用于增強的粘合劑結合的系統和方法與流程

本發明涉及用于基板材料的粘合劑結合。更具體地，本發明通過使用焊料球而以多種方式提供增強的粘合劑結合。

背景技術：

結構粘合劑在許多應用中代替了焊接和機械緊固件，因為結構粘合劑使通常在焊接和緊固件周圍所發現的疲勞和失效減小。在需要抵抗彎曲和振動的情況下，結構粘合劑也能夠優于焊接和機械緊固件。

粘合劑結合使用結構粘合劑從而將一種材料的基板表面連接至相同材料或不同材料的另一個基板表面。粘合劑結合被廣泛地用于要求具有低結合溫度的材料的應用中或者用于要求沒有電壓和電流的應用中。此外，粘合劑結合可以通過消除基板材料與緊固件和其它腐蝕性元件的接觸而有助于提高耐腐蝕性。

當把結構粘合劑涂覆于基板表面時，在與基板表面的相遇處形成結合層。結合層內部的均勻性對于最優粘合劑性能而言是一個重要因素，因此表明結合層厚度在結合連接的設計中是關鍵性的。

當存在顯著的力時，用在粘合劑結合中的結構粘合劑可以以下述方式被加載：（1）垂直于結合層，這產生剝離效應從而導致基板材料處于不同的平面上（即，剝離斷裂）；或者（2）垂直于斷裂的前緣，無論是在平面內還是在平面外，這產生剪切效應，其中基板材料保持在相同平面上（即，剪切斷裂）。雖然通常避免發生斷裂，但是如果將要斷裂，那么剪切斷裂優于剝離斷裂，因為剪切斷裂導致失效所需要的外部載荷比剝離斷裂導致失效所需要的外部載荷大。

玻璃珠被添加至一些結構粘合劑中以保證結合層均勻性以用于充分的結合層控制。然而，玻璃珠的使用可能導致在結構粘合劑內的強度問題，因為玻璃珠不能很好地結合至基板材料。

技術實現要素：

對于這樣的結構粘合劑存在需求：其產生結合層均勻性并且促進沿要求最大量的斷裂能量的斷裂路徑的斷裂。本公開內容涉及用于創建結構粘合劑的系統和方法，該結構粘合劑產生結合層均勻性并且通過促進具有最大量的斷裂能量的斷裂路徑而提高粘合劑連接強度。

在一個方面中，本發明包括結合系統，該結合系統包括：（i）第一基板；（ii）第二基板；（iii）與第一接觸表面和第二接觸表面接觸的粘合劑；以及（iv）定位在粘合劑中的多個焊料球，該焊料球與第一接觸表面接觸。

在一些實施例中，多個焊料球被定位在下述分布中，該分布：（i）阻止裂紋擴展；或者（ii）促使沿一路徑的裂紋擴展，在該系統的至少一個區段中，該路徑要求最大量的斷裂能量。

在一些實施例中，多個焊料球的至少一個包括以下述方式構造的涂層：（i）阻止在粘合劑中的裂紋擴展；或者（ii）使裂紋擴展偏轉以促進在剪切模式中的失效通過與至少一些焊料球相鄰的粘合劑。

在一些實施例中，該多個焊料球的一個或多個被進一步定位成與第二接觸表面接觸。

在另外的方面中，本發明包括方法，該方法形成連接第一基板和第二基板的焊料增強的粘合劑結合結構。該方法包括：（i）在第一基板的第一接觸表面上涂敷粘合劑；（ii）將多個焊料球的每一個至少部分地定位至粘合劑中，使得多個焊料球的每一個接觸第一接觸表面；（iii）將第二基板的第二接觸表面連接至與第一接觸表面相對的粘合劑的一部分；以及（iv）施加熱量至第一接觸表面，使得多個焊料球的每一個達到焊料球結合溫度。

在一些實施例中，多個焊料球被定位在下述分布中，該分布：（i）阻止裂紋擴展；或者（ii）促進沿一路徑的裂紋擴展，在結合部的至少一個區段中，該路徑要求最大量的斷裂能量。

在一些實施例中，多個焊料球的至少一個包括以下述方式構造的涂層：（i）阻止在粘合劑中的裂紋擴展；或者（ii）使裂紋擴展偏轉以促進在剪切模式中的失效通過與至少一些焊料球相鄰的粘合劑。

