具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器制造技术

具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器。本发明专利技术公开了NDT/NDI探头阵列和制造方法。该探头阵列包括柔性电路(10)的片，柔性电路(10)的片具有多个下部针(102)和对应的电连接的上部针(104)。该探头还包括：支撑块(12)；压电陶瓷(16)的层，压电陶瓷(16)的层具有多个导电元件(162)；匹配层(18)和框架(14)。诸如环氧树脂等的粘接材料被涂布于柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层，柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层均在框架内对准且至少部分地堆压在框架内，并且柔性电路、支撑块、压电陶瓷和匹配层以柔性电路的各下部针与压电陶瓷的导电元件中的对应的一个导电元件牢固地且永久地接触的方式永久接合。

Phased array ultrasonic transducer assembled with a stacked joint without welding

Phased array ultrasonic transducer assembled with a stacked joint without welding. The invention discloses a NDT/NDI probe array and a manufacturing method thereof. The probe array includes a sheet of flexible circuit (10), a sheet of the flexible circuit (10) having a plurality of lower pins (102) and an upper needle (104) corresponding to the electrical connection. The probe also includes a support block (12), a layer of piezoelectric ceramic (16), a piezoelectric ceramic (16) layer having a plurality of conductive elements (162), a matching layer (a) and a frame (14). The adhesive material such as epoxy resin is coated on the flexible circuit, a support block, piezoelectric ceramics and matching layer, flexible circuit, support block, piezoelectric ceramics and matching layer in the frame alignment and at least partially pressed in the frame, and a flexible circuit, a support block, permanent joint pressure electric ceramic and with a matching layer conductive element corresponding conductive elements of the flexible circuit the lower part of the needle and piezoelectric ceramic in securely and permanently contact.

【技术实现步骤摘要】
相关申请的引用本申请要求2015年2月6日递交的、名称为“PHASEDARRAYULTRASONICTRANSDUCERSWITHSOLDERLESSSTACKBONDINGASSEMBLY”的美国临时专利申请No.62/112,933的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
本专利技术涉及无损检测和无损检验装置(non-destructivetestingandinspectiondevices＝NDT/NDI)，更特别地，涉及利用无焊接的堆叠接合组装方法来制造相控阵超声波检测(phasedarrayultrasonictesting＝PAUT)换能器(transducer)。
技术介绍
通常，PAUT换能器包括：压电陶瓷换能器阵列，导电元件沉积(deposite)在压电陶瓷上用于与阵列的各换能器电接触；用于衰减声音的支撑材料；和具有用于与导电元件接触的针的电路。针和电路通常是柔性印刷电路板(PCB)的形式。导电元件由可以通过诸如溅射等的任何适合的沉积方法沉积的诸如金等的导电材料的薄膜形成，该膜形成为各导电元件与阵列的一个换能器电接触的图案。在现有实践中，PAUT换能器的组装方法包括使用焊接来将柔性电路安装于导电元件。即使利用高度的自动化，焊接通常也是费时费力的，这降低了生产率。另外，在制造换能器的PAUT工业中使用的焊接主要牵涉到铅焊。直到2017年，要求该工业遵守限制有害物质(ROHS)，以便向欧盟提供产品。结果，将对此应用要求无铅制造。因而，需要如下用于制作PAUT探头的组装工艺，其能够在不使用焊接的情况下实现PCB与压电元件之间的精确的、牢固的且永久的接触。
技术实现思路
这里公开的本专利技术解决了存在前述缺点的用于PAUT探头制造的现有组装方法所涉及的问题，诸如低生产率和铅污染等。注意，本文使用的术语“探头”、“换能器”和“传感器”可以可交换地使用。因此，本专利技术的总体目的是提供一种通过无需焊接的组装工艺而得到的方法和NDT/NDI探头。本专利技术的另一个目的是布置使PCB的针与压电陶瓷上的导电元件精确对准的堆叠接合工艺。本专利技术的另一个目的是利用框架和压力手段来精确地、牢固地且永久地实现PCB的针与压电陶瓷上的导电元件之间的接触。通过如下方案实现本专利技术的上述目的。一种相控阵超声波探头，其包括：柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针；支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部；压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件；匹配层；和框架，其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准且被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。一种制作相控阵超声波探头的方法，其包括以下步骤：设置柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针；设置支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部；设置压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件；设置匹配层；设置框架；以及通过涂布粘接材料以及通过使用所述框架，将所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层中的每一者至少部分地限制、对准、堆压以及永久接合在所述支撑底部下方，使得所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触。还能够理解，本专利技术的探头提供了没有任何焊接的、缩短制造周期的优点。附图说明图1是根据本专利技术的待组装的相控阵超声换能器的半截面分解立体图。图2是示出了夹在支撑块与压电陶瓷之间的柔性电路的半截面立体图，其中涂布环氧树脂以取代焊接。图3是示出了根据本专利技术的柔性电路的针与压电陶瓷上的导电元件匹配的相控阵超声换能器的立体截面图。图4是示出了根据本专利技术的组装工艺的流程图。具体实施方式图1示出了相控阵超声换能器(phasedarrayultrasonictransducer)的组装。如图1、图2和图3所示，PAUT探头包括柔性电路10、框架14、压电陶瓷16、匹配层18和支撑块(backingblock)12，支撑块12具有支撑顶部12a、支撑底部12b和支撑侧部12c。压电陶瓷16包括多个换能器，多个导电元件162靠近第二连接边缘162a，用于与各换能器电接触。柔性电路10在第一连接边缘102a处包含多个导电的下部针102，其中下部针102中的每一个下部针被构造成与导电元件162中的对应的一个导电元件电接触。柔性电路10还具有多个上部针104，其目的是使得与相控阵超声换能器的外部进行电接触。上部针104中的每一个上部针通过柔性电路10与下部针102中的对应的一个下部针电接触。柔性电路10上能够获得接地面24，以便为柔性电路10和压电陶瓷16上的换能器提供共用的电气接地连接。应当注意，在图1和图3中导电元件162作为一维阵列的线被示出，这对于与一维阵列的换能器进行接触来说将是合适的。然而，在本专利技术的另一个实施方式中，压电陶瓷16可以包括二维阵列的换能器，导电元件162以用于与各换能器电接触的对应的二维阵列的导电点的方式配置。在该实施方式中，下部针102将具有不同的长度，各针的端部被构造成与导电点中的一个导电点进行电接触。在组装相控阵超声换能器期间，柔性电路10的下部针102需要形成为与压电陶瓷16的对应的导电元件162牢固且永久的接触，以便发送电脉冲使压电陶瓷振动并产生超声波。根据本专利技术，这种牢固且永久的接触通过施加压力和永久接合手段(means)实现。可以由诸如塑料等的任何合适的电绝缘材料制成的框架14用作匹配层18、压电陶瓷16、柔性电路10和支撑材料12用的对准工具。另外，对准孔22用于对准标准加压工具(未示出)中的压力针，可以通过手动或其它手段激活该标准加压工具以对超声换能器组装的层之间施加压力。注意，框架14和支撑块12具有各自的大小和公差，该大小和公差被构造成使得：柔性电路10、支撑块12、压电陶瓷16和匹配层18均被对准并且能够被至少部分地堆压在框架14内的支撑底部12b下方，并以第一连接边缘102a处的各针与第二连接边缘162a处的对应的导电元件162对应地、牢固地且永久地接触的方式永久接合。应当注意，“边缘”102a和边缘162a不一定如图1所示为直线状。“边缘”102a和边缘162a仅分别表示柔性电路10和压电陶瓷16的远端部。在可选择的实施方式中，“边缘”102a和边缘162a可以采取各针102和162具有不同长度的非均一杆(unevenbar)的形式，只要对应的针102和162具有充分重合的端部或边缘，使得它们在被堆压后对应地、牢固地且永久地接触即可。该可选择的实施方式可以用于压电陶瓷16包括二维阵列的换能器的情形。参照图2和图3，涂布诸如环氧树脂等的粘接剂以将柔性电路10永久地接合就位并且维持柔性电路10与压电陶瓷16之间的电连接性。柔性电路10与压电陶瓷16之间的电连接性通过以下关于图4说明的堆叠接合工艺来实现。图2示出了由匹配层18、压电陶瓷16和柔性电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相控阵超声波探头，其包括：柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针，支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部，压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件，匹配层，和框架，其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准且被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。

