專利名稱：具有平面和非平面部分的電路圖案的光纖劃線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖電路板及其制造方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種將光導(dǎo)纖維粘合到介質(zhì)基片上以形成具有平面和非平面部分的纖維電路圖案以及由所述纖維電路圖案構(gòu)成的互連卡、智能卡或光纖電路卡的改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
在電氣和電子元件的制造和裝配方面，長久以來用線路板來互連電子部件。這些“互連”板或卡具有一塊其上裝有多個(gè)電子部件的絕緣基片，所述電子部件可以是安裝在絕緣基片上的集成電路組件或其他類型的電子、光電或光學(xué)元件，所述“互連”板或卡還具有一個(gè)相互連接各個(gè)部件的傳導(dǎo)路徑區(qū)域的圖案。
由于光纖(optical filaments或optical fibers)可傳送的信息遠(yuǎn)多于電導(dǎo)體(并且信號減弱遠(yuǎn)小于電導(dǎo)體)，因而光纖的使用日益廣泛。例如，光纖底板(optical backplanes)越來越多地用在需要更高的電路密集度但難以使用一般的電線底板的電子系統(tǒng)中。光纖底板由以給定的圖案或電路幾何圖安裝或劃線在基片上的多根光纖形成。光纖底板互連以光的形式傳送信號的光纖電路部件以及電路部件、接線板、模塊和/或集成電路。當(dāng)光纖底板互連電氣部件時(shí)，每一個(gè)部件的電能轉(zhuǎn)換成光能，由光纖底板上的光纖將所述光能傳送到另一個(gè)電氣部件，光能在那里轉(zhuǎn)換回電能以傳送到另一個(gè)電氣部件。
光纖底板依據(jù)不同的方法制成，從手工將光纖置于基片上，到通過機(jī)械化裝置以給定的圖案將光纖劃在基片上。然而卻難以工業(yè)制造帶有光纖的互連卡，這些已知的方法往往導(dǎo)致無法接受的結(jié)果。光纖極小、難以處理。同時(shí)，這些微小的纖維易碎，往往不能經(jīng)受在劃線過程中由于急轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的應(yīng)力或類似情形。在交疊點(diǎn)(即一根導(dǎo)線與其自身或另一根導(dǎo)線重疊的地方)光纖的斷裂尤其成問題，因?yàn)閼?yīng)力在這些點(diǎn)會急劇增高。在使用超聲波能量來將纖維粘合到基片上時(shí)，由于會導(dǎo)致進(jìn)一步的纖維斷裂而更成問題。由于斷裂比率的增加，光纖電路板制造的工業(yè)價(jià)值大打折扣。
例如，美國專利號3,674,602和3,674,914(日期均為1972年7月4日)描述了互連卡的制造方法。依據(jù)這些方法，將一基片安裝在一個(gè)真空臺上。接著用一個(gè)導(dǎo)線分送和粘接頭以一個(gè)預(yù)先選定的平面電路圖案將導(dǎo)線劃到一基片表面上。這種方法就是公知的“導(dǎo)線劃線”。一層壓到基片表面上的粘合膜將導(dǎo)線緊固到基片上。在與導(dǎo)線接觸時(shí)，粘接頭發(fā)出的能量活化粘合膜，從而將導(dǎo)線粘接到基片上。
然而，在導(dǎo)線劃線過程中，應(yīng)力可嚴(yán)重到導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂(在交疊點(diǎn)達(dá)到12MPa)。1996年1月9日頒發(fā)給Luke等人的美國專利號5,483,603描述了一個(gè)用來檢測斷裂的導(dǎo)線劃線電路板自動(dòng)光學(xué)檢驗(yàn)的系統(tǒng)和方法。相似地，在劃線過程中，光纖上的應(yīng)力增加了斷裂和“微折”的可能性，所述“微折”狀態(tài)可造成在沿著光纖傳播過程中信號的衰減現(xiàn)象。
美國專利號6,088,230和6,233,818(日期分別為2000年7月17日和2001年5月22日)描述了將導(dǎo)線粘接到基片或裝有芯片的板上的其他方法。美國專利號6,088,230專利公開了通過基片上的粘合層將芯片安裝在基片上。接著，將導(dǎo)線的一個(gè)自由端焊接到一個(gè)芯片的接觸面上。將成圈的導(dǎo)線分送到基片表面上。至少在若干點(diǎn)上將導(dǎo)線溶接到基片上。最后通過焊接將導(dǎo)線的第二自由端連接到另一個(gè)芯片的接觸面上。美國專利號6,233,818公開了一種相似的方法，宣稱除了金屬導(dǎo)體外還可適用于玻璃纖維。然而，美國專利號6,088,230和6,233,818均沒有描述使用光纖的實(shí)施例或者提供過程參數(shù)以成功地依據(jù)這些方法對光纖進(jìn)行劃線。
1993年11月2日頒發(fā)給BURACK等人的美國專利號5,259,051公開了一種通過將光纖劃到基片上以使光纖互連的方法。由于劃線頭可以沿著X、Y和Z軸向移動(dòng)，所以可以形成交迭點(diǎn)。一彈簧將劃線頭向下推到基片上，并在遇到障礙時(shí)允許劃線頭在交迭點(diǎn)處上推。光纖處的Z軸移動(dòng)是不受控的，而取決于由劃線過程中所遇到的障礙造成的阻力。
另外，在美國專利號5,259,051的方法中，光纖并未嵌入到基片中，而只是置于基片的表面上。因而，在劃線之后，光纖由封包光纖的塑料膜覆蓋。通過施加壓力和熱將塑料膜層壓到基片上。封包光纖所必要的這個(gè)壓力也會使光纖斷裂。在日益常見和在光纖電路卡中所必需的交迭點(diǎn)處，斷裂情況尤其成問題。
1994年5月8日頒發(fā)給BURACK等人的美國專利號5,292,390公開了一種生產(chǎn)光纖電路的相似的方法。首先將光纖粘接到基片的上表面上，接著用熱塑性膜片材料將其覆蓋。接著，在一個(gè)提高的溫度和相當(dāng)高的壓力下緊壓所形成的結(jié)構(gòu)以將熱塑性材料粘接或貼合到塑料基片上。在冷卻之后，再一次對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱并使其經(jīng)受更高的壓力以封包住光纖。即使在這種方式下，光纖仍然易受損壞，尤其當(dāng)光纖電路圖案包含有許多交疊點(diǎn)時(shí)，原因是熱塑性膜片材料上加有熱和壓力。
