FI115775B

FI115775B - Menetelmä ohuiden kalvojen valmistamiseksi kantajanauhalle

Info

Publication number: FI115775B
Application number: FI20031819A
Authority: FI
Inventors: Yrjoe Leppaenen
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-07-15
Also published as: FI20031819A0; WO2005056881A1

Description

115775

MENETELMÄ OHUIDEN KALVOJEN VALMISTAMISEKSI KANTAJA-NAUHALLE

Keksintö kohdistuu menetelmään ohuiden metalli- tai metalliseoskalvojen 5 valmistamiseksi sähkösaostuksella kantajanauhalle. Kantajanauhan pintaa peitetään osittain sähköä eristävällä kerroksella ja halutun muotoiset kalvot saostetaan paljaaksi jääville, virtaa johtaville kohdille. Kantajanauha johdetaan sähkösaostuskylpyyn, jossa on ainakin yksi anodi ja katodi. Kantajanauha pyörii tukirullien ja katodin ympärillä, ja suolaliuoksesta ίο saostuva kalvo tarttuu kantajanauhan päälle. Kantajanauha tuodaan rullana sähkösaostukseen ja kelataan myös erillisten kalvojen muodostuksen jälkeen kalvot käsittäväksi kantajanauharullaksi, jonka jatkokäsittely voidaan suorittaa halutussa paikassa.

15 Useissa teknisissä sovellutuksissa tarvitaan hyvän sähkönjohtavuuden omaavia ohutkalvoja. Tällaisia ovat esimerkiksi induktiiviset anturit ja antennit erilaisiin sähköteknisiin sovelluksiin. Nykyisissä menetelmissä ohutkalvon funktionaalisen muodon saavuttamiseksi valtaosa aiemmin valmistetusta . metallifoliosta syövytetään tai leikataan pois.

* ··· : 20 • ·

Tunnistintarrat ovat mikropiiristä, niiden eri (ROM, RAM, EPROM jne) • * ·:·*: muisteista (mikrosiru) ja antennista koostuvia aktiivisia (funktionaalisia) elementtejä, jotka laminoidaan muovin tai muun sopivan pintamateriaalin : sisään. Ne aktivoituvat ulkoisen RF- tai UF-kentän vaikutuksesta eivätkä • · * 25 siten tarvitse virtalähdettä, vaikka niissä sellainen saattaa ollakin joissakin | tapauksissa. Tunnistintarroja voidaan käyttää kappaleiden (tuotteiden, henkilöiden, eläinten jne.) tunnistukseen käyttämällä mikropiiriin tallennettuja ·;·· muistitietoja. Tunnistus tapahtuu etäisyydellä, joka voi vaihdella muutamasta millimetristä muutamaan metriin. Tunnistuksessa antenni tuottaa sähkövirran

t » I

, , 30 mikrosirulle lukulaitteen kentässä. Tarrat voivat olla kertakäyttöisiä kuten t I k ,·, ; elintarvike- ja muissa kuluttajapakkauksissa käytettävät tarrat, jotka

♦ > I

* I

2 115775 tuhoutuvat käytön jälkeen, tai ne voivat olla jatkuvaan käyttöön tarkoitettuja kuten pankki-, henkilö- tai muissa ID-sovelluksissa.

Tyypillinen tunnistintarran antenni on 5 - 50 pm paksu ja pinta-alaltaan 10 -5 50 mm x 10 - 100 mm. Painettu antenni valmistetaan yleensä silkkipaino tekniikalla. Sähkönjohtavuus luodaan johtavalla pulverilla, joka voi olla esimerkiksi hopeaa, kuparia tai grafiittia. Painettujen antennien lisäksi antenneja valmistetaan nykyisin mm. ohuista kuparilangoista käämimällä, höyrystämällä, elektrolyyttisesti tai kemiallisesti. Eri tavoin valmistetusta ίο yhtenäisestä kuparikaivosta syövytetään kemiallisesti tarpeeton osa pinnoitteen metallista pois antennikierukan muotoa valmistettaessa. Poissyövytettävä osa voi hyvinkin olla yli 50%. Koska ylimääräisen metallin poistaminen vaatii omat työvaiheensa, pyritään alalla koko ajan saamaan aikaan funktionaalinen antenni, joka jo valmistuksen alkuvaiheessa on 15 mahdollisimman lähellä lopullista muotoa (NNS = near net shape).

