(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅箔帯状体を第二の金属の支持用帯状体に超音波を用いて連続的に溶接する方法であって、該方法が
（ａ）銅箔ロールから前記銅箔帯状体を引き出す工程、
（ｂ）前記第二の金属のロールから前記第二の金属帯状体を引き出す工程、
（ｃ）前記銅箔帯状体の表面を前記第二の金属帯状体の表面に近接して置きそしてこれらの帯状体の両端を整列一致させる工程、
（ｄ）銅箔と第二の金属の整列一致させた帯状体を、該帯状体のそれぞれの端で少なくとも一つの超音波溶接部署を通過させる工程であって、該超音波溶接部署は前記銅箔に接触する一つの溶接ヘッドを含み、そして
（ｅ）前記銅箔および第二の金属へ前記超音波溶接ヘッドにより該銅箔を該第二の金属に前記工程（ｄ）で前記銅箔と前記第二の金属の整列一致した帯状体が通過する方向に対し横方向に前記銅箔に張力をかけながら連続して溶接するのに足りる超音波エネルギーを与える工程、
を含むことを特徴とする前記方法。
【請求項２】
前記（ｅ）工程において溶接された銅箔および第二の金属の帯状体のそれぞれの端を、少なくとも第二の溶接部署を通過させ該銅箔と該第二の金属との少なくとも二度目の溶接を行う工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記超音波溶接ヘッドが前記銅箔帯状体の上側にあり、そして支持用金属アイドラーが前記第二の金属の下側にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記超音波溶接ヘッドが１０から５０ｋＨｚの振動数を与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
溶接された前記銅箔帯状体の溶接を横切るように切断し、それにより前記第二の金属に二つの端で溶接された銅箔パネルを形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第二の金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第二の金属が鋼鉄であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記鋼鉄がステンレススチールであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記超音波溶接ヘッドが約２０ｌｂｓ(4.45N) までの力を前記銅箔および第二の金属の帯状体に与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記超音波溶接ヘッドへの接触時間が約０．１から２秒であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
銅張り積層体製造用のパネルであって、該パネルが（ａ）銅箔シート、
（ｂ）前記銅箔シートと寸法が一致する端を持つ第二の金属のシート、および（ｃ）前記両シートの両端に近接した線状の超音波溶接部からなり、該溶接部が前記銅箔シートを前記第二の金属シートに固定していることを特徴とする前記パネル。
【請求項１２】
前記第二の金属がアルミニウムであることを特徴とする請求項１１に記載のパネル。
【請求項１３】
前記第二の金属が鋼鉄であることを特徴とする請求項１１に記載のパネル。
【請求項１４】
前記鋼鉄がステンレススチールであることを特徴とする請求項１１に記載のパネル。
【請求項１５】
