铜箔的超声波焊接的制作方法

专利名称：铜箔的超声波焊接的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及在制造印刷电路板时采用的铜箔。具体地，它涉及将铜箔附到其他金属片上，对铜箔提供物理支撑，并便于将它们与绝缘基片叠合，诸如玻璃纤维加固的树脂聚酯胶片，例如环氧树脂，或者诸如聚酰胺的聚合物薄膜。
现有技术中已经知道采用金属片作为铜箔的承载部件。为了得到很薄的铜层，已经提出铜在金属片上的电解沉淀，否则不可行。在制造印刷电路板中采用的典型的铜箔约为9到35μm厚，但通过在另一种金属支撑片上电解沉淀，就可能采用更薄的铜层。铜与一个基片叠合，然后支撑片被剥落，在基片上留下一薄层铜层，以其制作电路线。
在美国专利5,153,050中Johnston公开了一种将常规厚铜箔支撑在较重铝片上，并将铜箔的边缘用粘结剂焊封到铝片上，避免外来微粒渗透进两片之间，引起在随后形成的电路线中出现缺陷的方法。也已经提出一种不是用铝片，而是用另一张铜箔的类似方法。例如，通过在薄片边缘应用粘结剂或者机械连接薄片的边缘。
虽然Johnston的方法得到商业成功，但它具有一定的缺点。由于所有的铝片和部分铜箔在铜箔被与基片叠合后，将被重新使用，粘结剂对铜箔和或铝片的污染可能是一个问题。(铝片被分离，一部分叠合的板被剪切，以去掉粘结剂区域)。应用粘结剂和组装金属片都很困难，并且为了以商用的尺度实施，涉及复杂的机械。而且，铜和铝具有不同的热膨胀系数，所以在加热和加压之下叠合时，可能由于铝的热膨胀较大引起铜的扭曲，在铜包层中引入不需要的应力。
本发明者已经发现一种将铜箔和铝片或者其他金属片结合的改进的方法，它更简单，更便宜，并且避免了上面讨论的一些问题。该方法涉及连续的铜箔带和第二金属带的对齐，和使用超声波焊接两个金属带的边缘。该结合足以允许处理被连接的片，但当分开时，没有残余粘结剂或者多余金属遗留而污染铜和铝。
本发明的方法，用超声波焊接铜箔和第二金属，例如铝的连续带的边缘，它们被从轧机中取出，对齐，然后通过在对齐的金属带的每个边缘至少一个的焊站。为了避免当相对较薄的铜箔在其通过焊站时翘曲，对铜箔施加张力，其张力所在方向与其移动方向交叉。只将金属片的边缘用超声波焊接。焊接后的金属带被切成需要的板尺寸，切割边缘未焊封。得到的板使一个铜箔平铺在第二金属片上，未焊封端充分相互靠近，以避免大部分外来微粒进入。
超声波焊头与铜箔接触，并按压在一个与第二金属接触的支撑惰轮上，这使得可能调整加在焊头上的力。操作条件的选择提供金属的充分焊接。在一个实施例中，一个约20lbs.(4.45N)的力加在铜箔上。焊头以约10-50kHz的频率振动，与铜箔接触约0.1到2秒钟。尽管能采用更普通的粗糙表面，焊头最好用光滑表面与铜箔接触。
在另一方面，本发明是一个板，其中铜箔在两个边缘被超声波焊接到第二金属片，例如铝上，板的剩余两个边缘未被超声波焊接焊封，最好根本不焊封。这样，该板在四个边缘形成长方形，但只用超声波焊接其中两个边缘。


图1是一个根据本发明的一个板的透视图。
图2是一个用超声波在其边缘焊接的两条金属带的部分透视图。
附图形成本说明书的一部分，并且被用来进一步说明本发明的某些方面。通过参考一个或多个附图，并结合此处给出的具体实施例的描述，本发明可以更好地被理解。
在制作印刷电路板中采用的铜箔一般从铜溶液中电解沉淀在一个转动鼓上，然后从鼓上取下，给予进一步的处理，然后被轧制用于装运。另外，在一些应用中，所用的铜箔通过将铜棍机械地轧制成薄片状而得到。这两种铜箔中的任一个都可在本发明的方法中采用，本发明的方法并不限于采用的铜箔类型。铜箔已经被制成多种厚度。最常用于印刷电路板的是较薄铜箔，通常在12-35μm(3/8到1oz/ft2)范围内。可以使用更薄铜箔，尽管它们更难制造和处理。对于大多数印刷电路板应用，较厚铜箔一般被认为是不经济的。
