触表面（125）接触；以及多个焊料球（300），该焊料球被定位在粘合剂（200）中，并且与第一接触表面（115）接触。而且，本发明还涉及结合方法，该方法形成连接第一基板（110）和第二基板（120）的焊料增强的粘合剂结合结构，该方法包括：在第一基板（110）的第一接触表面（115）上涂覆粘合剂（200）；将多个焊料球（300）的每一个至少部分地定位至粘合剂（200）中，使得多个焊料球（300）的每一个接触第一接触表面（115）；将第二基板（120）的第二接触表面（125）连接至与第一接触表面（115）相对的粘合剂（200）的一部分；以及施加热量至第一接触表面（115），使得多个焊料球（300）的每一个达到焊料球结合温度。

Description

用于增强的粘合剂结合的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于基板材料的粘合剂结合。更具体地，本发明通过使用焊料球而以多种方式提供增强的粘合剂结合。

背景技术

结构粘合剂在许多应用中代替了焊接和机械紧固件，因为结构粘合剂使通常在焊接和紧固件周围所发现的疲劳和失效减小。在需要抵抗弯曲和振动的情况下，结构粘合剂也能够优于焊接和机械紧固件。

粘合剂结合使用结构粘合剂从而将一种材料的基板表面连接至相同材料或不同材料的另一个基板表面。粘合剂结合被广泛地用于要求具有低结合温度的材料的应用中或者用于要求没有电压和电流的应用中。此外，粘合剂结合可以通过消除基板材料与紧固件和其它腐蚀性元件的接触而有助于提高耐腐蚀性。

当把结构粘合剂涂覆于基板表面时，在与基板表面的相遇处形成结合层。结合层内部的均匀性对于最优粘合剂性能而言是一个重要因素，因此表明结合层厚度在结合连接的设计中是关键性的。

当存在显著的力时，用在粘合剂结合中的结构粘合剂可以以下述方式被加载：（1）垂直于结合层，这产生剥离效应从而导致基板材料处于不同的平面上（即，剥离断裂）；或者（2）垂直于断裂的前缘，无论是在平面内还是在平面外，这产生剪切效应，其中基板材料保持在相同平面上（即，剪切断裂）。虽然通常避免发生断裂，但是如果将要断裂，那么剪切断裂优于剥离断裂，因为剪切断裂导致失效所需要的外部载荷比剥离断裂导致失效所需要的外部载荷大。

玻璃珠被添加至一些结构粘合剂中以保证结合层均匀性以用于充分的结合层控制。然而，玻璃珠的使用可能导致在结构粘合剂内的强度问题，因为玻璃珠不能很好地结合至基板材料。

发明内容

对于这样的结构粘合剂存在需求：其产生结合层均匀性并且促进沿要求最大量的断裂能量的断裂路径的断裂。本公开内容涉及用于创建结构粘合剂的系统和方法，该结构粘合剂产生结合层均匀性并且通过促进具有最大量的断裂能量的断裂路径而提高粘合剂连接强度。

在一个方面中，本发明包括结合系统，该结合系统包括：（i）第一基板；（ii）第二基板；（iii）与第一接触表面和第二接触表面接触的粘合剂；以及（iv）定位在粘合剂中的多个焊料球，该焊料球与第一接触表面接触。

在一些实施例中，多个焊料球被定位在下述分布中，该分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促使沿一路径的裂纹扩展，在该系统的至少一个区段中，该路径要求最大量的断裂能量。

在一些实施例中，多个焊料球的至少一个包括以下述方式构造的涂层：（i）阻止在粘合剂中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与至少一些焊料球相邻的粘合剂。

在一些实施例中，该多个焊料球的一个或多个被进一步定位成与第二接触表面接触。

在另外的方面中，本发明包括方法，该方法形成连接第一基板和第二基板的焊料增强的粘合剂结合结构。该方法包括：（i）在第一基板的第一接触表面上涂敷粘合剂；（ii）将多个焊料球的每一个至少部分地定位至粘合剂中，使得多个焊料球的每一个接触第一接触表面；（iii）将第二基板的第二接触表面连接至与第一接触表面相对的粘合剂的一部分；以及（iv）施加热量至第一接触表面，使得多个焊料球的每一个达到焊料球结合温度。

在一些实施例中，多个焊料球被定位在下述分布中，该分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿一路径的裂纹扩展，在结合部的至少一个区段中，该路径要求最大量的断裂能量。

在一些实施例中，多个焊料球的至少一个包括以下述方式构造的涂层：（i）阻止在粘合剂中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与至少一些焊料球相邻的粘合剂。

