專利名稱：銅箔的超聲波焊接的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在制造印刷電路板時采用的銅箔。具體地，它涉及將銅箔附到其他金屬片上，對銅箔提供物理支撐，并便于將它們與絕緣基片疊合，諸如玻璃纖維加固的樹脂聚酯膠片，例如環(huán)氧樹脂，或者諸如聚酰胺的聚合物薄膜。
現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道采用金屬片作為銅箔的承載部件。為了得到很薄的銅層，已經(jīng)提出銅在金屬片上的電解沉淀，否則不可行。在制造印刷電路板中采用的典型的銅箔約為9到35μm厚，但通過在另一種金屬支撐片上電解沉淀，就可能采用更薄的銅層。銅與一個基片疊合，然后支撐片被剝落，在基片上留下一薄層銅層，以其制作電路線。
在美國專利5,153,050中Johnston公開了一種將常規(guī)厚銅箔支撐在較重鋁片上，并將銅箔的邊緣用粘結(jié)劑焊封到鋁片上，避免外來微粒滲透進兩片之間，引起在隨后形成的電路線中出現(xiàn)缺陷的方法。也已經(jīng)提出一種不是用鋁片，而是用另一張銅箔的類似方法。例如，通過在薄片邊緣應(yīng)用粘結(jié)劑或者機械連接薄片的邊緣。
雖然Johnston的方法得到商業(yè)成功，但它具有一定的缺點。由于所有的鋁片和部分銅箔在銅箔被與基片疊合后，將被重新使用，粘結(jié)劑對銅箔和或鋁片的污染可能是一個問題。(鋁片被分離，一部分疊合的板被剪切，以去掉粘結(jié)劑區(qū)域)。應(yīng)用粘結(jié)劑和組裝金屬片都很困難，并且為了以商用的尺度實施，涉及復雜的機械。而且，銅和鋁具有不同的熱膨脹系數(shù)，所以在加熱和加壓之下疊合時，可能由于鋁的熱膨脹較大引起銅的扭曲，在銅包層中引入不需要的應(yīng)力。
本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種將銅箔和鋁片或者其他金屬片結(jié)合的改進的方法，它更簡單，更便宜，并且避免了上面討論的一些問題。該方法涉及連續(xù)的銅箔帶和第二金屬帶的對齊，和使用超聲波焊接兩個金屬帶的邊緣。該結(jié)合足以允許處理被連接的片，但當分開時，沒有殘余粘結(jié)劑或者多余金屬遺留而污染銅和鋁。
本發(fā)明的方法，用超聲波焊接銅箔和第二金屬，例如鋁的連續(xù)帶的邊緣，它們被從軋機中取出，對齊，然后通過在對齊的金屬帶的每個邊緣至少一個的焊站。為了避免當相對較薄的銅箔在其通過焊站時翹曲，對銅箔施加張力，其張力所在方向與其移動方向交叉。只將金屬片的邊緣用超聲波焊接。焊接后的金屬帶被切成需要的板尺寸，切割邊緣未焊封。得到的板使一個銅箔平鋪在第二金屬片上，未焊封端充分相互靠近，以避免大部分外來微粒進入。
超聲波焊頭與銅箔接觸，并按壓在一個與第二金屬接觸的支撐惰輪上，這使得可能調(diào)整加在焊頭上的力。操作條件的選擇提供金屬的充分焊接。在一個實施例中，一個約20lbs.(4.45N)的力加在銅箔上。焊頭以約10-50kHz的頻率振動，與銅箔接觸約0.1到2秒鐘。盡管能采用更普通的粗糙表面，焊頭最好用光滑表面與銅箔接觸。
在另一方面，本發(fā)明是一個板，其中銅箔在兩個邊緣被超聲波焊接到第二金屬片，例如鋁上，板的剩余兩個邊緣未被超聲波焊接焊封，最好根本不焊封。這樣，該板在四個邊緣形成長方形，但只用超聲波焊接其中兩個邊緣。


圖1是一個根據(jù)本發(fā)明的一個板的透視圖。
圖2是一個用超聲波在其邊緣焊接的兩條金屬帶的部分透視圖。