Ennestään tunnetaan menetelmä ohuen kalvon valmistamiseksi elektrolyyttisesti saostamalla. Menetelmässä on elektrolyysialtaassa pyörivä katodi-rumpu ja yhdestä tai useammasta osasta muodostuva kaarimainen anodi • · · ’·* ’ 20 altaan pohjaosassa. Elektrolyyttiä syötetään anodin ja katodin väliin ja sen . seurauksena katodirummun pinnalle saostuu kuparifolio. Kun saostunut folio * nousee elektrolyytin yläpuolelle, se irrotetaan katodista ja johdetaan MM· .. . jatkokäsittelyyn. Menetelmää on kehitetty 1930-luvulta lähtien ja sitä on • · kuvattu esimerkiksi US-patentissa 2,044,415 ja US-patenttihakemus-25 julkaisussa 2002/5363.

• · • *

Elektrolyyttinen folion valmistus on kuitenkin keskittynyt valmistamaan / . yhtenäistä foliota, josta esimerkiksi antennien ja mikropiirien valmistuksessa .|,,j ylimääräinen metalli syövytetään pois. Syövytys tapahtuu sen jälkeen, kun 30 folio on laminoitu esimerkiksi PVC-substraatille. Kuparifolion päälle • pinnoitetaan resisti, joka valotetaan halutun muotoisen maskin lävitse.

* * » * *

Valotettu resisti kehitetään ja resistin ulkopuolelle jäänyt kuparifolion osa 3 115775 syövytetään pois. Tämän jälkeen resisti poistetaan jäljelle jääneen kuparifoliotuotteen pinnalta. Foliotuote on esimerkiksi mikropiirin virtajohdin tai tunnistintahan antenni.

5 US-patenttijulkaisusta 4,053,370 tunnetaan menetelmä, jonka mukaisesti painettujen piirien kuvioita valmistetaan elektrolyyttisesti. Menetelmässä päättymättömän nauhan pintaa peitetään sähköä eristävällä kerroksella niin, että paljaaksi jäävät, virtaa johtavat kohdat ovat halutun tuotteen muotoisia. Nauha johdetaan elektrolyysialtaaseen pyörimään katodirummun ympärille, ίο Elektrolyysialtaassa on hapanta kuparisuolaa tai elektrolyyttiä. Altaaseen on myös upotettu anodeja, jotka ovat edullisesti eri etäisyyksillä katodirummusta ja siis nauhasta, jolle piirikuviot saostetaan. Ensimmäinen anodi on lähempänä nauhaa ja sen avulla saostetaan pääosa kuviosta tiiviinä kiderakenteena. Toinen anodi on sijoitettu kauemmaksi nauhasta ja se saa 15 aikaan karkeamman pintakerroksen kuvion päälle. Karkeampi pinta auttaa kuvion tarttumista tarralaminaattiin.

US patentissa 4,053,370 kuvattu menetelmä perustuu siihen, että päättymättömän nauhan eristäminen, piirikuvioiden muodostaminen ja * [ 20 kuvioiden poisto suoritetaan kaikki samassa yksikössä. Kun piirikuviot . . saostetaan samassa paikassa, missä piirilevyt valmistetaan, ratkaisu on ' *. asiallinen. Toisinaan on kuitenkin tärkeämpää, että kantoalustalle .. . muodostettu kuvio pystytään siirtämään kantoalustalleen kiinnittyneenä eteenpäin ja siirtää pysyvälle paikalleen vasta myöhemmin.