在一些实施例中，定位多个焊料球进一步包括定位该焊料球使得该焊料球的至少一个接触第二接触表面。

一些实施例进一步包括施加热量至第二接触表面，使得至少一个焊料球达到焊料球结合温度。

在另外的方面中，本发明包括方法，该方法形成连接第一基板和第二基板的焊料增强的粘合剂结合结构。该方法包括：（i）在第一接触表面上涂敷复合材料，该复合材料包括粘合剂和多个焊料球，使得该多个焊料球的至少一个与第一接触表面接触；（ii）将第二基板的第二接触表面连接至与第一接触表面相对的复合材料的一部分；以及（iii）施加热量至第一接触表面，使得多个焊料球的每一个达到焊料球结合温度。

在一些实施例中，多个焊料球被定位在下述分布中，该分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促使沿一路径的裂纹扩展，在结合部的至少一个区段中，该路径要求最大量的断裂能量。

在一些实施例中，多个焊料球的至少一个包括以下述方式构造的涂层：（i）阻止在粘合剂中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与至少一些焊料球相邻的粘合剂。

在一些实施例中，多个焊料球中的一个或多个进一步被定位成与第二接触表面接触。

一些实施例进一步包括施加热量至第二接触表面，使得至少一个焊料球达到焊料球结合温度。

本发明的其它方面将部分地明了并且在下文中部分地指出。

附图说明

图1示出结合系统的示例性实施例的侧视图。

图2示出图1的结合系统的替代实施例的侧视图。

图3示出图1的结合系统的替代实施例的侧视图。

图4是图解说明具有下述内容的粘合剂的载荷和位移的图：（i）无焊料球；（ii）与图2的一个基板表面接触的焊料球；以及（iii）与图1的两个基板表面都接触的焊料球。

图5示出包含具有聚集的分布和减小的粘合剂体积的焊料球的结合系统的示例性实施例的分解透视图。

图6是图解说明包含下述内容的粘合剂的能量吸收的图：（i）无焊料球；（ii）图1和图2的焊料球构造；以及（iii）具有图4的减小的粘合剂结合层厚度的焊料球构造。

图7示出包含具有随机分布和焊料球涂层的焊料球的结合系统的示例性实施例的分解透视图。

图8是图解说明下述内容的载荷和位移的图：（i）包含没有涂层的焊料球的图1的实施例；以及（ii）包含具有涂层的焊料球的图6的实施例。

图9示出包含具有线性分布的焊料球的结合系统的实施例的俯视图。

图10示出包含具有曲折分布的焊料球的结合系统的替代实施例。

图11示出具有下述内容的粘合剂的载荷和位移（i）无焊料球；（ii）包含图6的随机分布的焊料球；（iii）包含图8的线性分布的焊料球；以及（iv）包含图9的曲折分布的焊料球。

具体实施方式

根据需要，在本文中公开了本公开内容的具体实施例。所公开的实施例仅是示例，这些示例可以以不同形式和替代形式及其组合实施。当在本文中使用时，例如，“示例性的”、“说明性的”及类似术语宽泛地表示用作说明、样本、模型或图样的实施例。

在本发明的精神内，要宽泛地考虑各种描述。例如，在本文中提及任意两个部件之间的连接旨在包括这两个部件直接或间接地连接至彼此。作为另一个示例，在本文中描述的诸如与一个或多个功能相关的单个部件要被解释为涵盖其中使用多于一个的部件代替执行该（多个）功能的实施例。反之亦然，即，在本文中描述的与一个或多个功能相关的多个部件的描述要被解释为涵盖其中单个部件执行该（多个）功能的实施例。

在一些情况下，并没有详细描述众所周知的部件、系统、材料、或方法以便避免使本公开内容难以理解。因此，在本文中所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为权利要求的基础，并且作为用于教导本领域技术人员应用本公开内容的相应基础。

虽然本发明被主要地描述成与形式为汽车的交通工具的制造部件相关，但是要想到的是，本发明能够与其它交通工具（诸如船舶和飞行器）以及非交通工具设备的制造部件相关。

I. 结合系统

现在转向附图，并且具体地转向第一附图，图1示出由附图标记100指示的结合系统。该结合系统100包括结构粘合剂200和焊料球300，该结构粘合剂和焊料球用于将第一基板110连接至第二基板120。

基板110、120是需要结合至彼此的材料。基板110、120可以由相同或不同的材料成分构成。典型的基板材料可以包括下述材料：诸如铝、钢、镁、复合材料等。

粘合剂200是用于将第一基板110的接触表面115结合至第二基板120的接触表面125的结构材料。粘合剂200形成在接触表面115、125之间的结合层210。在图1和图2中，结合层210在基板110、120之间横向延伸并且具有厚度212。

如上所述，结合层均匀性在结合连接的设计中是关键的，因为在该结合层内的均匀性对于粘合剂的最优性能是重要的。一些文献认为薄的结合层优于厚的结合层，因为在薄的结合层中的连接转角处的应力集中较小。此外，与厚的结合层相比，在薄的结合层中的空气腔的集中度降低，因为薄的结合层中的粘合剂的体积留下较小的空间用于形成空气腔。