在一些實施例中，定位多個焊料球進一步包括定位該焊料球使得該焊料球的至少一個接觸第二接觸表面。

一些實施例進一步包括施加熱量至第二接觸表面，使得至少一個焊料球達到焊料球結合溫度。

在另外的方面中，本發明包括方法，該方法形成連接第一基板和第二基板的焊料增強的粘合劑結合結構。該方法包括：（i）在第一接觸表面上涂敷復合材料，該復合材料包括粘合劑和多個焊料球，使得該多個焊料球的至少一個與第一接觸表面接觸；（ii）將第二基板的第二接觸表面連接至與第一接觸表面相對的復合材料的一部分；以及（iii）施加熱量至第一接觸表面，使得多個焊料球的每一個達到焊料球結合溫度。

在一些實施例中，多個焊料球被定位在下述分布中，該分布：（i）阻止裂紋擴展；或者（ii）促使沿一路徑的裂紋擴展，在結合部的至少一個區段中，該路徑要求最大量的斷裂能量。

在一些實施例中，多個焊料球的至少一個包括以下述方式構造的涂層：（i）阻止在粘合劑中的裂紋擴展；或者（ii）使裂紋擴展偏轉以促進在剪切模式中的失效通過與至少一些焊料球相鄰的粘合劑。

在一些實施例中，多個焊料球中的一個或多個進一步被定位成與第二接觸表面接觸。

一些實施例進一步包括施加熱量至第二接觸表面，使得至少一個焊料球達到焊料球結合溫度。

本發明的其它方面將部分地明了并且在下文中部分地指出。

附圖說明

圖1示出結合系統的示例性實施例的側視圖。

圖2示出圖1的結合系統的替代實施例的側視圖。

圖3示出圖1的結合系統的替代實施例的側視圖。

圖4是圖解說明具有下述內容的粘合劑的載荷和位移的圖：（i）無焊料球；（ii）與圖2的一個基板表面接觸的焊料球；以及（iii）與圖1的兩個基板表面都接觸的焊料球。

圖5示出包含具有聚集的分布和減小的粘合劑體積的焊料球的結合系統的示例性實施例的分解透視圖。

圖6是圖解說明包含下述內容的粘合劑的能量吸收的圖：（i）無焊料球；（ii）圖1和圖2的焊料球構造；以及（iii）具有圖4的減小的粘合劑結合層厚度的焊料球構造。

圖7示出包含具有隨機分布和焊料球涂層的焊料球的結合系統的示例性實施例的分解透視圖。

圖8是圖解說明下述內容的載荷和位移的圖：（i）包含沒有涂層的焊料球的圖1的實施例；以及（ii）包含具有涂層的焊料球的圖6的實施例。

圖9示出包含具有線性分布的焊料球的結合系統的實施例的俯視圖。

圖10示出包含具有曲折分布的焊料球的結合系統的替代實施例。

圖11示出具有下述內容的粘合劑的載荷和位移（i）無焊料球；（ii）包含圖6的隨機分布的焊料球；（iii）包含圖8的線性分布的焊料球；以及（iv）包含圖9的曲折分布的焊料球。

具體實施方式

根據需要，在本文中公開了本公開內容的具體實施例。所公開的實施例僅是示例，這些示例可以以不同形式和替代形式及其組合實施。當在本文中使用時，例如，“示例性的”、“說明性的”及類似術語寬泛地表示用作說明、樣本、模型或圖樣的實施例。

在本發明的精神內，要寬泛地考慮各種描述。例如，在本文中提及任意兩個部件之間的連接旨在包括這兩個部件直接或間接地連接至彼此。作為另一個示例，在本文中描述的諸如與一個或多個功能相關的單個部件要被解釋為涵蓋其中使用多于一個的部件代替執行該（多個）功能的實施例。反之亦然，即，在本文中描述的與一個或多個功能相關的多個部件的描述要被解釋為涵蓋其中單個部件執行該（多個）功能的實施例。

在一些情況下，并沒有詳細描述眾所周知的部件、系統、材料、或方法以便避免使本公開內容難以理解。因此，在本文中所公開的具體結構和功能細節不應被解釋為是限制性的，而是僅僅作為權利要求的基礎，并且作為用于教導本領域技術人員應用本公開內容的相應基礎。

雖然本發明被主要地描述成與形式為汽車的交通工具的制造部件相關，但是要想到的是，本發明能夠與其它交通工具（諸如船舶和飛行器）以及非交通工具設備的制造部件相關。

I. 結合系統

現在轉向附圖，并且具體地轉向第一附圖，圖1示出由附圖標記100指示的結合系統。該結合系統100包括結構粘合劑200和焊料球300，該結構粘合劑和焊料球用于將第一基板110連接至第二基板120。