【技术特征摘要】
2015.02.06 US 62/112,933;2016.01.29 US 15/010,5241.一种相控阵超声波探头，其包括：柔性电路的片，所述柔性电路的片在第一连接边缘处具有多个针，支撑块，所述支撑块具有支撑顶部和支撑底部，压电陶瓷的层，所述压电陶瓷的层具有靠近第二连接边缘的多个导电元件，匹配层，和框架，其中，均至少部分地涂布有粘接材料的所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层均被对准且被至少部分地堆压在所述框架内的所述支撑底部下方，并且所述柔性电路、所述支撑块、所述压电陶瓷和所述匹配层以所述第一连接边缘处的各针与所述第二连接边缘处的对应的导电元件对应地、牢固地且永久地接触的方式永久地接合。2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述粘接材料包含至少环氧类材料。3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述支撑块是所述支撑顶部和所述支撑底部为多边形形状的多边棱柱的形状，所述框架的在与所述支撑底部平行的平面中的截面具有与所述支撑底部或所述支撑顶部的形状大致相同的多边形形状。4.根据权利要求3所述的探头，其特征在于，在被堆压之前，在所述第一连接边缘处的多个针的伸出到所述支撑底部下方的部分形成下部针，所述下部针在被堆压的同时朝向所述支撑底部弯曲。5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，在被堆压之后，所述下部针被夹在所述支撑底部与所述压电陶瓷之间。6.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述下部针沿着所述第一连接边缘形成至少一根线，所述导电元件沿着所述第二连接边缘形成对应的
\t至少一根线，其中所述至少一根线能够沿着所述支撑底部的多边形形状的任意数量的边。7.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述下部针以不均一的长度结束并且所述导电元件沿着所述第二连接边缘形成对应的不均一的前部，其中所述下部针以如下方式与所述导电元件对应地充分重合：各所述下部针均与所述导电元件中的对应的一个导电元件牢固地且永久地接触。8.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，在被堆压之前，与所述第一连接边缘相反的顶部侧的多个针的一部分伸出到所述支撑顶部上方并形成上部针，所述上部针朝向所述支撑顶部弯曲并且被构造成与将与所述探头联接的仪器电联接。9.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述柔性电路在三个侧面包裹所述支撑块，所述三个侧面...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·劳德米尔希，T·雷伊，
申请(专利权)人：奥林巴斯科技美国公司，
类型：发明
国别省市：美国;US