在本公开内容中，厚度212大致在约0.05至约0.3毫米（mm）之间。作为示例，如果接触表面105、115相对平坦，则结合层210可以具有大致0.2 mm的厚度212从而允许最优的抗剪强度和抗张强度。

下面结合图1-图4来描述粘合剂200的另外的实施例和结构。

焊料球300连同粘合剂200一起被用于形成基板110、120之间的桥梁。不同于将玻璃珠加入结构粘合剂内的现有技术，本发明使用带有焊料球300的粘合剂200来促进基板110、120的结合。

在制造工艺（例如，固化工艺）期间，焊料球300具有能够结合至基板110、120的至少一个的能力。使用焊料球300能够使得裂纹220沿断裂路径222、224或226扩展（在下面被描述），该断裂路径要求更多的断裂能量用于在粘合剂200中的裂纹扩展，并且增加系统100的能量吸收能力。

将焊料球300加入至粘合剂200内还改善连接基板110、120的结合结构的抗断裂性。作为示例，在不包含焊料球的粘合剂中的断裂阈值可能出现在大致接近1.8 N/mm附近，而在包含焊料球的粘合剂中，相同的断裂可能在大致11.5 N/mm附近发生。

本文中所提供的实施例和示例把焊料球300图示并描述为具有球形的形状，这促进焊料球300与相邻的焊料球300在整个粘合剂200中的均匀分布。然而，焊料球300可以具有其它形状，诸如但不限于圆柱形、矩形等。在下述应用中使用成形的焊料球300可以是有益的，例如（1）在焊料球300的期望接触是仅与接触表面115、125的一个接触的情况下；（2）焊料球300被特别地置于基板110、120上（例如，通过例如热/冷喷涂的制造工艺）；或者（3）焊料球被策略性地置于粘合剂200内（例如，通过例如热/冷喷涂的制造工艺）。

焊料球300应该具有允许与基板110、120的至少一个接触的尺寸。如果需要与基板110、120都接触，那么焊料球300能够被构造成具有略微大于结合层210的尺寸。例如，如果结合层210具有0.2 mm的厚度212，那么焊料球300可以具有大致接近0.2 mm或更大的尺寸，以确保在结合期间对焊料球300的挤压，这将确保充分连接至接触表面115、125。

如果仅期望在基板110或120中的一个上接触，那么可以期望的是具有略微小于结合层210的尺寸的焊料球300。作为示例，如果结合层厚度212为大致0.2 mm，那么焊料球可以具有大致0.1 mm的尺寸，以确保焊料球300没有非常大以至于在结合期间与表面115、125都接触。例如，在制造工艺期间焊料球300可以被固定至第二接触表面125（见图2），使得当涂覆粘合剂200时，焊料球300仅与接触表面125接触，并且仅粘合剂200与第一接触表面115接触。

焊料球300可以由任何市场上可获得的材料或定制成分组成。当基板110、120的至少一个至少部分地由金属和/或金属复合材料组成时，焊料球300的组成材料可以包括下述材料：诸如锡（Sn）、铅（Pb）、银（Au）、铜（Cu）、锌（Zn）、铋（Bi）等。如果基板110、120的至少一个至少部分地由聚合物和/或聚合物复合材料组成，那么焊料球300的成分还可以包括聚合物材料，诸如聚碳酸酯（PC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、二乙烯苯（DVB）等。

焊料球300的期望特性包括但不限于：（1）有助于结合的密度；（2）有助于结合的温度；以及（3）优于现有技术的增加的抗张强度。

该密度应该是下述密度：其使得当在结合之前被加入粘合剂200中时，焊料球保持它们的结构。焊料球300的密度能够大致在约2.50和约15.00 g/cm³之间。例如，含有锡-铅（Sn-Pb）或锡-银-铜（Sb-Ag-Cu或SAC）的焊料球可以具有大致接近7.5 g/cm ³的密度，当基板110、120的至少一个至少部分地由金属和/或金属复合材料构成时，这可以提供足够的密度以用于结合。作为另一个示例，含有乙烯基苯或二乙烯苯（DVB）的焊料球可以具有大致接近0.9 g/cm³的密度。

该温度应该是下述温度：其使得焊料球300在不影响（例如，变形）基板110、120的成分材料的情况下而结合。焊料球300的结合温度能够大致在焊料球300的熔化温度的0.7和1.0倍之间。在一些实施例中，期望包括具有低于200℃的熔点的焊料球以防止焊料球300与接触表面115、125的脱离（例如，断裂）。