因而，適于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的制造光纖電路板的方法長久以來在工業(yè)上已成為一個(gè)需要。有各種不同的自動(dòng)將導(dǎo)線進(jìn)行劃線并粘接到基片上的機(jī)器，但這些機(jī)器總的來說不適合用于光纖，原因是光纖相對易碎且不能經(jīng)受熱、壓力以及急轉(zhuǎn)彎等。
發(fā)明目的因而，本發(fā)明的一個(gè)目的即為提供一種適于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的以快速、有成本效益方式形成具有平面和非平面部分的光纖電路圖案的方法。
另一個(gè)目的為提供一種在制造過程中通過減少纖維上的應(yīng)力而避免纖維斷裂的制造光纖劃線電路的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供由一個(gè)或多個(gè)基本上沒有應(yīng)力的交迭點(diǎn)制成的光纖劃線電路。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供一種不使用厚、高性能絕緣層的制造導(dǎo)線劃線電路的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供一種不使用難以去除的絕緣層的制造導(dǎo)線劃線電路的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供不需要纖維帶有厚、重的聚酰亞胺絕緣涂層以耐受制造過程的導(dǎo)線劃線電路板。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供纖維具有薄的聚氨酯涂層的導(dǎo)線劃線電路板。
本發(fā)明的另一個(gè)目的為提供具有光滑和均勻外部以能隨后打印例如數(shù)字化圖像的智能卡。
在參看以下的說明書和權(quán)利要求書后，本發(fā)明的這些目的以及其他目的對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見。
發(fā)明概述在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及在介質(zhì)基片上或其臨近處具有平面和非平面部分的光纖劃線電路圖案的方法。以沿一平行于基片表面的平面的約110英寸/分到約190英寸/分之間的速度在表面上或其臨近處對一預(yù)先選定的連續(xù)光導(dǎo)纖維劃線，從而由該劃線的纖維形成電路圖案的一個(gè)平面部分。通過放置下一根鄰近早先剛剛劃線的光導(dǎo)纖維的預(yù)先選定的連續(xù)纖維，從而該下一根預(yù)先選定的纖維橫跨但不與形成基片表面的一部分的、預(yù)先選定的表面或區(qū)域粘合，由此形成電路圖案的一個(gè)非平面部分。接著，在所述表面上或其臨近處對另一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維以約110英寸/分到約190英寸/分之間的速度劃線以形成纖維電路的另一個(gè)平面部分。該下一根預(yù)先選定的纖維鄰近形成纖維電路非平面部分的纖維。
已發(fā)現(xiàn)本發(fā)明能獲得迄今為止無法獲得的易碎光纖的劃線速度。為了避免斷裂，使光纖粘接到基片上所用的能量保持在一個(gè)獲得足夠粘接所需要的最小量。然而，當(dāng)前后協(xié)同地(in tandem)提高劃線速度和粘接能量(即超聲波能量和壓力)時(shí)，可獲得令人驚奇的結(jié)果。可獲得光纖和基片之間的出乎意料的強(qiáng)的結(jié)合力而不增加對纖維的損壞。這使得光纖電路板的工業(yè)化制造成為可行。
本發(fā)明另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將隨著在以下的說明書中對本發(fā)明更加詳細(xì)的描述、附圖和權(quán)利要求書而變得顯而易見。這些描述純?yōu)槭疽庑远粯?gòu)成限定。
附圖簡單說明附

圖1為用來制造三維纖維電路板的裝置的示意圖。
附圖2a為纖維電路板的一部分的平面圖，圖中將一根纖維裝設(shè)到基片上。
附圖2b為附圖2a中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，示出在纖維電路劃線過程中纖維與基片進(jìn)一步的粘接。
附圖2c為附圖2a和附圖2b中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出一纖維電路部分在早先劃線的纖維電路部分上方的放置。
附圖2d為附圖2a-2c中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出在纖維電路的主要部分上方放置一個(gè)纖維部分之后粘接過程的繼續(xù)。
附圖2e為附圖2a-2d中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出纖維劃線過程的繼續(xù)。
附圖2f為顯示纖維電路板的一部分的平面圖，示出一個(gè)纖維部分在基片的一個(gè)凹部上方的放置。
附圖2g為顯示纖維電路板的一部分的平面圖，示出一個(gè)纖維部分在基片的一個(gè)凸起區(qū)域上方的放置。
附圖3a為纖維電路板的一部分的平面圖，圖中將一根纖維裝設(shè)到基片上。
附圖3b為附圖3a中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，示出在纖維電路劃線過程中纖維與基片進(jìn)一步的粘接。