附圖形成本說明書的一部分，并且被用來進一步說明本發(fā)明的某些方面。通過參考一個或多個附圖，并結(jié)合此處給出的具體實施例的描述，本發(fā)明可以更好地被理解。
在制作印刷電路板中采用的銅箔一般從銅溶液中電解沉淀在一個轉(zhuǎn)動鼓上，然后從鼓上取下，給予進一步的處理，然后被軋制用于裝運。另外，在一些應(yīng)用中，所用的銅箔通過將銅棍機械地軋制成薄片狀而得到。這兩種銅箔中的任一個都可在本發(fā)明的方法中采用，本發(fā)明的方法并不限于采用的銅箔類型。銅箔已經(jīng)被制成多種厚度。最常用于印刷電路板的是較薄銅箔，通常在12-35μm(3/8到1oz/ft2)范圍內(nèi)?？梢允褂酶°~箔，盡管它們更難制造和處理。對于大多數(shù)印刷電路板應(yīng)用，較厚銅箔一般被認為是不經(jīng)濟的。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的一個優(yōu)點是處理較薄銅箔的能力的提高。當銅箔被與一個絕緣基片疊合時，例如與玻璃纖維加固的環(huán)氧樹脂聚酯膠片，或者聚合物薄膜，例如聚酰胺，它們受到加熱和加壓使銅箔粘結(jié)到基片上。如果銅箔已經(jīng)被支撐在較厚的金屬片上，那么當銅箔和基片在被加熱和加壓而疊合之前被組合時，就更容易處理。支撐金屬片也可以代替常規(guī)作為分離元件的不銹鋼墊片盤。
在銅箔被與絕緣基片疊合之后，被去除壓力，并被用來制造印刷電路板。在一個典型的方法中，對覆銅板進行照相和形成所需的電路圖案。在圖案被照相在銅上之后，未成為圖案部分的銅的部分被以化學方法腐蝕掉，這樣將電路線留在基片上。很明顯，如果要經(jīng)受用來制造電路圖案的處理，銅箔必須牢固粘在基片上。
也很明顯，銅表面出現(xiàn)的污染會干擾電路的照相或者對不想要的銅箔的化學腐蝕。這是正如Johnston討論的發(fā)展支撐銅箔的一個原因。在疊合處理期間，被照相和腐蝕的銅箔表面被支撐金屬片覆蓋，有助于避免環(huán)氧樹脂微粒和其他多余污物微粒進入銅箔表面。然后，當覆蓋片被移開，銅表面應(yīng)該沒有在制造印刷電路板的過程中，能引起問題的微粒。由于這個原因，Johnston和其他人所采用的用來制造銅箔和鋁片板的方法，強調(diào)用粘結(jié)劑將板的所有邊緣，包括任何可能需要的工具孔，焊封。當粘結(jié)劑有效焊封薄片邊緣時，它們可能導致銅箔的污染。而且，粘結(jié)劑將遺留在將被循環(huán)利用以實現(xiàn)銅和鋁的價值的板邊緣。如果可能，最好避免使用粘結(jié)劑。這樣，建議用機械的方法將銅箔和其支撐金屬片粘在一起就足夠了。當可能采用機械緊固件時，應(yīng)評意識到由于形成連續(xù)焊封的困難，和在兩個薄片連接點處銅箔可能的扭曲，可能引起問題。機械緊固件會污染部分銅和鋁。最終，發(fā)明者已經(jīng)找到一種改進的方法，它能夠提供一種不昂貴，且連續(xù)的方法，用以制造在制造印刷電路板中有用的板。
而本發(fā)明涉及使用超聲波焊接，它已經(jīng)用于多種用途，特別是焊接塑料薄膜，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將超聲波焊接應(yīng)用于銅箔和支撐金屬片的組合是很困難的，因為銅箔很薄，因此很容易被扭曲。而且，不能確定的是，能否在連續(xù)金屬帶的兩側(cè)，將銅箔焊接到支撐片上，焊接后被剪切而在進行剪切的邊緣該板未被焊接。但是，發(fā)明者的方法能夠完成生產(chǎn)板所需要的結(jié)果，其中銅箔平鋪在支撐片上，而且只在兩個邊緣緊固焊接。