当与无填充材料的粘合剂或者包含非结合填充材料的粘合剂相比较时，抗张强度应该增加在张力作用下的系统100的强度。例如，当焊料球300连同粘合剂200一起使用时，整个系统100可以具有大致在约50 MPa和150 MPa之间的抗张强度，然而汽车粘合剂自身可以具有大致在约15 MPa和35 MPa之间的抗张强度，带有玻璃珠的汽车粘合剂可以具有大致在约15 MPa和35 MPa之间的抗张强度。

可以根据在本文中所描述的各种实施例（包括下面结合图6-图10描述的实施例）的任一个来构造并布置焊料球300。

II. 结构粘合剂实施例—图1至图6

在一些实施例中，结合层厚度212使得焊料球300可以连接至两个接触表面115、125（见图1）。将焊料球300连接至两个接触表面115、125具有益处，该益处包括促进根据需要最大量的断裂能量（即，产生裂纹（例如，裂纹220）所需能量的量）的断裂路径而大致在焊料球300附近在粘合剂200中扩展的裂纹220。裂纹220可以：（i）沿预定的断裂路径222（在图1中被描绘为一系列短的实心箭头）扩展；（ii）沿预定的断裂路径224（在图1中被描绘为一系列虚线箭头）扩展；（iii）沿预定的断裂路径226（在图1中被描绘为一系列长的实心箭头）扩展；或者（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处中止。

断裂路径222、224、226通常与任意断裂的最大阻力的路径相关。因为粘合剂200通常弱于基板110、120以及焊料球300，所以断裂路径可以延伸通过粘合剂200（如由断裂路径222、224所示）或者沿接触表面的一个（如由断裂路径226所示）延伸。

当裂纹220在每个焊料球300周围扩展时，断裂路径222沿着接触表面115、125的一个形成，如在图1中所示。尽管图1描绘了在每个焊料球300周围朝向第一接触表面115延伸的断裂路径222，但是替代地，断裂路径222可以在球300的任意一个或多个周围朝向第二接触表面125延伸。尽管图1描绘了在每个后续焊料球300周围延续的断裂路径，但实际上，当断裂路径222接近每个后续焊料球300时，断裂路径222 可以：（i）在焊料球300周围行进；（ii）行进通过焊料球300；（iii）沿接触表面115、125的一个行进；或者（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处中止。

当裂纹220扩展通过焊料球300并且然后在到达后续焊料球300之前扩展至粘合剂200中时，断裂路径224形成。类似于断裂路径222，当断裂路径224到达每个后续焊料球300时，断裂路径224可以：（i）在焊料球300周围行进；（ii）行进通过焊料球300；或者（iii）沿接触表面115、125的一个行进；或者（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处中止。

当裂纹220在焊料球300周围扩展并且沿接触表面115、125的一个扩展时，断裂路径226形成。不同于断裂路径222、224，当断裂路径226形成时，裂纹220继续沿产生裂纹220处的接触表面115、125扩展。

替代地，裂纹220可以沿路径222、224、226在粘合剂200和焊料球300的任意界面处中止。裂纹220在系统100内的中止是高度期望的，因为减小或消除裂纹220的扩展可以防止由于断裂所引起的系统100的失效。

在一些实施例中，结合层厚度212是下述厚度：其使得焊料球300仅连接至接触表面115、125的一个（见图2）。限制焊料球300与一个接触表面115或125接触的益处是在不损害任一基板110、120的完整性的情况下连接不同的基板材料的能力（例如，与复合材料（例如，聚合物复合材料）连接的金属）。

此外，将焊料球300连接至接触表面115、125的一个使裂纹230沿着需要最多的断裂能量的（例如，产生裂纹230所需能量的量）断裂路径、大致在焊料球300附近在粘合剂200内扩展。裂纹230可以：（i）沿预定的断裂路径232（在图2中被描绘为一系列的实心箭头）扩展；（ii）沿预定的断裂路径234（在图2中被描绘为一系列的虚线箭头）扩展；或者（iii）在粘合剂200和焊料球300的界面处中止（在下面被描述）。

在一些实施例中，期望减小在结合工艺中所使用结构粘合剂200的体积。通过导致较薄的结合层210而减小粘合剂200的体积能够是有益的。此外，减小粘合剂200的体积导致粘合剂材料的节约。使用较少的粘合剂的其它益处能够包括使制造工艺流线化并且允许在粘合剂在更大量的表面积上使用。

在一些实施例中，所使用的粘合剂200的量可以通过基板表面的改变（例如，突出、隆起、凸块、或突起130）的存在而减少（在图2中所示）。突起130可以定位在接触表面115、125的至少一个上，以减小所涂覆的粘合剂200的量。图2中所示的突起130可以在制造工艺期间附着至基板110、120，或者在金属板的情况下，突起130可以在板成形工艺期间被热压或以其他方式形成至突起130中。