基板110、120是需要結合至彼此的材料。基板110、120可以由相同或不同的材料成分構成。典型的基板材料可以包括下述材料：諸如鋁、鋼、鎂、復合材料等。

粘合劑200是用于將第一基板110的接觸表面115結合至第二基板120的接觸表面125的結構材料。粘合劑200形成在接觸表面115、125之間的結合層210。在圖1和圖2中，結合層210在基板110、120之間橫向延伸并且具有厚度212。

如上所述，結合層均勻性在結合連接的設計中是關鍵的，因為在該結合層內的均勻性對于粘合劑的最優性能是重要的。一些文獻認為薄的結合層優于厚的結合層，因為在薄的結合層中的連接轉角處的應力集中較小。此外，與厚的結合層相比，在薄的結合層中的空氣腔的集中度降低，因為薄的結合層中的粘合劑的體積留下較小的空間用于形成空氣腔。

在本公開內容中，厚度212大致在約0.05至約0.3毫米（mm）之間。作為示例，如果接觸表面105、115相對平坦，則結合層210可以具有大致0.2 mm的厚度212從而允許最優的抗剪強度和抗張強度。

下面結合圖1-圖4來描述粘合劑200的另外的實施例和結構。

焊料球300連同粘合劑200一起被用于形成基板110、120之間的橋梁。不同于將玻璃珠加入結構粘合劑內的現有技術，本發明使用帶有焊料球300的粘合劑200來促進基板110、120的結合。

在制造工藝（例如，固化工藝）期間，焊料球300具有能夠結合至基板110、120的至少一個的能力。使用焊料球300能夠使得裂紋220沿斷裂路徑222、224或226擴展（在下面被描述），該斷裂路徑要求更多的斷裂能量用于在粘合劑200中的裂紋擴展，并且增加系統100的能量吸收能力。

將焊料球300加入至粘合劑200內還改善連接基板110、120的結合結構的抗斷裂性。作為示例，在不包含焊料球的粘合劑中的斷裂閾值可能出現在大致接近1.8 N/mm附近，而在包含焊料球的粘合劑中，相同的斷裂可能在大致11.5 N/mm附近發生。

本文中所提供的實施例和示例把焊料球300圖示并描述為具有球形的形狀，這促進焊料球300與相鄰的焊料球300在整個粘合劑200中的均勻分布。然而，焊料球300可以具有其它形狀，諸如但不限于圓柱形、矩形等。在下述應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的期望接觸是僅與接觸表面115、125的一個接觸的情況下；（2）焊料球300被特別地置于基板110、120上（例如，通過例如熱/冷噴涂的制造工藝）；或者（3）焊料球被策略性地置于粘合劑200內（例如，通過例如熱/冷噴涂的制造工藝）。

焊料球300應該具有允許與基板110、120的至少一個接觸的尺寸。如果需要與基板110、120都接觸，那么焊料球300能夠被構造成具有略微大于結合層210的尺寸。例如，如果結合層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，以確保在結合期間對焊料球300的擠壓，這將確保充分連接至接觸表面115、125。

如果僅期望在基板110或120中的一個上接觸，那么可以期望的是具有略微小于結合層210的尺寸的焊料球300。作為示例，如果結合層厚度212為大致0.2 mm，那么焊料球可以具有大致0.1 mm的尺寸，以確保焊料球300沒有非常大以至于在結合期間與表面115、125都接觸。例如，在制造工藝期間焊料球300可以被固定至第二接觸表面125（見圖2），使得當涂覆粘合劑200時，焊料球300僅與接觸表面125接觸，并且僅粘合劑200與第一接觸表面115接觸。

焊料球300可以由任何市場上可獲得的材料或定制成分組成。當基板110、120的至少一個至少部分地由金屬和/或金屬復合材料組成時，焊料球300的組成材料可以包括下述材料：諸如錫（Sn）、鉛（Pb）、銀（Au）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鉍（Bi）等。如果基板110、120的至少一個至少部分地由聚合物和/或聚合物復合材料組成，那么焊料球300的成分還可以包括聚合物材料，諸如聚碳酸酯（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）有助于結合的密度；（2）有助于結合的溫度；以及（3）優于現有技術的增加的抗張強度。