已经发现本发明的一个优点是处理较薄铜箔的能力的提高。当铜箔被与一个绝缘基片叠合时，例如与玻璃纤维加固的环氧树脂聚酯胶片，或者聚合物薄膜，例如聚酰胺，它们受到加热和加压使铜箔粘结到基片上。如果铜箔已经被支撑在较厚的金属片上，那么当铜箔和基片在被加热和加压而叠合之前被组合时，就更容易处理。支撑金属片也可以代替常规作为分离元件的不锈钢垫片盘。
在铜箔被与绝缘基片叠合之后，被去除压力，并被用来制造印刷电路板。在一个典型的方法中，对覆铜板进行照相和形成所需的电路图案。在图案被照相在铜上之后，未成为图案部分的铜的部分被以化学方法腐蚀掉，这样将电路线留在基片上。很明显，如果要经受用来制造电路图案的处理，铜箔必须牢固粘在基片上。
也很明显，铜表面出现的污染会干扰电路的照相或者对不想要的铜箔的化学腐蚀。这是正如Johnston讨论的发展支撑铜箔的一个原因。在叠合处理期间，被照相和腐蚀的铜箔表面被支撑金属片覆盖，有助于避免环氧树脂微粒和其他多余污物微粒进入铜箔表面。然后，当覆盖片被移开，铜表面应该没有在制造印刷电路板的过程中，能引起问题的微粒。由于这个原因，Johnston和其他人所采用的用来制造铜箔和铝片板的方法，强调用粘结剂将板的所有边缘，包括任何可能需要的工具孔，焊封。当粘结剂有效焊封薄片边缘时，它们可能导致铜箔的污染。而且，粘结剂将遗留在将被循环利用以实现铜和铝的价值的板边缘。如果可能，最好避免使用粘结剂。这样，建议用机械的方法将铜箔和其支撑金属片粘在一起就足够了。当可能采用机械紧固件时，应评意识到由于形成连续焊封的困难，和在两个薄片连接点处铜箔可能的扭曲，可能引起问题。机械紧固件会污染部分铜和铝。最终，发明者已经找到一种改进的方法，它能够提供一种不昂贵，且连续的方法，用以制造在制造印刷电路板中有用的板。
而本发明涉及使用超声波焊接，它已经用于多种用途，特别是焊接塑料薄膜，已经发现将超声波焊接应用于铜箔和支撑金属片的组合是很困难的，因为铜箔很薄，因此很容易被扭曲。而且，不能确定的是，能否在连续金属带的两侧，将铜箔焊接到支撑片上，焊接后被剪切而在进行剪切的边缘该板未被焊接。但是，发明者的方法能够完成生产板所需要的结果，其中铜箔平铺在支撑片上，而且只在两个边缘紧固焊接。
一个典型的板如图1中的透视图所示。长方形板10有四个边缘，10a-d。边缘10a和b未焊接，但10c和d已经被超声波焊接在焊缝12。剪切边缘10a和b可以用一个单独的超声波焊接步骤，粘结剂或者其他装置焊封，但在很多应用中可以不必考虑。应该注意在清洁的条件下，将铜箔组合到其支撑金属片上，从而避免通常在电路板车间发现的污物。
超声波焊接涉及通过超声波振动的机械能量的应用，通常选择10到50kHz的频率，以提供足够的粘接强度。当施加足够的能量时，产生局部过热，金属运动发生粘接。这种焊接，没有通常其他焊接方法所做的加入第三种金属或者高温溶化。粘接的真正本质还没有确定，但如通常技术中称为“焊接”。超声波能量的施加，通过将需粘接的表面与一个通常称为电极臂的振动焊头接触。电极臂的尺寸和形状被认为不严格。如本发明的一个实施例中，电极臂是一个圆形盘，大约二分之一英寸厚(12.7mm)，直径大约两英寸(50.8mm)。盘的边缘与铜箔的顶端以一个足以确保超声波振动被传递给金属的力接触。一个典型的力可能达到20lbs.(4.45N)。如果力太大，铜箔就可能被破坏。如果太小，超声波能量不足以将两金属片粘接起来。