突起130通常在被包括至基板110、120的方向上促进在过渡区235中的粘合剂200的剪切载荷（在下面被描述），以阻止粘合剂200中的裂纹扩展并且增加系统100的能量吸收能力。下面还描述了由于突起130的存在而引起的断裂路径扩展。

在第一基板110的成分与第二基板120的成分不同的情况下，与现有技术相比，根据本发明结合基板110、120可以具有在结合层210处的增强的强度的额外益处。具体地，例如，因为与在粘合剂自身中或者沿粘合剂/金属界面的断裂路径扩展所需的能量相比，在焊料球300周围产生断裂路径扩展所需的能量更高，所以在加入焊料球300的情况下，结合层210更强。

如上所述，裂纹230可以沿断裂路径232 扩展。断裂路径232可以沿接触表面115、125的一个在每个焊料球300周围以及在任意突起130周围扩展。迫使断裂路径232改变沿接触表面115的方向形成过渡区235，该过渡区是在突起130/焊料球300的顶部表面和相对的接触表面（即，在图2的示例中为第一接触表面115）之间的区域。这个过渡区235促进形式为剪切断裂的断裂扩展，因为任何断裂的最小阻力的路径在焊料球300周围结束并且通过粘合剂而不是通过焊料球300。尽管图2将断裂路径232描绘为在每个后续焊料球300或突起130周围延续，但实际上，当断裂路径232接近每个后续焊料球300时，断裂路径232可以：（i）在焊料球300周围行进；（ii）行进通过焊料球300；或者（iii）在粘合剂200与焊料球300的界面处中止。

裂纹230可以替代地沿断裂路径234扩展，在这里，扩展出现通过焊料球300但是在突起130周围。当裂纹230扩展通过焊料球300时，断裂路径234过渡区235没有如断裂路径232一样形成。然而，当断裂路径234遇到突起130并且必须改变沿接触表面115的方向时，过渡区235被创建。

替代地，裂纹230可以沿路径232、234在粘合剂200和焊料球300的任意界面处中止。裂纹230在系统100内的中止是高度期望的，因为减小或消除裂纹230的扩展可以防止由于断裂所引起的系统100的失效。

在一些实施例中，期望减小在结合期间的扭曲变形。例如，当基板110、120具有不同的热膨胀系数时，可能发生扭曲变形。热膨胀率的差异能够导致在每个基板110、120内部的扭曲，这能够导致结合层210的脱离（例如，断裂）。

在一些实施例中，表面改变可以包括沟槽140（在图3中所示）。在制造工艺期间沟槽140可以被压入每一个基板110、120中。或者，在金属板的情况下，在板材成形工艺期间沟槽140可以被热压或者以其他方式形成至基板110、120中。

类似于突起130，当裂纹沿结合层210扩展时，沟槽140将在第一基板110和第二基板120之间的组件100的加载状态从剥离断裂状态改变成剪切断裂装袋。然而，沟槽140和焊料球300的组合可足以防止裂纹形成和/或扩展通过粘合剂200，因为焊料球300比粘合剂200更具延展性。

沟槽140可以大体上如由在基板110、120中的一个或两个上的形状所限定。沟槽140可以是方形或圆形（如在图3中所见）或者其它几何形状，并且具有与其相关联的深度145以减小基板110、120内的扭曲。

当沟槽140为圆形时，该形状限定凹形沟槽，大体上如图3中所描绘。然而，应当理解的是，沟槽140还可体限定大体上凸形沟槽。与圆形沟槽相关联的深度145可以是使得基板110、120在结合期间不发生扭曲的数值。在一些实施例中，圆形沟槽的可接受深度145是基板110、120厚度的分数值，直至基板110、120的厚度的多倍的数值。例如，沟槽140可以在大致0.05 mm和大致10 mm之间（从沟槽140的基部开始测量）。

当沟槽140为方形时，该形状大体上限定具有圆形边缘的方形沟槽，如在图3中所描绘。然而，应该理解的是，沟槽140还可以限定具有其它过渡边缘（例如方形、线性等）的方形沟槽。与方形沟槽相关联的深度145可以是使得基板110、120在结合期间不扭曲的值。在一些实施例中，方形沟槽的可接受深度145是基板110、120的厚度的分数值，直至基板110、120厚度的多倍的数值。例如，沟槽140可以在大致0.05 mm和大致10 mm之间（从沟槽140的基部开始测量）。

应当理解的是，基板110、120的一个或两个可以包括沿纵向轴线在间断的间隔（例如，在图3中所示的距离147）处的多个表面改变（例如，突起130和沟槽140）。间断的间隔（诸如，距离147）应当为使得一个沟槽140与后续的沟槽140充分地隔开。可接受的距离147可以是在大致10 mm和大致100 mm之间的数值。