前記銅のシートおよび第二の金属のシートが長方形でありそして超音波で溶接した両端のみを有することを特徴とする請求項１１に記載のパネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は一般的にプリント回路基板を製造するのに用いられる銅箔に関する。さらに詳しくは、銅箔を他の金属のシートに付着させて銅箔に物理的支持を与え、そしてこれらを、例えば、エポキシ樹脂のようなガラス繊維強化樹脂プリプレグまたはポリイミドのようなポリマーフィルムなどの絶縁基板への積層を容易にすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅箔のキャリアーとして金属シートを用いることは当該技術分野において知られている。非常に薄い銅の層を得るため、金属シート上への銅の電着が提案されているが、この方法以外の他の方法では不可能に近い。プリント回路基板を作るのに用いられる代表的な銅箔は厚さ約９から３５μｍであるが、他の金属の支持シートに電着すると、より薄い銅層を用いることが可能である。銅が基板に積層され、その後支持シートが剥され、そしてそれにより回路配線が形成される銅の薄い層が基板上に残る。
【０００３】
米国特許第５、１５３、０５０号にＪｏｈｎｓｔｏｎが、比較的厚いアルミニウムシートの上に従来の厚さの銅箔のシートを重ね、そして二枚のシートの間に異物が入り込み、後工程で形成される回路配線で欠陥となるのを防ぐため、接着剤で銅箔の端をアルミニウムシートに封着する方法を開示している。アルミニウムシートの替わりに銅箔の他のシートを用いる似たような方法を用いることもまた提案されている。例えば、シートの端に接着剤を用いたり、または機械的にシートの端を接合するといった方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｊｏｈｎｓｔｏｎの方法は商業的に成功したが、ある不利な面を持っている。すべてのアルミニウムおよび銅箔の一部は、銅箔が基板へ積層された後、回収されたとき銅箔および／またはアルミニウムシートの接着剤による汚染が問題になるであろう。（アルミニウムシートが分離された後、積層板の一部は接着剤領域を取り除くため切り取られる。）接着剤を塗布し金属シートを組立てることは難しく、そして商業的規模で行うのに複雑な機械を必要とする。さらに、銅とアルミニウムは異なった熱膨張係数を持っているので、そのため熱と圧力をかけて行われる積層工程中でアルミニウムの大きな膨張により、銅張り積層板中に望ましくない応力を持ち込み、銅の歪みが起こる恐れがある。
【０００５】
本発明者等は銅箔とアルミニウムまたは他の金属シートを結合する、より単純で、より費用がかからず、上記で議論された問題のいくつかを避ける、改良された方法を見いだした。本方法は銅箔および第二の金属の連続帯状体を整列一致させ、二つの金属帯状体の端を超音波溶接をすることを含んでいる。接着は接合したシートを取り扱うのに十分である上、しかも剥れた時も、余分な接着剤または付着した金属が残らないので、銅およびアルミニウムを汚染することがない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、銅箔帯状体を第二の金属の支持用帯状体に超音波を用いて連続的に溶接する方法であって、該方法が
（ａ）銅箔ロールから前記銅箔帯状体を引き出す工程、
（ｂ）前記第二の金属のロールから前記第二の金属帯状体を引き出す工程、
（ｃ）前記銅箔帯状体の表面を前記第二の金属帯状体の表面に近接して置きそしてこれらの帯状体の両端を整列一致させる工程、
（ｄ）銅箔と第二の金属の整列一致させた帯状体を、該帯状体のそれぞれの端で少なくとも一つの超音波溶接部署を通過させる工程であって、該超音波溶接部署は前記銅箔に接触する一つの溶接ヘッドを含み、そして
（ｅ）前記銅箔および第二の金属へ前記超音波溶接ヘッドにより該銅箔を該第二の金属に前記工程（ｄ）で前記銅箔と前記第二の金属の整列一致した帯状体が通過する方向に対し横方向に前記銅箔に張力をかけながら連続して溶接するのに足りる超音波エネルギーを与える工程、
を含むことを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の銅張り積層体製造用のパネルは、該パネルが
（ａ）銅箔シート、
（ｂ）前記銅箔シートと寸法が一致する端を持つ第二の金属のシート、および
