FI115776B

FI115776B - Menetelmä ohuiden johtimien valmistamiseksi kantajanauhalle ja menetelmällä valmistettu johdin

Info

Publication number: FI115776B
Application number: FI20031820A
Authority: FI
Inventors: Antti Kilpinen; Yrjoe Leppaenen
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-07-15
Also published as: FI20031820A0; WO2005056882A1

Description

1 115776 }

MENETELMÄ OHUIDEN JOHTIMIEN VALMISTAMISEKSI KANTAJA-NAUHALLE JA MENETELMÄLLÄ VALMISTETTU JOHDIN

Keksintö kohdistuu menetelmään ohuiden metallia tai metalliseosta olevien 5 sähköjohtimien valmistamiseksi sähkösaostamalla kantajanauhalle. Kantaja-nauhan pintaa peitetään osittain sähköä eristävällä kerroksella ja halutun muotoiset johtimet saostetaan paljaaksi jääville, virtaa johtaville kohdille. Kantajanauha johdetaan sähkösaostuskylpyyn, jossa on ainakin yksi anodi ja katodi. Kantajanauha pyörii tukirullien ja katodin ympärillä, ja ίο suolaliuoksesta saostuva johdinkalvo tarttuu kantajanauhan päälle. Kantajanauha tuodaan rullana sähkösaostukseen ja kelataan myös erillisten johdinkalvojen muodostuksen jälkeen johtimet käsittäväksi kantajanauha-rullaksi, jonka jatkokäsittely voidaan suorittaa halutussa paikassa.

15 Useissa teknisissä sovellutuksissa tarvitaan hyvän sähkönjohtavuuden omaavia ohuita johtimia. Kun halutaan valmistaa joustava, litteä kaapeli (FFC), se tapahtuu nykyisin muodostamalla kaapeli useista samansuuntaisista kuparijohtimista, joiden molemmille puolille on kiinnitetty eriste, kuten paperi- tai muovinauha. Yleensä eristenauha on polyesteriä. Johtimen etuina 20 on hyvä sähkönjohtavuus, litteä muoto ja hyvä mekaaninen kestävyys. ·· Tällaisia on kuvattu esimerkiksi US-hakemusjulkaisussa 2002/0062558 ja : US-patentissa 6,492,595. Kaapeli valmistetaan samalla tavalla kuin joustava ’ painettu piiri (FPC), mutta painettuja piirejä valmistettaessa osa kuparista • > » i syövytetään pois tietyn piirikuvion aikaansaamiseksi. Kaapelin leveydet ovat *· 25 nykyisin luokkaa 0,5 - 3 mm ja paksuus alle 1 mm. Kaapeleita käytetään mm. autoteollisuudessa, tulostimissa, CD- DVD-soittimissa, televisioissa, »· · • · · satelliittien dekoodereissa jne., ja niiden käyttöala kasvaa nopeasti.

• · • ·

Ennestään tunnetaan menetelmä ohuen kalvon valmistamiseksi elektrolyytti- : 30 sesti seostamalla. Menetelmässä on elektrolyysialtaassa pyörivä katodi- rumpu ja yhdestä tai useammasta osasta muodostuva kaarimainen anodi altaan pohjaosassa. Elektrolyyttiä syötetään anodin ja katodin väliin ja sen 2 115776 seurauksena katodirummun pinnalle saostuu kuparifolio. Kun saostunut folio nousee elektrolyytin yläpuolelle, se irrotetaan katodista ja johdetaan jatkokäsittelyyn. Menetelmää on kehitetty 1930-luvulta lähtien ja sitä on kuvattu esimerkiksi US-patentissa 2,044,415 ja US-patenttihakemus-5 julkaisussa 2002/5363.

Elektrolyyttinen folion valmistus on kuitenkin keskittynyt valmistamaan yhtenäistä foliota, josta esimerkiksi antennien ja mikropiirien valmistuksessa ylimääräinen metalli syövytetään pois. Syövytys tapahtuu sen jälkeen, kun ίο 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 syövytetään pois. Tämän jälkeen resisti poistetaan jäljelle jääneen kuparifoliotuotteen pinnalta. Foliotuote on esimerkiksi mikropiirin virtajohdin 15 tai tunnistintahan antenni.

US-patenttijulkaisusta 4,053,370 tunnetaan menetelmä, jonka mukaisesti painettujen piirien kuvioita valmistetaan elektrolyyttisesti. Menetelmässä päättymättömän nauhan pintaa peitetään sähköä eristävällä kerroksella niin, 20 että paljaaksi jäävät, virtaa johtavat kohdat ovat halutun tuotteen muotoisia. : Nauha johdetaan elektrolyysialtaaseen pyörimään katodirummun ympärille.

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 '···’ 25 lähempänä nauhaa ja sen avulla saostetaan pääosa kuviosta tiiviinä kiderakenteena. Toinen anodi on sijoitettu kauemmaksi nauhasta ja se saa • » t aikaan karkeamman pintakerroksen kuvion päälle. Karkeampi pinta auttaa • · *! ’ kuvion tarttumista tarralaminaattiin.

30 US-patentissa 4,053,370 kuvattu menetelmä perustuu siihen, että :.' i päättymättömän nauhan eristäminen, piirikuvioiden muodostaminen ja kuvioiden poisto suoritetaan kaikki samassa yksikössä. Kun piirikuviot 3 115776 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.