尽管沟槽140被设计成防止变形并且有助于基板110、120的牢固结合以防止断裂，但是当发生断裂时裂纹可以沿上述断裂路径扩展。特别地，当焊料球300与基板110、120的两者接触时，如在图1中所示，断裂路径将类似于断裂路径222、224和/或226（与图1相关联地描述）。然而，当焊料球300仅与基板110、120中的一个接触时，如在图2中所示，断裂路径将类似于断裂路径232和/或234（与图2相关联地描述）。

图4 示出下述内容的载荷（γ（N/mm），[y轴]）与位移（δ（mm），[x轴]）的关系：（i）不包含焊料球的粘合剂（由第一数据线312表示）；（ii）包含与一个基板表面接触的焊料球的粘合剂（由第二数据线314表示）；以及（iii）包含与两个基板表面都接触的焊料球的粘合剂（由第三数据线316表示）。如图所示，通常，第一数据线312具有低于第二和第三数据线314和316的表面张力，因此在与包含焊料球胶的粘合剂比较时，使得粘合剂更易于断裂。第二和第三数据线314和316的表面张力取决于粘合剂的位移而变化，因此使得对单接触焊料球或双接触焊料球的选择成为源于粘合剂的应用和用途的优选。

在一些实施例中，也可通过形成诸如腔240的空缺（在图5中所示）而使得所使用的粘合剂200的量的减小。每个腔240可以是在粘合剂200内的具有任意数量的形状或尺寸的空缺。图5还示出包含根据聚集分布所布置的焊料球300的系统100的实施例。

在由于粘合剂200内的空缺（诸如上面提到的腔240）的存在而导致的粘合剂200的表面积（以及因此体积）减小的应用中，焊料球300的聚集分布可以是有益的。由于在粘合剂200内的预定区域中的结合层宽度214的减小，导致粘合剂200的体积减少。焊料球300的分布密度在宽度214最窄的位置（例如，在腔240之间）处增加。

分布密度可以通过例如控制焊料球300的分布的分配装置而实现。这样的分配装置可以扩展分配喷嘴以在宽度214窄的区域中形成较高的焊料球300的分布密度，以及收起分配喷嘴以在剩余的区域中形成较低的焊料球300的分布密度。该分配装置还可以包括自控制功能以打开或闭合装置喷嘴。为了扩展或收起分配喷嘴，该分配装置可以包括下述物件，例如但不限于（多个）电磁装置、阀、和其它机械部件。

增加分布密度增强了断裂区域（例如，在腔240附近）的易损性。通过策略性地将更多数量的焊料球300分布于结合层宽度214减小的区域中，该聚集分布减小了粘合剂200的体积，同时促进沿需要最大量的断裂能量的路径的剪切断裂。

图5示出具有下述内容的装置的能量吸收水平：（i）不包含焊料球的粘合剂（现有技术；由第一数据块252表示）；（ii）包含焊料球的粘合剂（由第二数据块254表示）；以及（iii）包含具有减小的粘合剂结合层宽度214的焊料球的粘合剂（由第三数据块256表示）。

每一个数据块252、254、256测量覆盖100×25 mm²的表面积的每一个粘合剂的能量吸收，单位为焦耳（J）。y-轴以5 J的增量被标示。

如图所示，第一数据块252吸收每表面积大致接近15 J的能量。当焊料球被添加至粘合剂时（第二数据块254），能量吸收则大得多，对于相同的表面积为大致接近24 J，接近60%的增加。

当焊料球被添加并且结合层宽度214至少在一些区域（例如，在腔240周围）中减小时，能量吸收大体上与无焊料球的粘合剂（即，数据块252）相同。然而，在后一种情况下所使用粘合剂的体积减小约40%。使用较少的材料的益处在上面被描述。

III. 附加实施例—图6至图10

在一些实施例中，如在图7中所示，焊料球300的外表面包含局部或完整涂层320（诸如，焊剂）。选择并涂覆涂层320以改善系统的结合特性和/或受控的断裂特性。在一些情况下，涂层320通过在焊料球300和接触表面115、125之间的界面的增强的结合而实现此目的，该增强的结合迫使裂纹220、230改变断裂的路径或者阻止扩展，如在上面所描述的。

涂层320也可用于阻止（即，停止）通过粘合剂20的断裂扩展。另一方面，涂层320可以使断裂扩展偏转至粘合剂200内所含有的另一个特征（例如，焊料球300或突起130）以促进在剪切模式中的失效通过与焊料球300相邻的粘合剂200。

在一些实施例中，涂层320通过去除结合结构位置处的杂质（例如，灰尘、油或氧化物）而改善焊料球300与基板110、120之间的界面。除了促进已经由总体设计所产生的断裂路径（例如，在图1中的断裂路径222、224、226和在图2中的断裂路径232、234）以外，该改善的界面还促进在焊料球300周围的断裂扩展。

