TWI510367B - 金屬與樹脂的複合體及其製造方法 - Google Patents

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Description

金屬與樹脂的複合體及其製造方法
本發明涉及一種金屬與樹脂的複合體及其製造方法。
在實際應用中，常常需要將樹脂與金屬進行連接形成複合體。
先前的樹脂與金屬連接方法之一為採用黏接劑進行黏合，但藉由黏接劑黏合的方法無法制得連接強度高的金屬與樹脂的複合體。另一種連接方法為先在金屬件表面製成複數個微孔，然後將金屬件放入模具內，注射金屬與樹脂件結合為一體。
在金屬件表面成孔的方法包括化學蝕刻與聚焦離子束蝕刻等方式。雖然化學蝕刻能夠快速且大量生產，需要使用大量的化學藥劑，不符合現代環保生產的理念，並且，使用化學蝕刻成孔的方式無法良好地控制微孔的開口方向及寬深比，因此金屬與樹脂的複合體的連接強度不夠高；雖然聚焦離子束蝕刻能夠避免大量化學藥品的使用，且具有優異的納米陣列圖形製作能力，但其製作時必須配合真空環境，因此並不適宜投入量產使用，同時其低加工速度亦不能負荷大面積的加工需求。
有鑒於此，有必要提供一種連接強度高的金屬與樹脂的複合體，以及一種環保的、適合量產的金屬與樹脂的複合體的製造方法。
一種金屬與樹脂的複合體，包括金屬件及與金屬件結合的樹脂件。金屬件的表面形成有複數個微孔，微孔呈V型，包括與金屬件的表面傾斜設置的第一斜向孔與第二斜向孔。第一斜向孔與第二斜向孔以垂直於金屬件表面的方向為軸對稱分佈並相交於金屬件的表面，樹脂件部分侵入微孔而與金屬件結合。
一種金屬與樹脂的複合體的製造方法，其包括如下步驟：首先，提供一成型的金屬件，並對該金屬件進行脫脂除油清洗。然後，在金屬件的表面形成具有複數個開口的光阻層，利用第一次電漿蝕刻於金屬件的表面蝕刻出複數個第一斜向孔，並利用第二次電漿蝕刻於金屬件的表面蝕刻出複數個第二斜向孔，所述第二斜向孔與第一斜向孔以垂直於金屬件表面的方向為軸對稱分佈，並相交於該金屬件的表面上以構成微孔。接著，移除該光阻層；將金屬件置於一成型模具中加熱。最後，將樹脂加熱並加壓注塑與金屬件的表面接觸，樹脂侵入到金屬件的表面的微孔中以與金屬件結合。
相較於先前技術，上述金屬與樹脂的複合體中，金屬件包括複數個陣列的微孔，每個微孔包括與金屬件的表面傾斜設置的第一斜向孔與第二斜向孔，樹脂件熔融後侵入到微孔中以與金屬件結合，因此，所述微孔的存在可有效提升該金屬與樹脂複合體的連接強度。
上述金屬與樹脂的複合體的製造方法藉由電漿蝕刻的方法刻蝕出微孔，相較於化學蝕刻的方法，該方法有效減少了化學藥劑的使用量，可降低製作過程的危害性，因而較為環保；同時，該方法還適用於多種金屬，並不限於金屬，技術應用的自由度較高。另 外，相較於聚焦離子束的方法，該方法利用電漿蝕刻的方式來蝕刻微孔，可在常壓下大面積同步蝕刻微孔，適宜進行大面積加工，加工更快速；並且，不需使用真空設備，可降低加工難度，因此，該方法更適合量產。
10‧‧‧金屬與樹脂的複合體
20‧‧‧金屬件
30‧‧‧樹脂件
40‧‧‧光阻層
41‧‧‧開口
21‧‧‧表面
22‧‧‧微孔
221‧‧‧第一斜向孔
222‧‧‧第二斜向孔
t1‧‧‧孔徑寬
t2‧‧‧孔深
θ‧‧‧夾角
N‧‧‧金屬件表面的垂直軸
圖1係本發明提供的金屬與樹脂的複合體的剖面圖。
圖2~圖6係本發明提供的金屬與樹脂的複合體的製造方法的示意圖。
請參閱圖1，本發明較佳實施例的金屬與樹脂的複合體10包括金屬件20及與金屬件結合的樹脂件30。
金屬件20的材質可為鋁合金、鎂合金、不銹鋼、銅及銅合金等。金屬件20的表面21上具有複數個微孔22，微孔22大致呈V型結構，包括相對於金屬件20的表面21傾斜設置的第一斜向孔221與第二斜向孔222，相交於表面21，如圖1所示，第一斜向孔221與第二斜向孔222對稱分佈在金屬件表面的垂直軸N兩側。