一個典型的板如圖1中的透視圖所示。長方形板10有四個邊緣，10a-d。邊緣10a和b未焊接，但10c和d已經(jīng)被超聲波焊接在焊縫12。剪切邊緣10a和b可以用一個單獨的超聲波焊接步驟，粘結(jié)劑或者其他裝置焊封，但在很多應(yīng)用中可以不必考慮。應(yīng)該注意在清潔的條件下，將銅箔組合到其支撐金屬片上，從而避免通常在電路板車間發(fā)現(xiàn)的污物。
超聲波焊接涉及通過超聲波振動的機械能量的應(yīng)用，通常選擇10到50kHz的頻率，以提供足夠的粘接強度。當施加足夠的能量時，產(chǎn)生局部過熱，金屬運動發(fā)生粘接。這種焊接，沒有通常其他焊接方法所做的加入第三種金屬或者高溫溶化。粘接的真正本質(zhì)還沒有確定，但如通常技術(shù)中稱為“焊接”。超聲波能量的施加，通過將需粘接的表面與一個通常稱為電極臂的振動焊頭接觸。電極臂的尺寸和形狀被認為不嚴格。如本發(fā)明的一個實施例中，電極臂是一個圓形盤，大約二分之一英寸厚(12.7mm)，直徑大約兩英寸(50.8mm)。盤的邊緣與銅箔的頂端以一個足以確保超聲波振動被傳遞給金屬的力接觸。一個典型的力可能達到20lbs.(4.45N)。如果力太大，銅箔就可能被破壞。如果太小，超聲波能量不足以將兩金屬片粘接起來。
作為通常的實踐，在超聲波焊接中，為了確保與焊接表面接觸良好，給焊頭提供一個粗糙表面。但是，在將銅箔焊接到一個厚支撐片上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光滑焊頭最好，因為通常粗糙的焊頭可能會破壞銅箔。該方法對諸如18μm厚的較薄的銅箔特別有用，因為它們不具有抵抗加在它們上的力的能力。相應(yīng)地，銅箔可能被焊頭的往復運動移動。不僅銅箔可能被破壞，并導致作為廢品而被遺棄，而且銅箔可能由于加在其上的力而翹曲，這樣在銅箔中形成褶皺。銅箔不再平鋪在支撐片上，如果用來與絕緣基片疊合，褶皺會被壓下，導致有故障的電路線。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)為了焊接銅箔，使它平鋪在支撐金屬的表面，在焊接時應(yīng)該將張力施加在銅箔上。張力由將金屬帶移動通過焊頭的軋機縱向施加。張力也在橫向施加。這避免了形成褶皺，并確保銅箔和其支撐片平整，結(jié)果當板被從成對連續(xù)的焊接帶中剪切下來時，即使沒有焊接或粘合，剪切邊緣也是緊閉的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在給銅箔提供橫向張力時很有用的一種方法是，為了在支撐片上施加一個向上的力，并通過它施加到銅箔上，將軋機置于焊頭內(nèi)側(cè)的支撐片的下方。其他方法將產(chǎn)生在熟練的機械技術(shù)人員中，本發(fā)明應(yīng)該并不限于這種給銅箔提供張力的方法。
影響結(jié)果的另一因素是金屬片，特別是薄銅箔邊緣的平面度。這些邊緣通常在制造處理中被剪切，在剪切處理中它們最好是平的，不被扭曲，否則，需要進行修正扭曲的步驟。
在將超聲波焊接應(yīng)用于銅箔的另一個考慮是焊接表面的質(zhì)量。由于電解沉淀的銅箔有一個低輪廓的光滑或者光澤面，即平均粗糙度為1.5到2μm，而無光澤面具有較粗糙輪廓，4μm或更高的粗糙度，可以理解表面粗糙度會影響用于超聲波焊接的條件。在典型情況下，銅箔的光滑面將與第二金屬片接觸，而無光澤面將與焊頭接觸。
盡管鋁是優(yōu)選的材料，因為它的相對低的成本和輕的重量，如果需要可以采用其他金屬，例如各種鋼。例如，可以采用不銹鋼，它的成本高，但比鋁強度高，可以取代在疊合銅箔中使用的不銹鋼盤。