涂层320可以是通过从待连接的金属中除去氧化物而促进锡焊、钎焊或焊接的清洁剂。合适的材料包括但不限于：氯化铵、松香（天然或化学改性的）、盐酸、氯化锌和硼砂。

图8示出下述内容的载荷（γ（N/mm），[y轴]）与位移（δ（mm），[x轴]）的关系：（i）包含不带焊剂的焊料球的粘合剂（由第一数据线332表示）；以及（ii）包含带有焊剂的焊料球的粘合剂（由第二数据线334表示）。如图所示，通常，第一数据线332具有低于第二数据线334的表面张力，这表明当在结合之前使用涂层（诸如涂层320）时，该结合结构在断裂之前可以承受更大的力。

在一些实施例中，焊料球300（无论是否被涂覆）可以分布在下述图案和布局中：该图案或布局可以通过减小结合系统100内的应力集中而强化基板110、120的结合。应力集中可以形成于焊料球300在粘合剂200的同一区域中集中的位置处。通过焊料球300的有意放置而用焊料球300形成图案可以防止形成焊料球300的聚集。

焊料球300的分布可以与新的或现有的制造或组装工艺（其喷涂粘合剂、涂层、蜡等）结合进行。诸如热/冷喷涂等的喷涂工艺可以被用于将焊料球300分布成在基板110、120上或粘合剂200内的图案。此外，包含图案的焊料球300还可包含上面讨论的涂层320以促进杂质的去除。

图9示出包含具有线性分布的焊料球300的系统100的实施例的俯视图。可以如上面结合图7所描述的方式涂覆焊料球300，尽管这种涂层在图9中未详细示出。

在图9的线性分布中，焊料球300的每一个以水平距离340（在同一列中的两个焊料球300之间的距离）和沿结合层宽度214的竖直距离350隔开（在同一行中的两个焊料球300之间的距离）。如所提供的，对方向（例如，水平方向、竖直方向）的引述是用来帮助本描述的并且不必限制本发明的应用或者限制在结合工艺之前、期间或之后的组成部件的定向。

具有线性分布的焊料球300的定位形成断裂路径260（在图9中被描绘为一系列箭头）以这样的方式扩展：使裂纹沿需要最大量的断裂能量的断裂路径扩展。类似于断裂路径222、224、226（见图1），断裂路径260可以在每个焊料球300周围扩展，迫使断裂路径260沿接触表面115、125中的至少一个。替代地，断裂路径260能够沿焊料球300的任意行扩展以允许发生剪切断裂。

图10示出包含具有曲折分布的焊料球300的系统100的替代实施例。，形成在相反的方向上定向的两个曲折图案的焊料球300形成该曲折分布。

如同线性分布，在曲折分布内的焊料球300以水平距离370和竖直距离360隔开。该水平距离360是在粘合剂宽度214的中心线两侧（未图示）的每个曲折波循环之间的距离。竖直距离370是在粘合剂宽度214的中心线和正弦形式的最外面的焊料球300的之间的距离。

具有曲折分布的焊料球300的定位形成断裂路径270（在图910中被描绘为一系列的箭头），以便以这样的方式扩展：其促进剪切断裂而不是剥离断裂。断裂路径270在曲折分布中的单个正弦线内在每个焊料球300周围扩展。替代地，断裂路径270能够沿在曲折分布中的第二正弦线扩展以允许发生剪切断裂。当与断裂路径222、224、226（在图1中所示）以及由随机分布所形成的断裂路径232、234（在图2中所示）以及由线性分布所形成的断裂路径260（在图89中所示）相比较时，由于由曲折分布所形成的图案，使得断裂路径270比上述所比较的断裂路径长。

为了承受最大的连接应力而不导致应力集中，在线性分布的情况下，在水平距离340和竖直距离350之间存在关联性。在曲折分布中的水平距离360和竖直距离370也存在类似的关联性。例如，在该线性分布中，该关联性可以具有大致1：1的比例，而在曲折分布中，该关联性可以具有大致接近1：4的比例。

图11示出下述内容的载荷（γ（N/mm），[y轴]）与位移（δ（mm），[x轴]）的关系：（i）不包含焊料球的粘合剂（由数据线382表示）；（ii）包含随机分布的焊料球的粘合剂（由数据线384表示）；（iii）包含线性分布的焊料球的粘合剂（由数据线386表示）；以及（iv）包含曲折分布的焊料球的粘合剂（由数据线388表示）。

如图所示，通常，数据线382具有低于数据线384、386、388的表面张力。数据线384的表面张力具有随着位移而逐渐增大和减小的表面张力，而数据线386和388具有随着位移而逐渐减小的表面张力，因此使得线性分布和曲折分布适合于一些应用，诸如在基板110与120是不同材料的情况中的结合。