優選地，第一斜向孔221與第二斜向孔222與金屬件表面的垂直軸N之間具有夾角θ，夾角θ大致為15°~45°。優選地，微孔22呈均勻的陣列狀排列。
第一斜向孔221與第二斜向孔222的孔徑寬t1優選為100~300nm，孔深為t2，第一斜向孔221與第二斜向孔222的孔徑寬深比(t1：t2)優選為1：3~1：5。由此可見，第一斜向孔221與第二斜向孔222均為納米孔。
樹脂件30藉由注射或者熱熔的方式部分侵入到微孔22中與金屬件20結合。樹脂件30採用結晶型熱塑性樹脂，例如聚苯硫醚(PPS)與玻璃纖維的混合物、聚醯胺(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。若為聚苯硫醚與玻璃纖維的混合物時，其中玻璃纖維的品質百分含量優選為20~50%。
由於每個微孔22包括第一斜向孔221與第二斜向孔222，因此，當施加外力使金屬件20與樹脂件30分離時，所述外力可拆分為與孔底平行的摩擦正向力與與孔底垂直的剪切力，相較於傳統直向孔的結構，第一斜向孔221與第二斜向孔222能提供更大的滑動摩擦力，進而使金屬件20與樹脂件30的連接強度更高。
本發明較佳實施例的金屬與樹脂的複合體10的製造方法主要包括如下步驟：請參閱圖2，提供一成型的金屬件20，並對金屬件20進行脫脂除油清洗。金屬件20可藉由機械加工、鑄造的方式形成。
該脫脂除油清洗主要包括將所述金屬件20浸漬於含脫脂劑的水溶液中。所述脫脂劑可為常見的金屬脫脂劑，該脫脂劑的濃度可為90~150g/L。浸漬時，所述脫脂劑的水溶液的溫度優選在20~30℃之間。該浸漬的時間優選為1~6分鐘。脫脂處理後對所述金屬件20進行水洗。
請參閱圖3，在金屬件20的表面21形成一層光阻層40，光阻層40具有複數個開口41，優選地，開口41為圓形，呈陣列狀排列，但並不限於此，開口41也可為方形或其他形狀。優選地，開口41的直徑為100~300nm。
請參閱圖4，利用第一次電漿蝕刻在金屬件20的表面21上形成複數個第一斜向孔221，第一斜向孔221與金屬件表面21傾斜設置。
該步驟具體為：在常壓下，將光阻層40作為掩模，利用第一次電漿蝕刻透過開口41對金屬件20的表面21進行非等向性蝕刻，以形成複數個第一斜向孔221，第一斜向孔221與金屬件20的表面21傾斜設置。第一次電漿蝕刻之入射角度與金屬件表面的垂直軸N具有一偏移角度，優選地，所述偏移角度為5°~75°。電漿源可採用氬氣等一般常見的氣體。
在本實施方式中，第一斜向孔221與金屬件表面的垂直軸N之間具有夾角θ，夾角θ大致為15°~45°。第一斜向孔221的孔徑寬t1優選為100~300nm，孔深為t2，孔徑寬深比(t1：t2)優選為1：3~1：5。當然，第一斜向孔221的尺寸並不限於此，也可制得不同尺寸的第一斜向孔221。
請參閱圖5，利用第二次電漿蝕刻在金屬件20的表面21上形成複數個第二斜向孔222，第二斜向孔222與第一斜向孔221以金屬件表面的垂直軸N對稱分佈，並相交於該金屬件表面21上以構成微孔22。
該步驟具體為：在常壓下，將光阻層40作為掩模，利用第二次電漿蝕刻透過開口41對金屬件20的表面21進行非等向性蝕刻，所述第二次電漿蝕刻之入射角度與金屬件表面的垂直軸N具有一偏移角度，優選地，所述偏移角度為15°~45°，並且與第一次電漿蝕刻的入射角度沿著金屬件表面的垂直軸N對稱。電漿源可採用氬氣等一般常見的氣體。
在本實施方式中，第二斜向孔222與金屬件表面的垂直軸N之間具有夾角θ，夾角θ大致為15°~45°。第一斜向孔221的孔徑寬t1優選為100~300nm，孔深為t2，孔徑寬深比(t1：t2)優選為1：3~1：5。當然，第二斜向孔222的尺寸並不限於此，也可制得不同尺寸的第二斜向孔222。
請參閱圖6，去除該光阻層40，然後將金屬件20嵌入到一成型模具中，並加熱金屬件20。優選地，金屬件20被加熱至100~350℃。該加熱的方式可為電磁感應加熱。