附圖3c為附圖3a和附圖3b中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出一個(gè)纖維部分在早先劃線的纖維電路部分的下面的放置。
附圖3d為附圖3a-3c中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出在纖維電路的主要部分的下面放置一個(gè)纖維部分的過程中粘接過程的繼續(xù)。
附圖3e為附圖3a-3d中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出粘接過程通過恢復(fù)在基片表面上劃線繼續(xù)進(jìn)行。
附圖3f為附圖3a-3e中所示纖維電路板的相同部分的平面圖，進(jìn)一步示出粘接過程通過將另外的纖維部分劃到嵌入纖維部分上繼續(xù)進(jìn)行。
附圖4為依據(jù)本發(fā)明制成的一個(gè)交迭點(diǎn)的頂視圖。
發(fā)明的具體描述依據(jù)本發(fā)明，提供了具有平面和非平面部分的光纖劃線電路圖案(optical filament scribing circuit patterns)以及由所述光纖劃線電路圖案構(gòu)成的互連卡、智能卡或光纖電路卡的形成方法。
互連卡、智能卡和光纖電路卡具有劃線并粘合到絕緣基片上的纖維電路(filament circuits)。多根劃線的傳導(dǎo)纖維構(gòu)成了纖維電路圖案。將每一根纖維從一端到另一端、一根接著另一根連續(xù)地劃線并粘合到基片上，直到劃出一個(gè)完整的纖維電路圖案?；谋砻婵山由想娮?、光電或光學(xué)元件。
可使用任何傳導(dǎo)纖維，包括電導(dǎo)或光導(dǎo)纖維。例如可使用金屬或?qū)щ娋€如銅線。纖維的周圍提供有絕緣體。
光導(dǎo)纖維或光纖可以是單?；蚨嗄＠w維。光導(dǎo)纖維可由任何透明的介質(zhì)材料制成，通常是導(dǎo)光的玻璃或塑料。典型的光纖由三部分構(gòu)成芯、包層和護(hù)套。纖維的芯或叫中心體是光的實(shí)際傳播路徑。與芯粘接(Bonded)的是包層。
芯和包層可由相同或不同的材料制成，比如光導(dǎo)玻璃或水晶。例如，芯和包層均可由硅石或摻雜的硅石以及其他含硅石或相似的光導(dǎo)材料制成。然而，應(yīng)該理解也可使用其他本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的材料?？墒褂玫囊恍┢渌牧系氖纠秊榱蚧?、氟化物、氧鹵化物、以及摻雜稀土族離子的蹄酸鹽玻璃(即釹摻雜蹄酸鹽玻璃或鉺摻雜氟化物玻璃)。芯和包層的材料應(yīng)選擇為使芯的折射率稍微高于包層的折射率。通過使芯的折射率稍微高于包層的折射率，將光保持在芯內(nèi)并在其內(nèi)傳播。
通常具有護(hù)套以保護(hù)包層，但不全是。護(hù)套可以是一種適合的聚合物(通常稱作緩沖套)，或者可以是一種塑料套。例如，封包的光纖由聚丙烯酸脂、聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸酯、聚氨酯和乙烯醚制成的緩沖套環(huán)繞。
可根據(jù)各種公知的技術(shù)對光纖的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測量。G.S.Glaesemann和D.J.Walter在《Method Of Obtaining Long-LengthStrength Distribution For Reliability Prediction》(《光學(xué)工程》30卷6號刊第746-748頁，1991年6月)一文中公開了一種較佳的測試抗拉強(qiáng)度的方法。為理解本發(fā)明所需，所述公開通過一定程度的參考結(jié)合在本文中。依據(jù)這個(gè)方法進(jìn)行測試時(shí)較佳為光纖具有至少約100kpsi(千磅/平方英寸)的抗拉強(qiáng)度。
在將纖維的一部分橫跨纖維的另一部分(交迭點(diǎn))處，在金屬傳導(dǎo)纖維上必須要有絕緣體以避免不需要的電氣連接。而對于光導(dǎo)纖維，絕緣體為非必須。
粘合涂層和一層或多層打底的絕緣層(如具有的話)應(yīng)該是可去除的。劃線纖維和元件之間的電連接通過去除絕緣體和/或粘合劑進(jìn)行。因此，粘合涂層和絕緣層應(yīng)該能夠去除，而不會損壞纖維或其上要粘接纖維的基片表面。絕緣體較佳為一種在通常的焊接溫度下能輕易去除的熱塑性材料。
基片構(gòu)成互連卡的基體，提供結(jié)構(gòu)方面的強(qiáng)度和支撐?？墒褂萌魏蝹鹘y(tǒng)的基片。例如包括(1)帶或不帶蝕刻箔片接電和接地導(dǎo)體或類似物的電路基片；或者(2)電子互連板，包括斷續(xù)接線(discrete-wired)的電路板、標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板、多層電路板；其上帶有元件的電路板，或者處于任何其他形成階段的電路板?；捎扇魏谓橘|(zhì)材料制成，包括酚紙片、環(huán)氧紙片、環(huán)氧玻璃片、環(huán)氧玻璃復(fù)層、聚酰亞胺薄片、三嗪樹脂薄片和具有適宜熱特性和電特性的其他基體材料。基片材料應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和厚度以滿足成品互連板的要求。
導(dǎo)線的劃線要求基片或纖維具有可活化粘合面的能量。纖維或基片可由具有這種特性的材料制成。另外，纖維或基片也可以是具有粘合涂層。在本領(lǐng)域中，導(dǎo)線劃線的粘合劑廣為人知，在頒發(fā)給Schonberg等人的美國專利號4,642,321和頒發(fā)給RUDIK等人的美國專利號4,544,801以及頒發(fā)給FRIEDRICH等人的美國專利號5,340,946中均有描述。可在基片上施加可活化粘合涂層，比如部分固化的熱固性樹脂，其在加熱時(shí)具有延展性，在稍微加熱時(shí)則具有粘合力?；蛘咴诶w維上加設(shè)粘合涂層。
可以使用任何適合的能夠粘合纖維和基片的粘合材料。適合材料的一個(gè)樣例是壓敏性丙烯酸粘合帶。