IV. 益处和优点

在上文中描述了本发明的许多益处和优点。本节中给出本发明的一些益处的总结。

本发明允许在结构粘合剂内实现结合层均匀性。结合层均匀性能够实现最优抗张强度和抗剪强度并且调节该结合层的厚度，这减小了在应用中所需的粘合剂的体积。减小粘合剂的体积对于形成较薄的结合层是有益的。此外，减小粘合剂的体积能够导致材料的节约。

本发明允许实现结构粘合剂与基板材料的增强接触。增强结构粘合剂的接触允许基板材料更有效地结合粘合剂从而形成更牢固的结合结构，该结合结构在断裂之前能够承受更大的力。

本发明允许断裂沿需要最大量的断裂能量的路径扩展。不同于促进垂直于基板材料的断裂的玻璃珠，大体上在朝向基板材料倾斜的方向上发生的断裂促进剪切效应，其中基板材料保持在相同平面上。

V. 结论

本文中描述了本公开内容的各种实施例。所公开的实施例仅是示例，这些示例可以以不同形式和替代形式及其组合实施。

专利法不要求说明并教导本发明的每个可行实施例，并且从经济角度上讲这是难以实现的。因此，上述实施例只是所陈述的实施例的示例性说明，用于清楚地理解本公开的原理。

在不脱离本权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例作出改变、修改和组合。所有的这样的改变、修改和组合是包括在本文中都被包括在本公开内容和以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种结合系统（100），包括：

第一基板（110）；

第二基板（120）；

粘合剂（200），所述粘合剂与所述第一基板（110）的第一接触表面（115）以及所述第二基板（120）的第二接触表面（125）接触；以及

多个焊料球（300），所述焊料球被定位在所述粘合剂（200）中，并且与所述第一接触表面（115）接触。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿路径（232、234）的裂纹扩展，在所述系统（100）的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个焊料球（300）的一个或多个被进一步定位成与所述第二接触表面（125）接触。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿路径（222、224、226）的裂纹扩展，在所述系统（100）的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。

7.一种方法，所述方法形成连接第一基板（110）和第二基板（120）的焊料增强的粘合剂结合结构，包括：

在所述第一基板（110）的第一接触表面（115）上涂敷粘合剂（200）；

将多个焊料球（300）的每一个至少部分地定位至所述粘合剂（200）中，使得所述多个焊料球（300）的每一个接触所述第一接触表面（115）；

将所述第二基板（120）的第二接触表面（125）连接至与所述第一接触表面（115）相对的所述粘合剂（200）的一部分；以及

施加热量至所述第一接触表面（115），使得所述多个焊料球（300）的每一个达到焊料球结合温度。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿路径（232、234）的裂纹扩展，在所述结合结构的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。

10.如权利要求7所述的方法，其中，定位所述多个焊料球（300）进一步包括定位所述焊料球（300）使得所述焊料球（300）的至少一个接触所述第二接触表面（125）。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括施加热量至所述第二接触表面（125），使得至少一个焊料球（300）达到所述焊料球结合温度。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿路径（222、224、226）的裂纹扩展，在所述结合结构的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。

14.一种方法，所述方法形成在第一基板（110）和第二基板（120）之间的焊料增强的粘合剂结合结构，包括：

在所述第一基板（110）的第一接触表面（115）上涂覆复合材料，所述复合材料包括粘合剂（200）和多个焊料球（300），使得所述多个焊料球（300）的至少一个与所述第一接触表面（115）接触；

将所述第二基板（120）的第二接触表面（125）连接至与所述第一接触表面（115）相对的所述复合材料的一部分；以及

施加热量至所述第一接触表面（115），使得所述多个焊料球（300）的每一个达到焊料球结合温度。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿路径（232、234）的裂纹扩展，在所述结合结构的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

16.如权利要求14所述的方法，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。

17.如权利要求14所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）的一个或多个进一步被定位成与所述第二接触表面（125）接触。

18.如权利要求17所述的方法，进一步包括施加热量至所述第二接触表面（125），使得至少一个焊料球（300）达到所述焊料球结合温度。

19.如权利要求17所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）被定位在下述分布中，所述分布：（i）阻止裂纹扩展；或者（ii）促进沿的路径（222、224、226）的裂纹扩展，在所述结合结构的至少一个区段中，所述路径要求最大量的断裂能量。

20.如权利要求17所述的方法，其中，所述多个焊料球（300）的至少一个包括涂层（320），所述涂层被构造成：（i）阻止在所述粘合剂（200）中的裂纹扩展；或者（ii）使裂纹扩展偏转以促进在剪切模式中的失效通过与所述焊料球（300）的至少一些相邻的所述粘合剂（200）。