該密度應該是下述密度：其使得當在結合之前被加入粘合劑200中時，焊料球保持它們的結構。焊料球300的密度能夠大致在約2.50和約15.00 g/cm³之間。例如，含有錫-鉛（Sn-Pb）或錫-銀-銅（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，當基板110、120的至少一個至少部分地由金屬和/或金屬復合材料構成時，這可以提供足夠的密度以用于結合。作為另一個示例，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。

該溫度應該是下述溫度：其使得焊料球300在不影響（例如，變形）基板110、120的成分材料的情況下而結合。焊料球300的結合溫度能夠大致在焊料球300的熔化溫度的0.7和1.0倍之間。在一些實施例中，期望包括具有低于200℃的熔點的焊料球以防止焊料球300與接觸表面115、125的脫離（例如，斷裂）。

當與無填充材料的粘合劑或者包含非結合填充材料的粘合劑相比較時，抗張強度應該增加在張力作用下的系統100的強度。例如，當焊料球300連同粘合劑200一起使用時，整個系統100可以具有大致在約50 MPa和150 MPa之間的抗張強度，然而汽車粘合劑自身可以具有大致在約15 MPa和35 MPa之間的抗張強度，帶有玻璃珠的汽車粘合劑可以具有大致在約15 MPa和35 MPa之間的抗張強度。

可以根據在本文中所描述的各種實施例（包括下面結合圖6-圖10描述的實施例）的任一個來構造并布置焊料球300。

II. 結構粘合劑實施例—圖1至圖6

在一些實施例中，結合層厚度212使得焊料球300可以連接至兩個接觸表面115、125（見圖1）。將焊料球300連接至兩個接觸表面115、125具有益處，該益處包括促進根據需要最大量的斷裂能量（即，產生裂紋（例如，裂紋220）所需能量的量）的斷裂路徑而大致在焊料球300附近在粘合劑200中擴展的裂紋220。裂紋220可以：（i）沿預定的斷裂路徑222（在圖1中被描繪為一系列短的實心箭頭）擴展；（ii）沿預定的斷裂路徑224（在圖1中被描繪為一系列虛線箭頭）擴展；（iii）沿預定的斷裂路徑226（在圖1中被描繪為一系列長的實心箭頭）擴展；或者（iv）在粘合劑200和焊料球300的界面處中止。

斷裂路徑222、224、226通常與任意斷裂的最大阻力的路徑相關。因為粘合劑200通常弱于基板110、120以及焊料球300，所以斷裂路徑可以延伸通過粘合劑200（如由斷裂路徑222、224所示）或者沿接觸表面的一個（如由斷裂路徑226所示）延伸。

當裂紋220在每個焊料球300周圍擴展時，斷裂路徑222沿著接觸表面115、125的一個形成，如在圖1中所示。盡管圖1描繪了在每個焊料球300周圍朝向第一接觸表面115延伸的斷裂路徑222，但是替代地，斷裂路徑222可以在球300的任意一個或多個周圍朝向第二接觸表面125延伸。盡管圖1描繪了在每個后續焊料球300周圍延續的斷裂路徑，但實際上，當斷裂路徑222接近每個后續焊料球300時，斷裂路徑222 可以：（i）在焊料球300周圍行進；（ii）行進通過焊料球300；（iii）沿接觸表面115、125的一個行進；或者（iv）在粘合劑200和焊料球300的界面處中止。

當裂紋220擴展通過焊料球300并且然后在到達后續焊料球300之前擴展至粘合劑200中時，斷裂路徑224形成。類似于斷裂路徑222，當斷裂路徑224到達每個后續焊料球300時，斷裂路徑224可以：（i）在焊料球300周圍行進；（ii）行進通過焊料球300；或者（iii）沿接觸表面115、125的一個行進；或者（iv）在粘合劑200和焊料球300的界面處中止。

當裂紋220在焊料球300周圍擴展并且沿接觸表面115、125的一個擴展時，斷裂路徑226形成。不同于斷裂路徑222、224，當斷裂路徑226形成時，裂紋220繼續沿產生裂紋220處的接觸表面115、125擴展。

替代地，裂紋220可以沿路徑222、224、226在粘合劑200和焊料球300的任意界面處中止。裂紋220在系統100內的中止是高度期望的，因為減小或消除裂紋220的擴展可以防止由于斷裂所引起的系統100的失效。

在一些實施例中，結合層厚度212是下述厚度：其使得焊料球300僅連接至接觸表面115、125的一個（見圖2）。限制焊料球300與一個接觸表面115或125接觸的益處是在不損害任一基板110、120的完整性的情況下連接不同的基板材料的能力（例如，與復合材料（例如，聚合物復合材料）連接的金屬）。