25

Tunnistintahan antennien ja muiden funktionaalisten, hyvin ohuiden, sähköä * * .··, hyvin johtavien tuotteiden valmistamiseksi sähkösaostamalla esitetään nyt , menetelmä, jonka mukaisesti saostetaan yhden tai useamman katodirullan ' ! ympärillä pyörivän kantajanauhan pinnalle suoraan halutun muotoisia, 30 funktionaalisia, tuotteita. Tuotteiden materiaalina käytetään hyvin sähköä ’· ; johtavia metalleja kuten kuparia, hopeaa tai kultaa, mutta jossakin yhteydessä metalli voi olla myös nikkeli. Metalli tai metalliseos on 4 115775 sähkösaostusaltaassa metallisuolaliuoksena, jolloin siitä elektrolyyttisesti saostetaan hyvin sähköä johtavia kalvoja. Kantajanauhana käytetään sähköä johtavaa ohutta alumiinifoliota, jonka päälle antenni saostetaan. Kantajanauha tuodaan rullana elektrolyysiin ja kelataan myös antennien 5 muodostuksen jälkeen antennit käsittäväksi kantajanauharullaksi, jonka jatkokäsittely on suoritettavissa halutussa paikassa. Jäljempänä puhutaan funktionaalista tuotetta tarkoitettaessa vain antennista, vaikka haluttu tuote voi olla muukin kuin tunnistintahan antenni (esimerkiksi mikropiirin johtava osa). Kun tekstissä puhutaan sähkösaostuksesta tai elektrolyyttisestä ίο saostuksesta, sillä tarkoitetaan samaa asiaa.

Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patenttivaatimuksista.

15 Antennin valmistuksen ensimmäisessä vaiheessa kantajanauhan, alumiinifolion, päälle tehdään sopivalla menetelmällä, esimerkiksi painomenetelmällä antennin muotoisia kuvioita, jossa tulevan antennin muoto jätetään suojaamatta. Kantajanauhan eristyskäsittely suoritetaan joko samassa yksikössä kuin sitä seuraava sähkösaostus tai erillisessä ' . 20 yksikössä. Seuraavassa vaiheessa kelalla oleva kantajanauha oikaistaan ja . , johdetaan elektrolyyttikylpyyn, missä antenni saostuu muotoonsa nauhan ’ \ pinnalle sen käsittelemättömään osaan. Sähkösaostuksessa käytetty ;v> sähkövirrantiheys ja rummun pyörimisnopeus määrittävät syntyvän • · ’··. kuparikerroksen paksuuden. Virrantiheys ja pyörimisnopeus voivat vaihdella 25 laajoissa rajoissa. Antenni voidaan edelleen pinnoittaa hienojakoisella kuparilla ja/tai messingillä tai antennin pinta voidaan hapettaa sinänsä • f tunnetuilla menetelmillä. Pinnoitus ja hapetus lisäävät antennin tarttuvuutta / . käyttösubstraattiin.

30 Kun antenni on saanut halutun muotonsa ja jatkokäsittelynsä, kantajanauha kelataan rullalle, mistä antennit kiinnitetään erillisessä työvaiheessa 5 115775 laminaattiin tai muuhun käyttösubstraattiin. Tämän jälkeen kantajanauha irrotetaan käyttöalustasta.

Keksinnön mukaista menetelmää kuvataan vielä oheisen kuvien avulla, 5 jolloin kuva 1 on periaatepiirros eräästä keksinnön mukaisesta menetelmästä, jossa antenni muodostetaan kelattavalle kantajanauhalle, ja kuva 2 esittää periaatepiirrosta toisesta keksinnön mukaisesta suoritusmuodosta.