附圖1示出實(shí)施本發(fā)明的裝置的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。一個(gè)電子機(jī)械導(dǎo)線送料機(jī)構(gòu)32，適于將纖維102分送到布線頭20。導(dǎo)線送料機(jī)構(gòu)32可包含一個(gè)與主導(dǎo)輪或驅(qū)動(dòng)輪36連接的送料器電機(jī)34。主導(dǎo)輪36制有一個(gè)與纖維102緊密配合公差制成的凹槽26。精密軸承38位于將纖維壓向布線頭20的位置。當(dāng)啟動(dòng)送料器電機(jī)34時(shí)，主導(dǎo)輪36旋轉(zhuǎn)，纖維102被壓入布線頭20上的纖維引導(dǎo)器22。如果送料器電機(jī)34是直流電機(jī)，則以一個(gè)與所使用的直流電壓成比例的速度對纖維送料。
布線頭20具有一個(gè)前述的纖維引導(dǎo)器22、一個(gè)針24和一個(gè)變換組件(transducer assembly)50。較佳地，纖維引導(dǎo)器22和針24制成具有與纖維外徑的緊密配合公差的凹槽62。纖維102從導(dǎo)線送料機(jī)構(gòu)32送至纖維引導(dǎo)器22，并送至針24的凹槽26的下面。針頭和纖維引導(dǎo)器的凹槽防止纖維的位置偏離正確路徑。變換器54位于針頭24的附近，將能量施加到被分送的纖維102或臨近的基片106上。所述能量至少將纖維被分送的部分粘合到基片上。
用于活化粘合面的能量的數(shù)量和強(qiáng)度應(yīng)該是可控的。能量的大小應(yīng)能活化粘合劑，但不損壞纖維102或基片表面106?？梢允褂脽?、壓力、超聲波、激光或輻射能源或上述能源的組合能源。例如，也可通過在粘合面的一個(gè)部分使用一種溶劑而對粘合劑進(jìn)行化學(xué)活化。另外，熱氣或過熱氣體如空氣也可用在涂層上，提供熱能以活化粘合劑。
附圖1示出一個(gè)較佳的超聲波變換組件。該變換組件50具有一個(gè)螺線管52，其激勵(lì)位于螺線管52的中心的磁致伸縮變換器54，從而當(dāng)電流通到螺線管52時(shí)，變換器54以固有頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)。變換器54的機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳送到設(shè)于變換器54的針頭24，從而使針頭24振動(dòng)。針頭的振幅與通到螺線管52的電流的振幅成比例。針頭24由套管28或其他支承件牢固地支承，從而防止偏離正確位置。
任何傳統(tǒng)的控制器均可用來調(diào)節(jié)用于活化粘合面的能量的大小。
促動(dòng)組件(actuator assembly)60沿著三個(gè)直交的軸向使布線頭20和基片106相互移位。用于此目的的傳統(tǒng)的移動(dòng)臺典型地可以通過液動(dòng)或氣動(dòng)促動(dòng)器繞著其各自的軸線以旋轉(zhuǎn)方式移位。應(yīng)該理解，基片或布線頭或兩者均可固定在此種移動(dòng)臺上。另一種做法是，將基片固定于僅能夠在兩個(gè)方向(X和Y)移動(dòng)的移動(dòng)臺上，而布線頭沿著Z軸移動(dòng)。因而能夠?qū)崿F(xiàn)布線頭相對于基片的三軸移位?？梢允褂萌魏蝹鹘y(tǒng)的三維移動(dòng)方法。
較佳地，促動(dòng)組件60能橫向和垂直地移動(dòng)布線頭20。最好是促動(dòng)組件60使針24和纖維引導(dǎo)器22相互獨(dú)立地移位。例如，當(dāng)粘合劑為壓敏性時(shí)，促動(dòng)組件60較佳為通過針24調(diào)節(jié)施加到纖維上的壓力。電子或氣動(dòng)系統(tǒng)62定位包含針24的布線頭20并控制將纖維壓到基片106上的壓力。另外，懸移組件(suspension assembly)64可根據(jù)劃線過程中的要求將纖維引導(dǎo)器抬起或放下。
依據(jù)上述的較佳實(shí)施例，針頭24首先處于一個(gè)與纖維引導(dǎo)器22大致等高的位置。在劃線過程中啟動(dòng)導(dǎo)線送料機(jī)構(gòu)32以分送一段纖維102。放下針頭24以將纖維102壓向基片106。纖維引導(dǎo)器22所處的位置使得纖維102陷入到針頭24的凹槽26中。對磁致伸縮性變換器54進(jìn)行勵(lì)磁以用能量將纖維104粘接到基片106上。
接著按照一個(gè)預(yù)先選定的圖案相互移動(dòng)基片106和纖維引導(dǎo)器22。導(dǎo)線送料器32和纖維引導(dǎo)器22將預(yù)定量的纖維102分送到基片上以形成一個(gè)纖維電路。選擇性地啟動(dòng)變換組件50以將纖維104粘接到基片106上。
在端點(diǎn)處，可使用一個(gè)切割器30來切割纖維。
在連接點(diǎn)處，可使用變換組件50來將纖維104熔接到半導(dǎo)體器件112或其他電器或光學(xué)元件上。
當(dāng)橫跨一個(gè)凹入?yún)^(qū)域(比如孔洞114)、一個(gè)凸起區(qū)域(比如安裝墊片或另一根導(dǎo)線116)時(shí)，過程順序按以下方式進(jìn)行第一步控制器56減少用來粘接纖維102和基片106的能量。例如，關(guān)掉超聲波能源58或?qū)⑵淝袚Q到空轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而減少確保纖維102與基片106緊密接觸的、由針頭24所施加的壓力。同時(shí)布線頭20沿著Z軸方向從基片106上抬起一距離。
第二步布線頭20在到達(dá)障礙點(diǎn)114或116的前緣110時(shí)被驅(qū)動(dòng)至一個(gè)在所述障礙點(diǎn)上方的一定的Z軸高度。隨著布線頭20向上移動(dòng)，將直流電接通到送料器電機(jī)上以分送纖維102，從而布線頭20橫跨障礙點(diǎn)114和116。通過這種方式，被分送的纖維102的量以及布線頭20的移位均依據(jù)障礙點(diǎn)114和116的尺寸得以控制。