此外，將焊料球300連接至接觸表面115、125的一個使裂紋230沿著需要最多的斷裂能量的（例如，產生裂紋230所需能量的量）斷裂路徑、大致在焊料球300附近在粘合劑200內擴展。裂紋230可以：（i）沿預定的斷裂路徑232（在圖2中被描繪為一系列的實心箭頭）擴展；（ii）沿預定的斷裂路徑234（在圖2中被描繪為一系列的虛線箭頭）擴展；或者（iii）在粘合劑200和焊料球300的界面處中止（在下面被描述）。

在一些實施例中，期望減小在結合工藝中所使用結構粘合劑200的體積。通過導致較薄的結合層210而減小粘合劑200的體積能夠是有益的。此外，減小粘合劑200的體積導致粘合劑材料的節約。使用較少的粘合劑的其它益處能夠包括使制造工藝流線化并且允許在粘合劑在更大量的表面積上使用。

在一些實施例中，所使用的粘合劑200的量可以通過基板表面的改變（例如，突出、隆起、凸塊、或突起130）的存在而減少（在圖2中所示）。突起130可以定位在接觸表面115、125的至少一個上，以減小所涂覆的粘合劑200的量。圖2中所示的突起130可以在制造工藝期間附著至基板110、120，或者在金屬板的情況下，突起130可以在板成形工藝期間被熱壓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的方向上促進在過渡區235中的粘合劑200的剪切載荷（在下面被描述），以阻止粘合劑200中的裂紋擴展并且增加系統100的能量吸收能力。下面還描述了由于突起130的存在而引起的斷裂路徑擴展。

在第一基板110的成分與第二基板120的成分不同的情況下，與現有技術相比，根據本發明結合基板110、120可以具有在結合層210處的增強的強度的額外益處。具體地，例如，因為與在粘合劑自身中或者沿粘合劑/金屬界面的斷裂路徑擴展所需的能量相比，在焊料球300周圍產生斷裂路徑擴展所需的能量更高，所以在加入焊料球300的情況下，結合層210更強。

如上所述，裂紋230可以沿斷裂路徑232 擴展。斷裂路徑232可以沿接觸表面115、125的一個在每個焊料球300周圍以及在任意突起130周圍擴展。迫使斷裂路徑232改變沿接觸表面115的方向形成過渡區235，該過渡區是在突起130/焊料球300的頂部表面和相對的接觸表面（即，在圖2的示例中為第一接觸表面115）之間的區域。這個過渡區235促進形式為剪切斷裂的斷裂擴展，因為任何斷裂的最小阻力的路徑在焊料球300周圍結束并且通過粘合劑而不是通過焊料球300。盡管圖2將斷裂路徑232描繪為在每個后續焊料球300或突起130周圍延續，但實際上，當斷裂路徑232接近每個后續焊料球300時，斷裂路徑232可以：（i）在焊料球300周圍行進；（ii）行進通過焊料球300；或者（iii）在粘合劑200與焊料球300的界面處中止。

裂紋230可以替代地沿斷裂路徑234擴展，在這里，擴展出現通過焊料球300但是在突起130周圍。當裂紋230擴展通過焊料球300時，斷裂路徑234過渡區235沒有如斷裂路徑232一樣形成。然而，當斷裂路徑234遇到突起130并且必須改變沿接觸表面115的方向時，過渡區235被創建。

替代地，裂紋230可以沿路徑232、234在粘合劑200和焊料球300的任意界面處中止。裂紋230在系統100內的中止是高度期望的，因為減小或消除裂紋230的擴展可以防止由于斷裂所引起的系統100的失效。

在一些實施例中，期望減小在結合期間的扭曲變形。例如，當基板110、120具有不同的熱膨脹系數時，可能發生扭曲變形。熱膨脹率的差異能夠導致在每個基板110、120內部的扭曲，這能夠導致結合層210的脫離（例如，斷裂）。

在一些實施例中，表面改變可以包括溝槽140（在圖3中所示）。在制造工藝期間溝槽140可以被壓入每一個基板110、120中。或者，在金屬板的情況下，在板材成形工藝期間溝槽140可以被熱壓或者以其他方式形成至基板110、120中。

類似于突起130，當裂紋沿結合層210擴展時，溝槽140將在第一基板110和第二基板120之間的組件100的加載狀態從剝離斷裂狀態改變成剪切斷裂裝袋。然而，溝槽140和焊料球300的組合可足以防止裂紋形成和/或擴展通過粘合劑200，因為焊料球300比粘合劑200更具延展性。