作为通常的实践，在超声波焊接中，为了确保与焊接表面接触良好，给焊头提供一个粗糙表面。但是，在将铜箔焊接到一个厚支撑片上，已经发现光滑焊头最好，因为通常粗糙的焊头可能会破坏铜箔。该方法对诸如18μm厚的较薄的铜箔特别有用，因为它们不具有抵抗加在它们上的力的能力。相应地，铜箔可能被焊头的往复运动移动。不仅铜箔可能被破坏，并导致作为废品而被遗弃，而且铜箔可能由于加在其上的力而翘曲，这样在铜箔中形成褶皱。铜箔不再平铺在支撑片上，如果用来与绝缘基片叠合，褶皱会被压下，导致有故障的电路线。
已经发现为了焊接铜箔，使它平铺在支撑金属的表面，在焊接时应该将张力施加在铜箔上。张力由将金属带移动通过焊头的轧机纵向施加。张力也在横向施加。这避免了形成褶皱，并确保铜箔和其支撑片平整，结果当板被从成对连续的焊接带中剪切下来时，即使没有焊接或粘合，剪切边缘也是紧闭的。已经发现在给铜箔提供横向张力时很有用的一种方法是，为了在支撑片上施加一个向上的力，并通过它施加到铜箔上，将轧机置于焊头内侧的支撑片的下方。其他方法将产生在熟练的机械技术人员中，本发明应该并不限于这种给铜箔提供张力的方法。
影响结果的另一因素是金属片，特别是薄铜箔边缘的平面度。这些边缘通常在制造处理中被剪切，在剪切处理中它们最好是平的，不被扭曲，否则，需要进行修正扭曲的步骤。
在将超声波焊接应用于铜箔的另一个考虑是焊接表面的质量。由于电解沉淀的铜箔有一个低轮廓的光滑或者光泽面，即平均粗糙度为1.5到2μm，而无光泽面具有较粗糙轮廓，4μm或更高的粗糙度，可以理解表面粗糙度会影响用于超声波焊接的条件。在典型情况下，铜箔的光滑面将与第二金属片接触，而无光泽面将与焊头接触。
尽管铝是优选的材料，因为它的相对低的成本和轻的重量，如果需要可以采用其他金属，例如各种钢。例如，可以采用不锈钢，它的成本高，但比铝强度高，可以取代在叠合铜箔中使用的不锈钢盘。
将参考图2，描述本发明方法的一个优选实施例，图2以一个部分透视图表明了用在两个金属带边缘连续焊接的超声波焊接方法。一卷铜箔20(18μm)和一卷铝片22(250μm厚)被安装，使得在它们通过位于第一对焊站前的轧机(未示出)时，铜箔可以盖在铝片上。通常，带的宽度为12到36英寸(304.8到914.4mm)。这一对片在焊头24或电极臂和焊头按压在其上的金属惰轮26之间通过。如上所述，就在焊头24和惰轮26前，在金属片每侧和其下安装轧机，给铝片提供压力，这样在铜箔中产生一个横向的张力。超声波能量通过作用在铝片下方的金属惰轮上的焊头，以40kHz的频率的施加。施加在焊头上的力约为5到20lbs.(1.11到4.45N)。两个金属片以约5到30m/min的速度通过焊头。金属片在焊头下停留的时间很短仅为0.1到2秒，但已经足以产生将铜箔焊接到铝片上的焊接。通过第一焊头之后，金属片可能通过与第一焊站类似的第二焊站(未示出)，完成处理。然后，焊接后的金属片通过用来给铜箔和铝片施加压力，并拉着它们通过焊接处理的轧机。如果需要将第二铜箔片焊接到铝片的另一面，可以重复该处理，尽管同时将两个铜箔片焊接到一个铝片的相对的两侧是可行的，但机械上太复杂。
一旦被焊接在一起，铜和铝就被送到剪切站，连续带被剪切成所需的板尺寸，随后用于制造叠合板，最后用于制造印刷电路板。工业中采用多种不同板尺寸，通常铜箔和铝片将比所需尺寸之一稍宽些。焊接后的金属带将以提供第二个所需尺寸的间隔被剪切。结果是一个均匀的板尺寸，例如20英寸×26英寸(508mm×660.4mm)。两个金属片边缘在四个边相等，但只有两个边缘被超声波焊接在一起。