在橫跨障礙點(diǎn)114或116之后，沿Z軸向著基片106的表面方向放下布線頭20，至纖維102接觸到基片106，并且針26將壓力施加于其上。接通超聲波能源58，繼續(xù)前述的順序，直到纖維104粘合、纖維電路100完成及切割器啟動(dòng)。
現(xiàn)參看附圖2a-2g，在以諸如附圖1中所示的裝置10將纖維102劃到基片106上的過程中，將基片106固定到工作臺68上，并使基片106與布線頭20關(guān)聯(lián)。較佳地，基片106相對于布線頭20的移動(dòng)通過自動(dòng)方式比如通過計(jì)算機(jī)66控制。可固定布線頭20，而工作臺68可三個(gè)方向移動(dòng)?；蛘撸季€頭20可在所有三個(gè)方向上移動(dòng)，而固定住工作臺68。也可以布線頭20和工作臺68均可在所有三個(gè)方向上移動(dòng)。
附圖2A-2G示出形成具有平面和非平面部分的一個(gè)纖維電路圖案100的互連卡的順序步驟。如圖所示，本發(fā)明使得在對纖維電路圖案100進(jìn)行劃線的同時(shí)減少在交迭點(diǎn)107處加到纖維上的壓力。另外，本發(fā)明能使纖維電路圖案100在預(yù)先存在的凸起區(qū)域116比如墊片和接觸圖案上方劃線。
在附圖2a中示出一個(gè)處于劃線過程起始步驟的互連卡120?；ミB卡120包含一塊帶有粘合于其表面上的纖維104的基片106?；?06可包含多個(gè)凹入?yún)^(qū)域114，比如預(yù)先鉆出的孔眼、凹槽、孔洞或類似物。在基片106的表面上也可具有墊片、連接結(jié)構(gòu)或其他凸起區(qū)域116。
一旦纖維104被劃線并粘合到基片106上，如上所述，由纖維104所占據(jù)的基片上的部分稱為“第一預(yù)置區(qū)域”?；习蛟O(shè)置成要包含凹入或凸起區(qū)域114或116的區(qū)域也可稱為第一預(yù)置區(qū)域。當(dāng)隨后的纖維要橫跨早先劃線的纖維時(shí)，這些隨后劃線的纖維將不直接與基片106粘接。
參看附圖2b，劃線針24和基片106相互之間在一個(gè)與基片106的表面平行的X-Y平面上移動(dòng)，同時(shí)將纖維104分送并粘合到基片106的表面上。在針24到達(dá)基片106上的一個(gè)預(yù)置區(qū)域的一個(gè)前緣110時(shí)，移動(dòng)停止。針24從基片106的表面上沿著Z軸方向抬起一段距離，所述Z軸方向垂直于由基片的表面確定的X-Y平面。
如附圖2c所示，接著相互之間移動(dòng)針24和基片106，同時(shí)分送纖維102。在這個(gè)步驟中可以不施加活化粘合劑的活化能量。通過這個(gè)方式，隨后劃線的纖維102可以橫跨早先粘接的纖維104而不與其接觸，并且未被粘合到其上。
參看附圖2d，一旦針24到達(dá)基片106上的第一預(yù)置區(qū)域的一個(gè)后緣112時(shí)，針24再一次沿著Z軸方向移動(dòng)，使纖維102與基片106的表面接觸。恢復(fù)活化粘合劑的能量施加，將纖維104粘合到基片106的表面上。如附圖2e所示，相互之間移動(dòng)針24和基片106，同時(shí)將纖維104分送并粘合到基片表面106。繼續(xù)這個(gè)過程直到形成一個(gè)完整的纖維電路圖案100。
如附圖2f所示，可利用如上所述的過程在基片106區(qū)域上方對一根未粘接的纖維102劃線，所述區(qū)域包含孔眼、凹槽、孔洞或類似物114。附圖2g示出用來在基片106區(qū)域上方對纖維102劃線的相同的過程，所述區(qū)域帶有一個(gè)凸起116比如一個(gè)墊片或接觸圖案。
附圖3a-3f示出用于形成纖維電路圖案100的、具有非平面部分的互連卡120的順序步驟，所述纖維電路圖案100包含數(shù)根沿著Z軸方向嵌入到基片106中的纖維105，所述Z軸方向處于由基片106的表面確定的X-Y平面的下方。如圖所示，本發(fā)明使得在對纖維電路圖案100進(jìn)行劃線時(shí)減少在交迭點(diǎn)107處施加在纖維上的壓力。另外，本發(fā)明還使得纖維電路圖案100進(jìn)入基片106的凹入?yún)^(qū)域114中。
在附圖3a中示出一個(gè)處于劃線過程起始步驟的互連卡120。將纖維102送到基片表面106。沿Z軸向著基片106的表面方向移動(dòng)劃線針24，使纖維102與基片表面106相互接觸。與此同時(shí)或隨后將能量施加到纖維102或基片或者兩者上以活化粘合面。通過這個(gè)方式將纖維104粘接到基片表面106上。
參看附圖3b，相互移動(dòng)劃線針24和基片106，同時(shí)將纖維102分送到基片表面106上。如上所述，在纖維102接觸到基片表面106時(shí)，將纖維102粘合到基片表面106上。
基片106的區(qū)域可稱為“第二預(yù)置區(qū)域”。這些區(qū)域可包含交迭點(diǎn)107。在基片106上的第二預(yù)置區(qū)域的前緣110處，針24和基片106相互之間的移動(dòng)停止。接著沿著Z軸將針24和基片106移近。
參看附圖3c，針24以受控和預(yù)先選定的方式沿著Z軸向下移動(dòng)，將纖維105嵌入到基片表面的下面。在這個(gè)步驟中，可增加活化粘合劑的活化能量。接著，針24和基片106相互之間沿著X和Y軸方向移動(dòng)。
參看附圖3d，一旦針24到達(dá)基片106上的第二預(yù)置區(qū)域的一個(gè)后緣112時(shí)，針24與基片106相互之間沿著Z軸方向移動(dòng)，使纖維102與基片表面106接觸?；謴?fù)活化粘合劑的能量施加，將纖維104粘合到基片表面106上。如附圖3e所示，相互之間移動(dòng)針24和基片106，同時(shí)將纖維104分送并粘合到基片表面上。繼續(xù)這個(gè)過程，直到形成一個(gè)完整的纖維電路圖案100。