溝槽140可以大體上如由在基板110、120中的一個或兩個上的形狀所限定。溝槽140可以是方形或圓形（如在圖3中所見）或者其它幾何形狀，并且具有與其相關聯的深度145以減小基板110、120內的扭曲。

當溝槽140為圓形時，該形狀限定凹形溝槽，大體上如圖3中所描繪。然而，應當理解的是，溝槽140還可體限定大體上凸形溝槽。與圓形溝槽相關聯的深度145可以是使得基板110、120在結合期間不發生扭曲的數值。在一些實施例中，圓形溝槽的可接受深度145是基板110、120厚度的分數值，直至基板110、120的厚度的多倍的數值。例如，溝槽140可以在大致0.05 mm和大致10 mm之間（從溝槽140的基部開始測量）。

當溝槽140為方形時，該形狀大體上限定具有圓形邊緣的方形溝槽，如在圖3中所描繪。然而，應該理解的是，溝槽140還可以限定具有其它過渡邊緣（例如方形、線性等）的方形溝槽。與方形溝槽相關聯的深度145可以是使得基板110、120在結合期間不扭曲的值。在一些實施例中，方形溝槽的可接受深度145是基板110、120的厚度的分數值，直至基板110、120厚度的多倍的數值。例如，溝槽140可以在大致0.05 mm和大致10 mm之間（從溝槽140的基部開始測量）。

應當理解的是，基板110、120的一個或兩個可以包括沿縱向軸線在間斷的間隔（例如，在圖3中所示的距離147）處的多個表面改變（例如，突起130和溝槽140）。間斷的間隔（諸如，距離147）應當為使得一個溝槽140與后續的溝槽140充分地隔開。可接受的距離147可以是在大致10 mm和大致100 mm之間的數值。

盡管溝槽140被設計成防止變形并且有助于基板110、120的牢固結合以防止斷裂，但是當發生斷裂時裂紋可以沿上述斷裂路徑擴展。特別地，當焊料球300與基板110、120的兩者接觸時，如在圖1中所示，斷裂路徑將類似于斷裂路徑222、224和/或226（與圖1相關聯地描述）。然而，當焊料球300僅與基板110、120中的一個接觸時，如在圖2中所示，斷裂路徑將類似于斷裂路徑232和/或234（與圖2相關聯地描述）。

圖4 示出下述內容的載荷（γ（N/mm），[y軸]）與位移（δ（mm），[x軸]）的關系：（i）不包含焊料球的粘合劑（由第一數據線312表示）；（ii）包含與一個基板表面接觸的焊料球的粘合劑（由第二數據線314表示）；以及（iii）包含與兩個基板表面都接觸的焊料球的粘合劑（由第三數據線316表示）。如圖所示，通常，第一數據線312具有低于第二和第三數據線314和316的表面張力，因此在與包含焊料球膠的粘合劑比較時，使得粘合劑更易于斷裂。第二和第三數據線314和316的表面張力取決于粘合劑的位移而變化，因此使得對單接觸焊料球或雙接觸焊料球的選擇成為源于粘合劑的應用和用途的優選。

在一些實施例中，也可通過形成諸如腔240的空缺（在圖5中所示）而使得所使用的粘合劑200的量的減小。每個腔240可以是在粘合劑200內的具有任意數量的形狀或尺寸的空缺。圖5還示出包含根據聚集分布所布置的焊料球300的系統100的實施例。

在由于粘合劑200內的空缺（諸如上面提到的腔240）的存在而導致的粘合劑200的表面積（以及因此體積）減小的應用中，焊料球300的聚集分布可以是有益的。由于在粘合劑200內的預定區域中的結合層寬度214的減小，導致粘合劑200的體積減少。焊料球300的分布密度在寬度214最窄的位置（例如，在腔240之間）處增加。

分布密度可以通過例如控制焊料球300的分布的分配裝置而實現。這樣的分配裝置可以擴展分配噴嘴以在寬度214窄的區域中形成較高的焊料球300的分布密度，以及收起分配噴嘴以在剩余的區域中形成較低的焊料球300的分布密度。該分配裝置還可以包括自控制功能以打開或閉合裝置噴嘴。為了擴展或收起分配噴嘴，該分配裝置可以包括下述物件，例如但不限于（多個）電磁裝置、閥、和其它機械部件。