請繼續參閱圖1，在所述加熱的模具中注射熔融的樹脂件30，樹脂件30部分侵入金屬件20的表面21的微孔22，冷卻後，樹脂件30與金屬件20結合於一體，即獲得金屬與樹脂的複合體10。
上述金屬與樹脂的複合體中，金屬件包括複數個陣列的微孔，每個微孔包括與金屬件的表面傾斜設置的第一斜向孔與第二斜向孔，樹脂件熔融後侵入到微孔中以與金屬件結合，因此，所述微孔的存在可有效提升該金屬與樹脂複合體的連接強度。
上述金屬與樹脂的複合體的製造方法藉由電漿蝕刻的方法刻蝕出微孔，相較於化學蝕刻的方法，該方法有效減少了化學藥劑的使用量，可降低製作過程的危害性，因而較為環保；同時，該方法還適用於多種金屬，並不限於金屬，技術應用的自由度較高。另外，相較於聚焦離子束的方法，該方法利用電漿蝕刻的方式來蝕刻微孔，可在常壓下大面積同步蝕刻微孔，適宜進行大面積加工，加工更快速；並且，不需使用真空設備，可降低加工難度，因此，該方法更適合量產。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，本發明之範圍並不以上述實施方式為限，舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧金屬與樹脂的複合體
20‧‧‧金屬件
30‧‧‧樹脂件
21‧‧‧表面
22‧‧‧微孔
221‧‧‧第一斜向孔
222‧‧‧第二斜向孔
t1‧‧‧孔徑寬
t2‧‧‧孔深
θ‧‧‧夾角
N‧‧‧金屬件表面的垂直軸

Claims (10)

  1. 一種金屬與樹脂的複合體，包括金屬件及與該金屬件結合的樹脂件，其改良在於：所述金屬件的表面形成有複數個微孔，所述微孔呈V型，包括與金屬件的表面傾斜設置的第一斜向孔與第二斜向孔，所述第一斜向孔與所述第二斜向孔對稱分佈於所述金屬件表面的垂直軸的兩側並相交於所述金屬件的表面，所述樹脂件部分侵入所述微孔而與所述金屬件結合。
  2. 如請求項第1項所述之金屬與樹脂的複合體，其中所述第一斜向孔與所述第二斜向孔的孔徑寬分別為100~500nm，孔徑寬深比分別為1：3~1：5。
  3. 如請求項第1項所述之金屬與樹脂的複合體，其中所述金屬件的材質為鋁合金、鎂合金、不銹鋼、銅及銅合金中的至少一種。
  4. 如請求項第1項所述之金屬與樹脂的複合體，其中所述樹脂件由結晶型熱塑性樹脂組成。
  5. 如請求項第1項所述之金屬與樹脂的複合體，其中所述微孔呈陣列狀排列。
  6. 一種金屬與樹脂的複合體的製造方法，其包括如下步驟：提供一成型的金屬件，並對所述金屬件進行脫脂除油清洗；在所述金屬件的表面形成具有複數個開口的光阻層；利用第一次電漿蝕刻於所述金屬件的表面蝕刻出複數個第一斜向孔，所述第一斜向孔與所述金屬件的表面傾斜設置；利用第二次電漿蝕刻於所述金屬件的表面蝕刻出複數個第二斜向孔，所述第二斜向孔與所述第一斜向孔以垂直於所述金屬件表面的方向為軸對稱分佈，並相交於所述金屬件的表面上以構成微孔； 移除所述光阻層；將所述金屬件置於一成型模具中加熱；在所述模具中注射熔融的樹脂件，所述樹脂件侵入到所述金屬件的表面的微孔中以與所述金屬件結合。
  7. 如請求項第6項所述之金屬與樹脂的複合體的製造方法，其中所述第一次電漿蝕刻與所述第二次電漿蝕刻為在常壓下進行的非等向性蝕刻。
  8. 如請求項第6項所述之金屬與樹脂的複合體的製造方法，其中所述第一斜向孔與所述第二斜向孔的孔徑寬分別為100~500nm，孔徑寬深比分別為13~1：5。
  9. 如請求項第6項所述之金屬與樹脂的複合體的製造方法，其中所述金屬件的材質為鋁合金、鎂合金、不銹鋼、銅及銅合金中的至少一種。
  10. 如請求項第6項所述之金屬與樹脂的複合體的製造方法，其中所述樹脂件由結晶型熱塑性樹脂組成。
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