如附圖3f所示，第二纖維104可放置在嵌入纖維105即那些早先粘合在位于基片表面106下面的第二平面上的纖維的上面。然而，在第二纖維104與嵌入纖維105相交的點(diǎn)處并沒有停止施加活化粘合面的能量。相反地，第二纖維104粘合到嵌入纖維105的上面。通過這種方式，第二纖維104跨過嵌入纖維105，停留在與纖維電路圖案100的主要部分相同的X-Y平面上。
附圖4是依據(jù)本發(fā)明形成的交迭點(diǎn)的頂視圖。如上所述，第一導(dǎo)線104粘接在基片表面上。第二導(dǎo)線104從線A到線B相似地粘接在與第一導(dǎo)線相同的X-Y平面上。在線B處代表第一預(yù)置區(qū)域的前緣110，針24和基片106沿著Z軸方向相互移開。針24從線B移動(dòng)到線C(代表第一預(yù)置區(qū)域的后緣112)，同時(shí)分送另外的纖維102。在線C處，針24和基片106沿著Z軸方向相互移近。施加能量以活化粘合劑并將纖維104粘接到基片表面106。接著針24和基片106相互之間沿著X-Y平面移動(dòng)，同時(shí)將纖維104分送和粘合到基片106的表面上，如上所述。從而形成一個(gè)三維的纖維電路。
本發(fā)明涉及一種特別有優(yōu)勢的形成具有處于或臨近絕緣基片的表面的平面和非平面部分的纖維電路圖案的方法。光纖粘接過程十分復(fù)雜。本發(fā)明設(shè)計(jì)成將光纖粘接頭組件以預(yù)定的路徑快速地跨過基片移動(dòng)，與此同時(shí)，將光纖分送并通過超聲波粘接到基片的表面上。這要求用于分送光纖的電機(jī)的動(dòng)作以及所產(chǎn)生的超聲波能量都得到精確地控制，并被調(diào)制成與粘接機(jī)構(gòu)的相對速度成比例。另外，粘接機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)和Z軸移動(dòng)方面的特性也必須要加以控制，以及與其它系統(tǒng)功能精確地協(xié)調(diào)。如以下所闡明，使用特定量的超聲波能量和針壓力，本發(fā)明可獲得快于先前50％的劃線速度。另外，光纖和基片之間甚至在進(jìn)行快速劃線時(shí)也具有很強(qiáng)的粘接力。
如果劃線速度設(shè)定得太快，可造成光纖不能牢固地粘接到基片上。這會使光纖電路板欠堅(jiān)固的而無法讓人接受。另外，高的劃線速度可造成光纖斷裂，這同樣也是無法讓人接受。但是不管怎樣，提高劃線速度以提高生產(chǎn)率仍然是很重要的。
光纖和基片之間的粘接力較佳地在大約7克到大約14克之間，更好地在大約9克到大約12克之間，最好在大約10克到大約11克之間。
在這個(gè)方面，本發(fā)明是一個(gè)三步驟的方法。第一步，在一個(gè)與基片的表面平行的平面中以及在基片的一個(gè)表面上或其臨近處對一根預(yù)先選定的連續(xù)的光導(dǎo)纖維劃線。這就形成了電路圖案的一個(gè)平面部分。較佳地，在劃線步驟中，布線頭20和基片相互之間以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度移動(dòng)，移動(dòng)速度為大約130英寸/分到大約170英寸/分之間更好，最好移動(dòng)速度為大約150英寸/分。為了獲得這些速度而同時(shí)滿足(1)確保光纖和基片之間的牢固粘接，(2)避免易碎光纖的斷裂這兩個(gè)互相矛盾的目標(biāo)，選定一適宜的粘接能量。
具體地說，較佳地是通過施加超聲波能量將光纖粘接到基片上。在劃線過程中同時(shí)施加超聲波能量和壓力則更佳。當(dāng)在劃線過程中施加超聲波能量時(shí)，所用的電流在大約1.2安培到大約1.4安培之間，在大約1.3安培到大約1.4安培之間則更佳。另外，超聲波能量具有一個(gè)在大約1伏特到大約2伏特之間的空轉(zhuǎn)電壓。運(yùn)行電壓在11到12伏特之間。另外，運(yùn)行功率在大約2.0瓦特到大約3.5瓦特之間，較佳地在大約2.5瓦特到大約3.0瓦特之間。
如果在劃線過程中施加壓力，較佳地，所施加的壓力在大約1.200牛頓到大約1.324牛頓之間，在大約1.275牛頓到大約1.324牛頓之間則更佳。
第二步，形成一個(gè)電路圖案的非平面部分。布線頭20(與前述的布線頭纖維引導(dǎo)器22、針24和粘接變換組件50一同)沿著平面和非平面方向移動(dòng)。因而，由纖維引導(dǎo)器22夾持的光纖也同樣沿著平面和非平面方向移動(dòng)。光纖從布線頭上被分送出去，以放置下一根連續(xù)光纖。該下一根光纖橫跨但不與構(gòu)成基片表面的一部分的、預(yù)先選定的表面或區(qū)域粘合。為了實(shí)現(xiàn)這種不粘接的交迭，在交迭過程中用在光纖上的壓力較佳地減少到大約0.333到大約0.353牛頓之間。這避免了高應(yīng)力造成的光纖斷裂。
第三步，對平行于基片表面的一個(gè)平面進(jìn)行劃線。具體地，在基片表面上或其臨近處將臨近形成纖維電路的非平面部分的纖維的下一根預(yù)先選定的連續(xù)的纖維粘接到基片上以形成電路的另一個(gè)平面部分。同樣地，如同在以上第一步驟中所述(即通過超聲波能量和壓力的施加)完成劃線過程以及光纖與基片的粘接。通過執(zhí)行上述方法，可使三維光纖電路的劃線速度在大約110英寸/分到大約190英寸/分之間，在130英寸/分到大約170英寸/分之間更佳，最好為150英寸/分。
例1使用如上所述的裝置和光纖形成一具有平面和非平面部分的劃線纖維電路圖案。例如，可使用紐約州Hauppauge的AdvancedInterconnection Technology，L.L.C.(Stratos Lightwave company)提供的COILPROTM2000系列布線機(jī)或COILPROTM4000系列布線機(jī)。
所用的基片為特拉華州Wilmington的DuPont，Inc.提供的聚酰亞胺膜片，商標(biāo)名為KAPTON200HN，50微米厚。在一個(gè)表面上粘接上一層粘合劑制成基片。粘合劑為明尼蘇達(dá)州St.Paul的3M提供的丙烯酸樹脂，商標(biāo)名為VHBTMAdhesive Transfer Tape。粘合層為250微米厚。使用滾動(dòng)層壓機(jī)將粘合層粘接到基片上。為此將兩種膜片彼此對準(zhǔn)，使其在層壓機(jī)的滾筒之間通過。從動(dòng)滾筒(compliant rollers)則是將材料擠壓在一起。