增加分布密度增強了斷裂區域（例如，在腔240附近）的易損性。通過策略性地將更多數量的焊料球300分布于結合層寬度214減小的區域中，該聚集分布減小了粘合劑200的體積，同時促進沿需要最大量的斷裂能量的路徑的剪切斷裂。

圖5示出具有下述內容的裝置的能量吸收水平：（i）不包含焊料球的粘合劑（現有技術；由第一數據塊252表示）；（ii）包含焊料球的粘合劑（由第二數據塊254表示）；以及（iii）包含具有減小的粘合劑結合層寬度214的焊料球的粘合劑（由第三數據塊256表示）。

每一個數據塊252、254、256測量覆蓋100×25 mm²的表面積的每一個粘合劑的能量吸收，單位為焦耳（J）。y-軸以5 J的增量被標示。

如圖所示，第一數據塊252吸收每表面積大致接近15 J的能量。當焊料球被添加至粘合劑時（第二數據塊254），能量吸收則大得多，對于相同的表面積為大致接近24 J，接近60%的增加。

當焊料球被添加并且結合層寬度214至少在一些區域（例如，在腔240周圍）中減小時，能量吸收大體上與無焊料球的粘合劑（即，數據塊252）相同。然而，在后一種情況下所使用粘合劑的體積減小約40%。使用較少的材料的益處在上面被描述。

III. 附加實施例—圖6至圖10

在一些實施例中，如在圖7中所示，焊料球300的外表面包含局部或完整涂層320（諸如，焊劑）。選擇并涂覆涂層320以改善系統的結合特性和/或受控的斷裂特性。在一些情況下，涂層320通過在焊料球300和接觸表面115、125之間的界面的增強的結合而實現此目的，該增強的結合迫使裂紋220、230改變斷裂的路徑或者阻止擴展，如在上面所描述的。

涂層320也可用于阻止（即，停止）通過粘合劑20的斷裂擴展。另一方面，涂層320可以使斷裂擴展偏轉至粘合劑200內所含有的另一個特征（例如，焊料球300或突起130）以促進在剪切模式中的失效通過與焊料球300相鄰的粘合劑200。

在一些實施例中，涂層320通過去除結合結構位置處的雜質（例如，灰塵、油或氧化物）而改善焊料球300與基板110、120之間的界面。除了促進已經由總體設計所產生的斷裂路徑（例如，在圖1中的斷裂路徑222、224、226和在圖2中的斷裂路徑232、234）以外，該改善的界面還促進在焊料球300周圍的斷裂擴展。

涂層320可以是通過從待連接的金屬中除去氧化物而促進錫焊、釬焊或焊接的清潔劑。合適的材料包括但不限于：氯化銨、松香（天然或化學改性的）、鹽酸、氯化鋅和硼砂。

圖8示出下述內容的載荷（γ（N/mm），[y軸]）與位移（δ（mm），[x軸]）的關系：（i）包含不帶焊劑的焊料球的粘合劑（由第一數據線332表示）；以及（ii）包含帶有焊劑的焊料球的粘合劑（由第二數據線334表示）。如圖所示，通常，第一數據線332具有低于第二數據線334的表面張力，這表明當在結合之前使用涂層（諸如涂層320）時，該結合結構在斷裂之前可以承受更大的力。

在一些實施例中，焊料球300（無論是否被涂覆）可以分布在下述圖案和布局中：該圖案或布局可以通過減小結合系統100內的應力集中而強化基板110、120的結合。應力集中可以形成于焊料球300在粘合劑200的同一區域中集中的位置處。通過焊料球300的有意放置而用焊料球300形成圖案可以防止形成焊料球300的聚集。

焊料球300的分布可以與新的或現有的制造或組裝工藝（其噴涂粘合劑、涂層、蠟等）結合進行。諸如熱/冷噴涂等的噴涂工藝可以被用于將焊料球300分布成在基板110、120上或粘合劑200內的圖案。此外，包含圖案的焊料球300還可包含上面討論的涂層320以促進雜質的去除。

圖9示出包含具有線性分布的焊料球300的系統100的實施例的俯視圖。可以如上面結合圖7所描述的方式涂覆焊料球300，盡管這種涂層在圖9中未詳細示出。

在圖9的線性分布中，焊料球300的每一個以水平距離340（在同一列中的兩個焊料球300之間的距離）和沿結合層寬度214的豎直距離350隔開（在同一行中的兩個焊料球300之間的距離）。如所提供的，對方向（例如，水平方向、豎直方向）的引述是用來幫助本描述的并且不必限制本發明的應用或者限制在結合工藝之前、期間或之后的組成部件的定向。