ίο Kuvasta 1 nähdään, että alumiinifoliosta muodostettu kantajanauha 1 tuodaan kelalla 2 elektrolyyttiseen saostukseen. Tätä ennen kantajanauhan päälle on muodostettu antennin muotoisia kuvioita, siten, että antennin kohdat jäävät paljaiksi ja muulle osalle muodostetaan eristävä kerros. Tarpeen vaatiessa eristyskäsittely voidaan tietysti tehdä juuri ennen 15 sähkösaostusta. Pinnan eristys voidaan tehdä esimerkiksi painotekniikalla, maalaamalla tai liimaamalla eristävä kalvo kantajanauhan pintaan. Kantajanauha johdetaan tukirullien 3 avulla sähkösaostusaltaaseen 4, joka on varustettu ainakin yhdestä osasta muodostuvalla anodilla 5 ja pyörivällä rullamaisella katodilla 6. Elektrodit on yhdistetty virtalähteeseen (ei 20 tarkemmin kuvassa). Altaassa 4 on elektrolyyttiä 7, joka esimerkin . mukaisessa tapauksessa on kuparisuolaliuos, esimerkiksi kuparisulfaatti- ‘ liuos, jossa on mukana tarpeelliset lisäaineet. Kuten edellä mainittiin, .. . suolaliuos voi olla myös jonkin muun metallin tai metalliyhdisteen suolaliuos.

Elektrolyytti saatetaan kiertämään anodin ja katodin väliseen tilaan ja sieltä 25 edelleen takaisin altaaseen anodin ulkopuolelle. Pintakäsitellyn kantajanauhan pinnalle saostuu elektrolyytistä antennin muotoisia ohuita, • > .·· . muutaman mikrometrin paksuisia kuviokalvoja 8. Kuviokalvot on kuvaan . merkitty paljon suuremmiksi kuin ne ovat suhteessa valmistuslaitteistoon.

! Antennien pesu ja kuivaus ovat sinänsä tunnettua tekniikkaa, joten sitä ei ole 30 kuvassa tarkemmin esitetty.

6 115775

Kantajanauhan päälle muodostuneille antenneille on mahdollista suorittaa pintakäsittely. Pintakäsittelyvaihe voi olla esimerkiksi elektrolyyttinen kuparointi tai elektrolyyttinen messingöinti altaassa 9, jossa on samantyyppinen katodirumpu 6 ja anodi 5 kuin varsinaisessa antennien saostuskäsit-5 telyssä. Elektrolyyttiliuos valitaan halutun pinnoituksen mukaisesti. Antennien pintakäsittely saa antennit tarttumaan paremmin kiinni käyttöalustaansa. Jatkokäsittelyn jälkeen antennit käsittävä kantajanauha rullataan tukirullien 3 kautta kelalle 10 jatkokäsittelyä varten. Kun antennit jätetään kantaja-nauhalle, on ne helppo toimittaa kelan muodossa jatkojalostajalle, joka ίο irrottaa antennit kantajanauhasta ja kiinnittää haluamalleen käyttöalustalle.

Kuvan 2 mukaisessa periaatepiirroksessa on esitetty toinen kantajanauhan kierrätystäpä sähkösaostuskylvyssä. Kantajanauhan 1 päälle on muodostettu antennin muotoisia kuvioita, siten, että antennin kohdat jäävät paljaiksi ja 15 muulle osalle on muodostettu eristävä kerros. Kantajanauha 1 tuodaan kelalla 2 sähkösaostusvaiheeseen. Altaassa 4 on elektrolyyttiä 7, joka on esimerkin mukaisessa tapauksessa kuparisuolaliuos, esimerkiksi kuparisul-faattiliuos, jossa on mukana tarpeelliset lisäaineet. Tässä vaihtoehdossa altaaseen on sijoitettu useampia levymäisiä, pystysuuntaisia anodeja 11.