光纖為紐約州Corning的Corning Incorporated提供的單模光纖，商標(biāo)名為SMF-28TMFiber。該光纖為硅芯、硅包層和丙烯酸緩沖套。標(biāo)稱芯徑為9微米，從包層外側(cè)測量，復(fù)合管直徑為125±1微米。光纖的總直徑(包含緩沖套)為245微米。
將光纖粘接到基片上而成一系列平行線，約長40cm，使用超聲波能量，電流為1.3-1.4安培，空轉(zhuǎn)電壓在1到2伏特之間，運(yùn)行電壓為11-12伏特，運(yùn)行功率為2.0-3.5瓦特。
除了超聲波能量，也可將壓力施加到光纖上。為將光纖嵌入基片，施加1.275到1.324牛頓之間的壓力。在光纖“跳過”或橫跨另一個(gè)區(qū)域(即光纖的另一段或一光學(xué)元件)時(shí)，施加0.333到0.353牛頓之間的較低的壓力。
在這些條件下，所述裝置能夠以150英寸/分的速度對光纖進(jìn)行劃線。
比較例1采用與例1中相同的裝置、基片和光纖，但使用不同的條件進(jìn)行光纖粘接。具體地，超聲波能量的電流為1.1-1.2安培，空轉(zhuǎn)電壓小于1伏特，運(yùn)行電壓為10-11伏特，運(yùn)行功率為1.6-2.0瓦特。同樣地，將光纖粘接到基片上而成一系列平行線，約長40cm。
將壓力加到光纖上。為將光纖嵌入到基片上，施加大約1.177牛頓的壓力。在光纖“跳過”或橫跨過另一個(gè)區(qū)域(即光纖的另一段或一光學(xué)元件)時(shí)施加0.333到0.353牛頓之間的較低的壓力。
在這些條件下，所述裝置能夠以100英寸/分的速度對光纖進(jìn)行劃線。
比較測試使用一個(gè)型號為#1130的Instron的應(yīng)力測試儀對例1和比較例1中形成的粘接力進(jìn)行定量測試。將每根光纖的一端夾緊在Instron設(shè)備的拉伸機(jī)構(gòu)內(nèi)。以10英寸/分的應(yīng)變率將光纖垂直地從基片的表面上拉出。記錄拉出所需要的力，以克表示。結(jié)果匯總?cè)缦?

另外，在進(jìn)行粘接力測試之前，沿著其長度方向以20倍光學(xué)放大對每一根粘接的光纖進(jìn)行目測檢驗(yàn)。未發(fā)現(xiàn)有由所述兩個(gè)參數(shù)組合的使用而造成的任何物理或機(jī)械損壞。
這些結(jié)果是出乎意料的，稍微增加超聲波能量和針壓力就使粘接速度提高50％，粘接力提高到將近兩倍。由于光纖粘接更加牢固，因而在隨后的光電路的處理過程中極少可能有脫位或移動(dòng)情況，這將直接使得生產(chǎn)率大幅提高以及產(chǎn)品質(zhì)量更為上乘。
如上所述，本發(fā)明可通過各種實(shí)施例實(shí)施。從本發(fā)明更為廣義的方面看，本發(fā)明不受限于在此描述的具體實(shí)施例。在所附權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)可進(jìn)行更改而不偏離本發(fā)明的原理和犧牲其主要優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種在一介質(zhì)基片的表面或其臨近處形成具有平面和非平面部分的光纖電路板的方法，其特征在于，所述方法包含(a)以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度沿一平行于基片表面的平面和在所述的基片表面上或臨近所述基片表面處對一根預(yù)先選定的連續(xù)的光導(dǎo)纖維劃線，從而由所述劃線的纖維形成所述電路圖案的一個(gè)平面部分；(b)通過沿著平面和非平面方向以可控的方式移動(dòng)纖維并放置下一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維形成電路圖案的一個(gè)非平面部分，所述下一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維鄰近早先剛剛劃線的光導(dǎo)纖維，從而橫跨但不與形成基片表面的一部分的預(yù)先選定的表面或區(qū)域粘合；(c)以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度沿一平行于基片表面的平面和在所述的基片表面上或臨近所述基片表面處對下一根預(yù)先選定的連續(xù)的纖維劃線，所述下一根纖維鄰近形成纖維電路非平面部分的所述纖維，從而形成電路的另一個(gè)平面部分，其中，所獲得的光纖和基片之間的粘接力在大約7克到大約14克之間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基片、或所述纖維或兩者具有一層可通過施加能量活化的粘合面，以及，所述劃線步驟(a)和(c)包含將所述纖維送到一個(gè)纖維引導(dǎo)器，同時(shí)相互之間移動(dòng)纖維引導(dǎo)器和基片，從而將一根纖維從纖維引導(dǎo)器分送到纖維電路圖案的基片的表面上；同步或隨后，施加能活化基片和/或形成一個(gè)預(yù)先選定的電路路徑的纖維的粘合面的能量，從而纖維粘合到纖維電路圖案的基片上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述纖維引導(dǎo)器和所述基片以一個(gè)大約為150英寸/分的速度相互之間移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述纖維引導(dǎo)器相對于基片移動(dòng)，而所述基片保持固定。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述基片相對于纖維引導(dǎo)器移動(dòng)，而所述纖維引導(dǎo)器保持固定。