具有線性分布的焊料球300的定位形成斷裂路徑260（在圖9中被描繪為一系列箭頭）以這樣的方式擴展：使裂紋沿需要最大量的斷裂能量的斷裂路徑擴展。類似于斷裂路徑222、224、226（見圖1），斷裂路徑260可以在每個焊料球300周圍擴展，迫使斷裂路徑260沿接觸表面115、125中的至少一個。替代地，斷裂路徑260能夠沿焊料球300的任意行擴展以允許發生剪切斷裂。

圖10示出包含具有曲折分布的焊料球300的系統100的替代實施例。，形成在相反的方向上定向的兩個曲折圖案的焊料球300形成該曲折分布。

如同線性分布，在曲折分布內的焊料球300以水平距離370和豎直距離360隔開。該水平距離360是在粘合劑寬度214的中心線兩側（未圖示）的每個曲折波循環之間的距離。豎直距離370是在粘合劑寬度214的中心線和正弦形式的最外面的焊料球300的之間的距離。

具有曲折分布的焊料球300的定位形成斷裂路徑270（在圖910中被描繪為一系列的箭頭），以便以這樣的方式擴展：其促進剪切斷裂而不是剝離斷裂。斷裂路徑270在曲折分布中的單個正弦線內在每個焊料球300周圍擴展。替代地，斷裂路徑270能夠沿在曲折分布中的第二正弦線擴展以允許發生剪切斷裂。當與斷裂路徑222、224、226（在圖1中所示）以及由隨機分布所形成的斷裂路徑232、234（在圖2中所示）以及由線性分布所形成的斷裂路徑260（在圖89中所示）相比較時，由于由曲折分布所形成的圖案，使得斷裂路徑270比上述所比較的斷裂路徑長。

為了承受最大的連接應力而不導致應力集中，在線性分布的情況下，在水平距離340和豎直距離350之間存在關聯性。在曲折分布中的水平距離360和豎直距離370也存在類似的關聯性。例如，在該線性分布中，該關聯性可以具有大致1：1的比例，而在曲折分布中，該關聯性可以具有大致接近1：4的比例。

圖11示出下述內容的載荷（γ（N/mm），[y軸]）與位移（δ（mm），[x軸]）的關系：（i）不包含焊料球的粘合劑（由數據線382表示）；（ii）包含隨機分布的焊料球的粘合劑（由數據線384表示）；（iii）包含線性分布的焊料球的粘合劑（由數據線386表示）；以及（iv）包含曲折分布的焊料球的粘合劑（由數據線388表示）。

如圖所示，通常，數據線382具有低于數據線384、386、388的表面張力。數據線384的表面張力具有隨著位移而逐漸增大和減小的表面張力，而數據線386和388具有隨著位移而逐漸減小的表面張力，因此使得線性分布和曲折分布適合于一些應用，諸如在基板110與120是不同材料的情況中的結合。

IV. 益處和優點

在上文中描述了本發明的許多益處和優點。本節中給出本發明的一些益處的總結。

本發明允許在結構粘合劑內實現結合層均勻性。結合層均勻性能夠實現最優抗張強度和抗剪強度并且調節該結合層的厚度，這減小了在應用中所需的粘合劑的體積。減小粘合劑的體積對于形成較薄的結合層是有益的。此外，減小粘合劑的體積能夠導致材料的節約。

本發明允許實現結構粘合劑與基板材料的增強接觸。增強結構粘合劑的接觸允許基板材料更有效地結合粘合劑從而形成更牢固的結合結構，該結合結構在斷裂之前能夠承受更大的力。

本發明允許斷裂沿需要最大量的斷裂能量的路徑擴展。不同于促進垂直于基板材料的斷裂的玻璃珠，大體上在朝向基板材料傾斜的方向上發生的斷裂促進剪切效應，其中基板材料保持在相同平面上。

V. 結論

本文中描述了本公開內容的各種實施例。所公開的實施例僅是示例，這些示例可以以不同形式和替代形式及其組合實施。

專利法不要求說明并教導本發明的每個可行實施例，并且從經濟角度上講這是難以實現的。因此，上述實施例只是所陳述的實施例的示例性說明，用于清楚地理解本公開的原理。

在不脫離本權利要求的范圍的情況下，可以對上述實施例作出改變、修改和組合。所有的這樣的改變、修改和組合是包括在本文中都被包括在本公開內容和以下權利要求的范圍內。