[ . 20 Kantajanauha kulkee anodien välissä altaan yläpuolelle sijoitettujen rullamaisten katodien 12 ja altaaseen sijoitettujen tukirullien 13 avulla. Anodit on sijoitettu katodirullien väliin. Elektrodit on yhdistetty virtalähteeseen (ei tarkemmin kuvassa). Käsittelyn seurauksena kantajanauhan päälle .*··, saostuu halutun muotoisia antennikuvioita. Jos antennikuvioiden päälle 25 halutaan pintakäsittely, se voidaan tehdä vastaavalla tavalla kuin kuvan 1 yhteydessä on selitetty, joko yhden tai useamman katodirullan avulla.

t | • · • · : Kun kantajanauhana käytetään hinnaltaan edullista alumiinifoliota, antennin

• I I

eri valmistusvaiheet ovat eriytettävissä sellaisiin yksiköihin, jotka ovat

I I

30 erikoistuneet omaan alaansa. Siten yksi yksikkö voi hoitaa pintakäsittelyn, ‘ ! seuraava antennien muodostuksen ja kolmas tunnistintarran muodosta misen. Folion paksuus valitaan tarpeen mukaan, mutta yleensä folion , 115775 paksuus on luokkaa 10 - 500 mikrometriä. Alumiinifolio on edullista johtaa antennien irrottamisen jälkeen esimerkiksi takaisin sulatukseen. Kuljetusvaiheessa rullalle kääritty folio suojaa antenneja ympäristön vaikutuksilta.

5

Claims

1. Menetelmä ohuiden kalvojen valmistamiseksi kantajanauhan (1) avulla, jonka pinta on osittain eristetty sähköä eristävällä kerroksella, 5 jolloin nauha johdetaan sähkösaostusaltaaseen (4), joka on varustettu anodilla (5,11) sekä rullamaisella katodilla (6,12), jonka ympärillä kantajanauha pyörii, ja elektrolyyttinä käytetään hyvin sähköä johtavan metallin tai metalliseoksen suolaliuosta, tunnettu siitä, että kantajanauhana (1) toimiva alumiinifolio tuodaan kelalla (2) ίο elektrolyyttiseen saostukseen, jossa funktionaaliset metalli- tai metalliseoskalvot (8) saostetaan nauhan paljaaksi jääville, virtaa johtaville kohdille, jolloin metalli on ainakin yksi joukosta kupari, hopea, kulta tai nikkeli tai niiden seos, ja nauha, johon funktionaaliset kalvot (8) on saostettu, rullataan kelalle (10) johdettavaksi käsittely-15 yksikköön, jossa kalvot liitetään käyttöalustaansa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kantajanauhan (1) paksuus on 10 - 500 mikrometriä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että v.: kantajanauhan pinnan eristyskäsittelyja sähkösaostus suoritetaan eri yksiköissä. I I I

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 25 kantajanauhan pinnan eristyskäsittely ja sähkösaostus suoritetaan ' '· ' samassa yksikössä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan : 30 pintakäsittelyvaiheeseen, jossa funktionaaliset kalvot (8) pinnoitetaan kuparilla. , 115775

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan pintakäsittely vaiheeseen, jossa funktionaaliset kalvot (8) pinnoitetaan messingillä. 5

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan pintakäsittelyvaiheeseen, jossa funktionaaliset kalvot (8) hapetetaan. io 8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyyttinen saostus suoritetaan altaassa (4), joka on varustettu pyörivällä katodirummulla (6), ja sen alapuolelle sijoitetulla, vähintään yhdellä anodilla (5), jolloin kantajanauha (1) pyörii katodirummun ympärillä ja siirtyy kelalta (2) toiselle (10). 15

8 115775

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyyttinen saostus suoritetaan altaassa (4), joka on varustettu ainakin yhdellä levymäisellä, pystysuuntaan .1 i : sijoitetulla anodilla (11) ja ainakin kahdella, altaan yläpuolelle 20 sijoitetulla rullamaisella katodilla (12) sekä altaaseen sijoitetuilla tukirullilla (13), joiden kautta kantajanauha (1) kulkee kelalta (2) toiselle (10). * · 1 t ) '0 1 1 5775