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述施加能量的步驟包含施加輸出功率為大約2.0瓦特到大約3.5瓦特的超聲波能量。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述超聲波能量的輸出功率在大約2.5瓦特到大約3.0瓦特之間。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加能量步驟進(jìn)一步包含將大約1.177牛頓到大約1.324牛頓之間的壓力施加到纖維上。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述壓力在大約1.275牛頓到大約1.324牛頓之間。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述施加能量的步驟包含以一選自一組由熱、超聲波、壓力及其組合構(gòu)成的形式施加能量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述施加能量以活化粘合面的步驟包含在所述表面上施加超聲波能量。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述施加能量以活化粘合面的步驟包含將表面加熱到大約90°F到大約160°F的溫度范圍之內(nèi)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)包含中斷能量施加以使纖維不與形成基片的表面的一部分的預(yù)先選定的表面或區(qū)域粘合；沿著垂直于由基片的表面確定的平面的Z軸方向?qū)⒗w維引導(dǎo)器和基片相互移開；通過在一個(gè)平行于由基片的表面確定的平面的平面中相互之間移動(dòng)纖維引導(dǎo)器和基片，橫跨形成基片的表面的一部分的預(yù)先選定的表面或區(qū)域，同時(shí)將纖維送到纖維引導(dǎo)器上，以使該下一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維被分送在形成基片的表面的一部分的預(yù)先選定的表面或區(qū)域的上方，但不與所述預(yù)先選定的表面或區(qū)域接觸；沿著Z軸方向相互移近纖維引導(dǎo)器和基片，直到纖維引導(dǎo)器位于一個(gè)由電路圖案的平面部分確定的平面中。
14.一種光纖劃線的方法，其特征在于，包含以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度將一根預(yù)先選定的連續(xù)光纖劃在一塊熱塑性基片的一個(gè)表面上，以形成一個(gè)具有一預(yù)定路徑的纖維電路圖案；將足夠的能量施加到纖維或基片上以在纖維和基片之間以獲得大約7克到大約14克之間的粘接力。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述纖維電路圖案至少具有一個(gè)交迭點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述劃線步驟包含通過在一平行于基片表面形成的平面中以可控方式移動(dòng)并放置一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維而對纖維電路圖案的一第一大體平面部分劃線；通過以可控方式沿著平面和非平面方向移動(dòng)纖維并放置鄰近早先剛剛劃線的纖維的下一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維，以使該下一根預(yù)先選定的纖維橫跨但不與一形成基片表面的一部分的預(yù)先選定的表面或區(qū)域粘合，由此對纖維電路圖案的一個(gè)大體非平面部分劃線；通過在一個(gè)平行于基片表面的平面中以可控方式移動(dòng)并放置鄰近形成纖維電路非平面部分的纖維的下一根預(yù)先選定的連續(xù)纖維，由此對纖維電路圖案的一第二大體平面部分劃線。
17.一種光纖劃線的裝置，包含用于以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度將一根預(yù)先選定的連續(xù)的光纖劃到一塊熱塑性基片的一個(gè)表面上，以形成一個(gè)具有一個(gè)預(yù)定路徑的纖維電路圖案的裝置；用于將足夠的能量施加到纖維或基片上以在纖維和基片之間獲得大約7克到大約14克之間的粘接力的裝置。
全文摘要
提供形成具有平面和非平面部分的光纖電路圖案的方法。以大約110英寸/分到大約190英寸/分之間的速度相互之間移動(dòng)纖維引導(dǎo)器和基片，并將一根光纖分送在或靠近基片的一個(gè)表面，由此對一光纖電路圖案劃線。纖維、基片或兩者具有粘合面。粘合面能夠通過施加能量進(jìn)行粘性活化。能量施加與劃線過程同步或在其后。較佳地，施加輸出功率在大約2.0瓦特到大約3.5瓦特之間的超聲波能量，同時(shí)將大約1.177牛頓到大約1.324牛頓之間的壓力施加到纖維上。纖維電路圖案的一部分為平面而另一部分為非平面。非平面部分橫跨但不與基片的一個(gè)預(yù)先選定的區(qū)域接觸或粘合。預(yù)先選定的區(qū)域?qū)?yīng)于一個(gè)墊片、一個(gè)接觸圖案、一個(gè)孔眼、一個(gè)凹槽、一個(gè)凸起區(qū)域、圖案中早先劃線的平面部分的一部分、以及一個(gè)纖維的端點(diǎn)。另一種做法是，非平面部分可嵌入到基片表面的下面。纖維電路的另一個(gè)平面部分橫跨非平面部分但不與早先劃線的非平面部分的一個(gè)預(yù)先選定的部分接觸或粘合。通過這種方式形成光纖劃線電路板。
文檔編號B42D15/10GK1672168SQ03818201
公開日2005年9月21日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月29日
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