（ｃ）前記両シートの両端に近接した線状の超音波溶接部からなり、該溶接部が前記銅箔シートを前記第二の金属シートに固定していることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の方法は、銅箔および、アルミニウムのような第二の金属の連続帯状体をロールから繰り出し、整列一致させ、そしてそれから整列一致された金属帯状体のそれぞれの端を少なくとも一か所の溶接部署を通過させ超音波でこれら連続帯状体の端を溶接する。銅箔は、銅箔が溶接部署を通過する時、比較的薄い銅箔が反らないように銅箔が移動する方向を横切る方向に張力をかける。金属帯状体の両側端のみが超音波で溶接される。溶接された帯状体は所望のパネル(panel) の大きさに切断され、切断された端は溶接により封じられてないままである。でき上がったパネルは銅箔のシートが第二の金属のシートに対して平らとなり、そして封じられてない端はほとんどの異物の侵入を防ぐよう十分に互いに接近している。
【０００９】
超音波溶接ヘッドは銅箔に接触し、そして溶接ヘッドへかけられる力の調節を可能にする第二の金属に接触している支持アイドラー（中間車）に押しつけられている。運転条件は金属同士に適切な溶接を与えるように選ばれる。一つの実施例では約２０lbs.(4.45N) までの力が箔にかけられる。溶接ヘッドは約１０から５０kHz の振動数で振動し箔と約０．１から２秒接触する。溶接ヘッドは好ましくは箔と接触する面は滑らかな表面が用いられるが、より一般的な粗い表面も用いられる。
【００１０】
他の側面では、本発明は超音波でアルミニウムのような第二の金属シートに、二つの端を溶接され、残りのパネルの端は超音波により溶接されてなく、好ましくは全く封じられてない銅箔のパネルに関する。かように、長方形のパネルでパネルは四つの端すべてで一致しているが、二つの端のみ超音波で溶接されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面を用いて詳細に説明する。
図面は本明細書の一部を構成し、そして本発明のある態様をさらに説明するために掲載されている。本発明は一つかそれ以上のこれらの図面と、ここに提供された特定の具体例の詳細な記述と組合せて参照することにより、より良く理解されるであろう。
【００１２】
銅箔
プリント回路基板を製造するのに用いられる銅箔は、一般的に回転ドラム上に銅溶液を用いて電着され、このロールから剥され、更なる処理をされ、出荷のためにロールに巻かれている。あるいはまた、ある用途には銅の原料から機械的にロールで伸ばされた箔が用いられる。これらのどちらの箔も本発明の方法に用いることができ、本発明は使用される箔のタイプについては制限されない。銅箔は様々の厚みのものが製造されている。プリント回路基板には、代表的には厚さ１２から３５μｍ(3/8から１oz/ft2) の範囲の薄い箔が最も一般的に用いられる。より薄い箔を用いることができるが、それらは製造も取り扱いもより難しい。より厚い箔は普通、大部分のプリント回路板の用途としては経済的でないと考えられている。
【００１３】
本発明の利点の一つは、より薄い箔の取扱い性の改良にある。箔がガラス繊維強化エポキシ樹脂プリプレグまたは重合体フィルム、例えばポリイミド等の絶縁基板に積層される時、箔は箔を基板に接着することとなる熱と圧力を受ける。もし箔が既に厚い金属シート上に支持されていたら、積層体を作るのに用いられる加熱プレスの中にこれらが置かれる前に銅箔および基板のシートが組み立てられる時、これらはより簡単に取り扱われる。支持金属シートは、従来からセパレーターとして用いられていたステンレススチールのスぺーサー板を代替することもまたできる。
【００１４】
プリント回路基板
銅箔が絶縁基板に積層された後、得られた積層体はプレスから取り除かれ、そしてプリント回路基板を製造するのに用いられる。一般的な工程では、銅張り積層板は光で像が描かれ、そして所望の回路パターンが現像される。銅の上にパターンが光で描かれた後、回路パターンとならない銅の部分は化学的にエッチングで取り除かれ、このようにして基板上に回路の配線が残る。回路パターンを作るのに用いられる加工に耐えるようにするのであれば、銅箔は基板へしっかりと接着してなければならないことは明白であろう。