很明显，与在所有四个边缘将铜完全焊封到铝板上相比，本发明的方法需要较简单的处理。本发明的方法可以连续实施，仅在两个边缘进行焊封。由于铜箔与平铺在支撑铝(或其他金属)片上，在板的切割端进行有效焊封，使得在许多情况下，焊封切割边缘的进一步处理可以不必考虑。这是一个明显的优点，这在以前得到的类似性质的，如Johnston所描述的产品中没有。可以采用对切割边缘的附加焊封，但在许多应用中不需要。
由于没有采用粘结剂，可以避免铜箔的污染。通过超声波焊接将铜焊封到铝上可以很结实，这种情况下，在产品的切割边缘可能包含带有微量铝的铜和带有微量铜的铝。当重新利用铜和铝废品时，这可以采用。但是，调整焊接的程度，使得粘接足以在将铜与基片叠合时使铜和铝片保持在一起，而且足够弱，使得包含铜和铝的切割边缘可以被手工分开，很少或者没有一种金属留在另一种金属中。这可以通过调整压力值及铜和铝片通过焊头的移动速度实现。
熟练的技术人员应该理解上述公开的技术代表本发明者发现的技术，在本发明的应用中起到很好的作用，因此可以为其实际应用建立优选模式。但是，在本公开的启发下，熟练的技术人员应该理解，在公开的具体实施例中可以进行许多改动，仍然得到类似或相似的结果，而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于将一个铜箔带连续超声波焊接到一个第二金属支撑带上的方法，包括(a)将所述铜箔带从铜箔卷中拉出；(b)将所述第二金属带从所述第二金属卷中拉出；(c)将所述铜箔带的一个表面置于与所述第二金属带的一个表面临近，使所述带的两个边缘对齐；(d)使对齐的铜箔带和第二金属带在位于对齐的带的每个边缘处的至少一起声波焊站之间通过，所述超声波焊站包括一个与所述铜箔接触的超声波焊头；(e)用所述超声波焊头，将超声波能量施加到所述铜箔和第二金属上，使之足以将所述铜箔焊接到所述第二金属上。
2.权利要求1的方法还包括，使(e)中的焊接后的铜箔和第二金属带通过位于对齐的带的每个边缘处至少一个的第二超声波焊站，将所述铜箔和第二金属至少第二次被焊接。
3.权利要求1的方法，其中超声波焊头在所述铜箔带上，一个支撑金属惰轮在所述第二金属下。
4.权利要求1的方法，其中所述超声波焊头以10-50kHz的频率施加能量。
5.权利要求1的方法还包括横向于焊缝将所述焊接后的铜箔带剪切，从而形成将铜箔在两边缘焊接到所述第二金属上的板。
6.权利要求1的方法，其中所述第二金属是铝。
7.权利要求1的方法，其中所述第二金属是钢。
8.权利要求7的方法，其中所述钢是不锈钢。
9.权利要求1的方法，其中所述的超声波焊头将一个约为20lbs.(4.45N)的力施加到所述铜箔和第二金属带上。
10.权利要求1的方法，其中所述超声波焊头接触的时间约为0.1到2秒。
11.权利要求1的方法，其中张力被施加到所述铜箔上，其方向横向于(d)中铜箔和第二金属带通过的方向。
12.在制造覆铜板中采用的板，其中所述板包括(a)一个铜箔片；(b)一个具有与所述铜箔片相等边缘的第二金属片；(c)一个与所述两个片的边缘临近的直线超声波焊缝，该焊缝将所述铜箔片紧紧固定到所述第二金属片上。
13.权利要求12的方法，其中所述第二金属是铝。
14.权利要求13的方法，其中所述第二金属是钢。
15.权利要求14的方法，其中所述钢是不锈钢。
16.权利要求12的方法，其中所述的铜片和第二金属片都是长方形，只有两个边缘被超声波焊接。
全文摘要
公开了一种方法和装置,用超声波焊在边缘处将铜箔带焊接到第二金属带上,第二金属最好是具有比铜箔厚的厚度的铝或者不锈钢。焊接后的带随后被剪切成在制造印刷电路板中使用的板。
文档编号B23K103/12GK1217964SQ98106400
公开日1999年6月2日 申请日期1998年4月17日 优先权日1997年4月17日
发明者布赖恩K·费希尔, 阿尔伯特R·费希尔 申请人:三井金属矿业株式会社