將參考圖2，描述本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施例，圖2以一個部分透視圖表明了用在兩個金屬帶邊緣連續(xù)焊接的超聲波焊接方法。一卷銅箔20(18μm)和一卷鋁片22(250μm厚)被安裝，使得在它們通過位于第一對焊站前的軋機(未示出)時，銅箔可以蓋在鋁片上。通常，帶的寬度為12到36英寸(304.8到914.4mm)。這一對片在焊頭24或電極臂和焊頭按壓在其上的金屬惰輪26之間通過。如上所述，就在焊頭24和惰輪26前，在金屬片每側(cè)和其下安裝軋機，給鋁片提供壓力，這樣在銅箔中產(chǎn)生一個橫向的張力。超聲波能量通過作用在鋁片下方的金屬惰輪上的焊頭，以40kHz的頻率的施加。施加在焊頭上的力約為5到20lbs.(1.11到4.45N)。兩個金屬片以約5到30m/min的速度通過焊頭。金屬片在焊頭下停留的時間很短僅為0.1到2秒，但已經(jīng)足以產(chǎn)生將銅箔焊接到鋁片上的焊接。通過第一焊頭之后，金屬片可能通過與第一焊站類似的第二焊站(未示出)，完成處理。然后，焊接后的金屬片通過用來給銅箔和鋁片施加壓力，并拉著它們通過焊接處理的軋機。如果需要將第二銅箔片焊接到鋁片的另一面，可以重復該處理，盡管同時將兩個銅箔片焊接到一個鋁片的相對的兩側(cè)是可行的，但機械上太復雜。
一旦被焊接在一起，銅和鋁就被送到剪切站，連續(xù)帶被剪切成所需的板尺寸，隨后用于制造疊合板，最后用于制造印刷電路板。工業(yè)中采用多種不同板尺寸，通常銅箔和鋁片將比所需尺寸之一稍寬些。焊接后的金屬帶將以提供第二個所需尺寸的間隔被剪切。結(jié)果是一個均勻的板尺寸，例如20英寸×26英寸(508mm×660.4mm)。兩個金屬片邊緣在四個邊相等，但只有兩個邊緣被超聲波焊接在一起。
很明顯，與在所有四個邊緣將銅完全焊封到鋁板上相比，本發(fā)明的方法需要較簡單的處理。本發(fā)明的方法可以連續(xù)實施，僅在兩個邊緣進行焊封。由于銅箔與平鋪在支撐鋁(或其他金屬)片上，在板的切割端進行有效焊封，使得在許多情況下，焊封切割邊緣的進一步處理可以不必考慮。這是一個明顯的優(yōu)點，這在以前得到的類似性質(zhì)的，如Johnston所描述的產(chǎn)品中沒有?？梢圆捎脤η懈钸吘壍母郊雍阜猓谠S多應(yīng)用中不需要。
由于沒有采用粘結(jié)劑，可以避免銅箔的污染。通過超聲波焊接將銅焊封到鋁上可以很結(jié)實，這種情況下，在產(chǎn)品的切割邊緣可能包含帶有微量鋁的銅和帶有微量銅的鋁。當重新利用銅和鋁廢品時，這可以采用。但是，調(diào)整焊接的程度，使得粘接足以在將銅與基片疊合時使銅和鋁片保持在一起，而且足夠弱，使得包含銅和鋁的切割邊緣可以被手工分開，很少或者沒有一種金屬留在另一種金屬中。這可以通過調(diào)整壓力值及銅和鋁片通過焊頭的移動速度實現(xiàn)。
熟練的技術(shù)人員應(yīng)該理解上述公開的技術(shù)代表本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)的技術(shù)，在本發(fā)明的應(yīng)用中起到很好的作用，因此可以為其實際應(yīng)用建立優(yōu)選模式。