【００１５】
銅の表面上の汚染物の存在は回路を光で描くことや、または不要部分の箔の化学的エッチングを妨げることもまた明白であろう。これはＪｏｈｎｓｔｏｎにより議論された支持体付の箔の開発の一つの理由であろう。光で像を描きそしてエッチングされる銅箔の表面は、積層工程中支持体金属シートで覆われており、これはエポキシ樹脂微粒子または他の外からの汚染物質の微粒子が銅箔の表面へ接近することを防ぐのを助ける。そこで、被覆シートが取り除かれる時、銅の表面にはプリント回路基板を製作する工程中に問題を起こす可能性のある微粒子がないはずである。銅箔およびアルミニウムシートのパネルを製造するのにすべてのパネルの端を、必要とされるであろう基準穴も含めて、接着剤で封じることをＪｏｈｎｓｔｏｎやその他に用いられた方法が強調しているのはこの理由のためである。接着剤はシートの端を封じるのに有効であるとはいえ、銅箔の汚染となり得る。なお、接着剤はパネルの端に残るだろうし、このパネルの端は銅およびアルミニウムの価値（values)を回収するためリサイクルされる。もし可能ならば接着剤の使用を避けるのが望ましい。そのために、銅箔とその支持金属シートの機械的付着で十分であろうことが提案された。機械的な締め具を用いることは可能ではあるが、これらは連続的な封着をすることが困難であることおよび二枚のシートが付着される部分の銅箔のゆがみが起こりうることによる問題を作り出すであろうことが理解されるであろう。機械的な締め具はスクラップの銅とアルミニウムを汚染するであろう。したがって、本発明者等はプリント回路基板を製造するのに有用な費用が安く、連続的な工程を与える改良された方法を捜した。
【００１６】
本発明は超音波溶接の使用を伴うが、この方法は数多くの目的に用いられ、特にプラスチックフィルムの溶接に用いられているが、銅箔は非常に薄く、したがって簡単にゆがんでしまうので、超音波溶接の工程を支持金属シートと銅箔の張り合せに適応することは難しいとされてきた。さらに、銅箔が支持シートの金属連続帯状体の二つの端部で溶接できるか、そして、切断が行われる端部が溶接されてない状態で、パネルとして溶接後切断されることができるかはっきりとしてなかった。しかしながら、本発明者の工程は、銅箔が支持シートの上で平らでそしてその上、二つの端部のみでしっかり溶接されたパネルを製造するという要望された結果をなし遂げる事ができる。
【００１７】
代表的なパネルは図１に斜視図で示されている。長方形のパネル１０は四つの端部１０a-d を持っている。端部１０ａおよび１０ｂは溶接されてないが、しかし１０ｃおよび１０ｄは超音波で溶接点１２で溶接されている。切断された端部１０ａおよび１０ｂは超音波溶接、接着剤、またはほかの方法により封じることができるが、しかし多くの用途では必要ないと考えられている。銅箔のその支持体への組みつけは清潔な条件で行われるだろうから、そのため通常、回路基板工場で発見される汚染は避けられるだろうことに注目すべきである。
【００１８】
超音波溶接
超音波溶接は、適切な接着強度を与えるよう選ばれた代表的には約１０から５０ｋＨｚの振動数の、超音波振動を介して機械的エネルギーの適用を伴う。十分なエネルギーが与えられた時、局所的な過熱が起こり、そしてその結果、金属の運動が起こり、そのため接着が起こる。これは他の溶接方法で一般的に行われるような、第三の金属の追加または高温での溶融を必要としない“溶接”である。正確な接着の本質は確立されてないが、しかし当該技術分野で一般的に“溶接”と呼ばれている。この超音波エネルギーは、接着される表面を、通常“ホーン”と呼ばれる振動溶接ヘッドに接触させることにより加えられる。ホーンの大きさおよび形状は重要とは考えられてない。本発明の一つの実施例として実施されているように、“ホーン”は約１／２インチ(12.7mm)の厚さそして約２インチ(50.8mm)の直径の円盤である。円盤の端が銅箔の上面に、超音波振動が金属へ伝えられるのを保証するのに十分な力で接触する。代表的な力は２０lbs.(4.45N) までとしてもよい。もし力が強過ぎると銅箔は傷つけられる。小さ過ぎると、超音波エネルギーは金属の二枚のシートを接着するのに不十分である。
【００１９】
超音波の溶接で、溶接される表面との良好な接触を保証するよう溶接ヘッドを粗い表面とすることは一般的に行われてきた。しかしながら、厚い支持シートへの銅箔の溶接に於ては、通常の粗い溶接ヘッドが銅箔を傷つけるであろうから、滑らかな溶接ヘッドが好ましいということが分かってきた。本工程は特に、箔に加えられる力に対する抵抗力の大きくない、１８μｍ厚の箔のような、薄い箔に特に有効である。したがって、箔は溶接ヘッドの往復運動により移動しうる。箔が傷つけられるのみでなく、たぶんこの場合スクラップとして捨てられることになり、箔はそれに加えられた力により歪み、そしてこのようにして箔に波しわを作る。この場合、箔は支持体シートに対し平らでなく、そしてもし絶縁基板と積層するのに用いられると、波しわは押しつぶされ欠点のある回路配線となる。
【００２０】
支持金属表面で平らであるように銅箔を溶接するために、溶接する時、張力が箔に加えられるべきであることが見いだされた。張力は、金属帯状体を溶接ヘッドを通って移動するローラーにより長手方向に加えられてもよい。張力は横方向にも加えられてもよい。これは波しわが起こるのを防止し、そして銅箔とその支持シートが平らであるが故に、パネルが一組となった連続的に溶接された帯状体から切断される時、切断された端は溶接または接着されてないがしっかり閉じていることを確実にする。銅箔に横方向の張力を与えるのに有効な一つの方法は、支持体シートに上向きの力をかけ、そしてこれを通して銅箔に上向きの力をかけるために、溶接ヘッド内で支持体シートの下にローラーを設置することである。他の方法は機械技術に熟練した人等が思い浮かぶであろうし、そして本発明は銅箔に張力を与えるこの方法に限られていると考えられてはならない。
【００２１】
結果に影響を及ぼす他の要因は金属シート、特に薄い銅箔の端の平滑性である。これらの端は通常、製造工程で切断されるであろうし、そして好ましくはこれらは平らであるべきであり、そして切断工程により歪められないべきであり、またもしそうでないと、ゆがみを修正する工程を設ける必要がある。
【００２２】
銅箔に超音波溶接を行うことでのもう一つの要件は溶接される表面の品質である。電解銅箔は、粗度の小さい平滑なまたは光沢のある面、即ち平均粗度が例えば１．５から２μｍの面を持ち、一方、粗面はより粗さが大きく、例えば４μｍ以上の面を持っており、表面の粗度が超音波溶接に用いられる条件に影響を与えることが理解できる。典型的な場合では、箔の平滑な面が第二の金属と接触し、一方、粗面は溶接ヘッドと接触する。
【００２３】
アルミニウムが比較的費用がかからず、そして軽量なので好ましい材料であるが、さまざまなタイプの鋼鉄のような、他の材料を所望により用いることができる。例えば、ステンレススチールシートを用いることができ、これはより費用がかかるがアルミニウムより強く、そして銅箔を積層するのに用いられているステンレススチール板を代替できる。
【００２４】
本発明の工程の好ましい実施例を図２を参照して説明する。これは部分的斜視図で、その両端で金属の二つの帯状体が連続的に溶接を行われている超音波溶接工程を示す。銅箔２０ (18μm)のロールおよびアルミニウムのシート２２(250μm 厚) のロールが設置されており、そのため第一の一組の溶接部署のすぐ前に置かれているローラー（図示されてない）上を両方が通過する時、銅箔をアルミニウムシート上に引き出すことができる。代表的には、帯状体の幅は１２から３６インチ(304.8から914.4mm)でよい。一組となったシートは、溶接ヘッド２４または“ホーン”およびそれに対して溶接ヘッドが押しつけられている金属のアイドラーホイール２６の間を通過する。上に述べたように、溶接ヘッド２４およびアイドラ−２６のすぐ前にアルミニウムシートに圧力を与えるため金属シートのそれぞれの側およびそれらの下にローラーが設置されており、このようにして銅箔に横方向の張力を発生させる。超音波エネルギーは約４０ｋＨｚの振動数で、アルミニウムシートの下の金属アイドラーホイールに作用する溶接ヘッドを経由して加えられる。