但是，在本公開的啟發(fā)下，熟練的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在公開的具體實施例中可以進行許多改動，仍然得到類似或相似的結(jié)果，而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于將一個銅箔帶連續(xù)超聲波焊接到一個第二金屬支撐帶上的方法，包括(a)將所述銅箔帶從銅箔卷中拉出；(b)將所述第二金屬帶從所述第二金屬卷中拉出；(c)將所述銅箔帶的一個表面置于與所述第二金屬帶的一個表面臨近，使所述帶的兩個邊緣對齊；(d)使對齊的銅箔帶和第二金屬帶在位于對齊的帶的每個邊緣處的至少一起聲波焊站之間通過，所述超聲波焊站包括一個與所述銅箔接觸的超聲波焊頭；(e)用所述超聲波焊頭，將超聲波能量施加到所述銅箔和第二金屬上，使之足以將所述銅箔焊接到所述第二金屬上。
2.權(quán)利要求1的方法還包括，使(e)中的焊接后的銅箔和第二金屬帶通過位于對齊的帶的每個邊緣處至少一個的第二超聲波焊站，將所述銅箔和第二金屬至少第二次被焊接。
3.權(quán)利要求1的方法，其中超聲波焊頭在所述銅箔帶上，一個支撐金屬惰輪在所述第二金屬下。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述超聲波焊頭以10-50kHz的頻率施加能量。
5.權(quán)利要求1的方法還包括橫向于焊縫將所述焊接后的銅箔帶剪切，從而形成將銅箔在兩邊緣焊接到所述第二金屬上的板。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二金屬是鋁。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述第二金屬是鋼。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述鋼是不銹鋼。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述的超聲波焊頭將一個約為20lbs.(4.45N)的力施加到所述銅箔和第二金屬帶上。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述超聲波焊頭接觸的時間約為0.1到2秒。
11.權(quán)利要求1的方法，其中張力被施加到所述銅箔上，其方向橫向于(d)中銅箔和第二金屬帶通過的方向。
12.在制造覆銅板中采用的板，其中所述板包括(a)一個銅箔片；(b)一個具有與所述銅箔片相等邊緣的第二金屬片；(c)一個與所述兩個片的邊緣臨近的直線超聲波焊縫，該焊縫將所述銅箔片緊緊固定到所述第二金屬片上。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述第二金屬是鋁。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述第二金屬是鋼。
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述鋼是不銹鋼。
16.權(quán)利要求12的方法，其中所述的銅片和第二金屬片都是長方形，只有兩個邊緣被超聲波焊接。
全文摘要
公開了一種方法和裝置,用超聲波焊在邊緣處將銅箔帶焊接到第二金屬帶上,第二金屬最好是具有比銅箔厚的厚度的鋁或者不銹鋼。焊接后的帶隨后被剪切成在制造印刷電路板中使用的板。
文檔編號B23K103/12GK1217964SQ98106400
公開日1999年6月2日 申請日期1998年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月17日
發(fā)明者布賴恩K·費希爾, 阿爾伯特R·費希爾 申請人:三井金屬礦業(yè)株式會社