溶接ヘッドに加えられる力は約５から２０lbs.(1.11 から4.45N)である。金属の二枚のシートは溶接ヘッドを約５から３０m/分で通過する。溶接ヘッドの下の金属シートの滞在時間は短く、約０．１から２秒にすぎないが、しかし銅箔をアルミニウムシートに溶接するのに十分である。第一の溶接ヘッドを通過した後、シートは工程を完了させる第一に似た（図示されてない）第二の溶接部署を通過させてもよい。そして、溶接されたシートは、銅箔とアルミニウムシートに圧力をかけそして溶接工程中これらを引っ張るために用いられるローラーを通過する。機械的により複雑とはいえ、アルミニウム支持体シートの両サイドに同時に二枚の銅箔を溶接することは可能ではあるが、アルミニウムシートのもう一つの面に第二の銅箔シートを溶接することが要望されたら本工程を繰り返してもよい。
【００２５】
溶接された銅とアルミニウムは切断部署に進み、そこでは連続の帯状体は、積層体をそして最終的にはプリント回路基板を製造するといった次の用途のために所望のパネルサイズに切断される。業界では数多くの異なったパネルの寸法を用いており、そして通常、銅箔ロールおよびアルミニウムロールは所望の寸法のものよりわずかに巾が広くてもよい。金属の溶接された帯状体は別の所望の寸法となる間隔で切断されてもよい。その結果、均一なパネルの寸法、即ち２０インチ×２６インチ(508mm×660.4mm) が得られる。二枚の金属のシート端は四つの側面それぞれで一致するが、しかし二つの端のみが共に超音波で溶接される。切断は溶接を横切るように行うことができる。
【００２６】
本発明の工程はすべての四つの端に沿って完全に銅をアルミニウムパネルに封着することに必要とされるよりも簡単な加工を要求することは明白である。本発明の工程は連続的に行うことができ、そして溶接によるはっきりとした封着が二つの端のみに行われる。銅箔は支持体のアルミニウム（または他の金属）シートに対して平らなので、パネルの切断された端の効果的な封着がなされその結果、更に切断された端をはっきりと封着する工程は大部分の場合必要ない。これはＪｏｈｎｓｔｏｎによって述べられているような、同様な性質のこれまで利用できた製品によっては得られない明らかに有利な点である。切断された端への追加の封着は行われることもできるが、ほとんどの用途では好まれない。
【００２７】
接着剤は使用されないので銅箔の汚染は避けられる。超音波溶接による銅のアルミニウムへの封着はかなり強いものとなり得るので、この場合製品の切断された端は少量のアルミニウムを含有する銅および銅を少量含有するアルミニウムを含有する。これらは銅およびアルミニウムのスクラップを回収する時好ましくないものではない。しかしながら、銅およびアルミニウムのシートを一緒に保持し、しかるに銅を基板へ積層するのに十分な接着となるように、しかし一方で、銅とアルミニウムの両方を含有する切断された端が、一方の金属をもう一方の金属の方にほとんどまたは全く残さず、一つの金属を他の金属に残さず手で分離できるように十分弱く溶接の程度を調整することも可能である。これは銅とアルミニウムの帯状体が溶接ヘッドを通過する際の圧力の大きさおよび移動の速度を調整することによりなされる。
【００２８】
上に開示された説明は、本発明者等により発見された技術が本発明の実施において十分に機能することを述べていること、そして該技術はこのようにその実施の好ましい態様をなすと考えられ得るということを当業者により理解されるべきである。しかしながら、当業者は、本開示に鑑みて、開示された実施例に於て多くの変更をすることができ、そして本発明の精神と範囲から離れることなく類似または同様な結果がなお得られることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるパネルの斜視図である。
【図２】  その端を超音波で溶接された二つの金属帯状体の部分的斜視図である。
【図１】
0003661031.tif 000002
【図２】
0003661031.tif 000003