5

Hyvin ohuiden, metallia tai metalliseosta olevien sähköjohtimien valmistamiseksi suoraan elektrolyyttisesti saostamalla esitetään nyt menetelmä, jonka mukaisesti kantajanauhan pinnalle sähkösaostetaan suoraan halutun muotoisia, funktionaalisia, johtimia. Johtimien materiaalina ίο käytetään hyvin sähköä johtavia metalleja kuten kuparia, hopeaa tai kultaa, mutta jossakin yhteydessä metalli voi myös olla nikkeli. Metalli tai metalliseos on sähkösaostusaltaassa metallisuolaliuoksena, jolloin siitä saostetaan elektrolyyttisesti hyvin sähköä johtavia johtimia. Kantajanauhana käytetään sähköä johtavaa ohutta alumiinifoliota, jonka päälle johdin saostetaan. 15 Kantajanauha tuodaan rullana elektrolyysiin ja kelataan myös johtimien muodostuksen jälkeen johtimet käsittäväksi kantajanauharullaksi, jonka jatkokäsittely on suoritettavissa halutussa paikassa. Jäljempänä puhutaan funktionaalista tuotetta tarkoitettaessa vain johtimista, vaikka haluttu tuote voi olla muukin. Kun tekstissä puhutaan sähkösaostuksesta tai elektrolyyttisestä 20 saostuksesta, sillä tarkoitetaan samaa asiaa.

Elektrolyyttisesti saostamalla on mahdollista muodostaa myös muun kuin / nauhanmuotoisia sähköjohtimia. Johtimet voidaan tehdä esimerkiksi litteän kierretyn parikaapelin muotoon. Kierretty parikaapeli on edullinen johtimen * · '·* 25 muoto, sillä se eroaa samansuuntaisista kaapeleista siinä, että .. . parikaapelissa sähkömagneettiset häviöt ja häiriöt eliminoituvat. Johtimen • » · • · ! muoto voi olla myös jokin muu kuin nauhamainen tai parikaapeli.

• » '· ; Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patentti- ’ 30 vaatimuksista.

• · 4 115776 Sähköjohtimen valmistuksen ensimmäisessä vaiheessa kantajanauhan, alumiinifolion, päälle tehdään sopivalla menetelmällä, esimerkiksi painomenetelmällä johtimen muotoisia kuvioita, jossa tulevan johtimen muoto jätetään suojaamatta. Kantajanauhan eristyskäsittely suoritetaan joko 5 samassa yksikössä kuin sitä seuraava elektrolyyttinen saostus tai erillisessä yksikössä. Seuraavassa vaiheessa kelalla oleva kantajanauha oikaistaan ja johdetaan sähkösaostuskylpyyn, missä johdin saostuu muotoonsa nauhan pinnalle sen käsittelemättömään osaan. Käytetty sähkövirrantiheys ja rummun pyörimisnopeus määrittävät syntyvän metallikerroksen paksuuden, to Virrantiheys ja pyörimisnopeus voivat vaihdella laajoissa rajoissa. Johdin voidaan edelleen pinnoittaa hienojakoisella kuparilla ja/tai messingillä tai johtimen pinta voidaan hapettaa sinänsä tunnetuilla menetelmillä. Pinnoitus ja hapetus lisäävät johtimen tarttuvuutta laminaattiin.

15 Kun johdin on saanut halutun muotonsa ja jatkokäsittelynsä, kantajanauha kelataan rullalle, mistä johtimet kiinnitetään erillisessä työvaiheessa laminaattiin tai muuhun käyttöalustaan. Tämän jälkeen kantajanauha irrotetaan käyttöalustasta.

20 Keksinnön mukaista menetelmää kuvataan vielä oheisten periaatepiirrosten *: avulla, jolloin kuva 1 on periaatepiirros eräästä keksinnön mukaisesta menetelmästä, jossa johdin muodostetaan kelattavalle kantajanauhalle, : kuva 2 esittää periaatepiirrosta toisesta keksinnön mukaisesta 25 suoritusmuodosta, ja .. , kuva 3 on periaatepiirros litteästä parikaapelista.

• I

« · 1

Kuvasta 1 nähdään, että alumiinifoliosta muodostettu kantajanauha 1 * ♦ *· tuodaan kelalla 2 elektrolyyttiseen saostukseen. Tätä ennen kantajanauhan 30 päälle on muodostettu johtimen muotoisia kuvioita, siten, että johtimen kohdat jäävät paljaiksi ja muulle osalle muodostetaan eristävä kerros.

* : Tarpeen vaatiessa eristyskäsittely voidaan tietysti tehdä juuri ennen 5 115776 elektrolyysiä. 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 5 rullamaisella katodilla 6. Elektrodit on yhdistetty virtalähteeseen (ei tarkemmin kuvassa). Altaassa on elektrolyyttiä 7, joka on esimerkin mukaisessa tapauksessa kuparisuolaliuos, esimerkiksi kuparisulfaattiliuos, jossa on mukana tarpeelliset lisäaineet. Kuten edellä on todettu, suolaliuos voi olla myös jonkin muun metallin tai metalliyhdisteen suolaliuos, ίο Elektrolyytti saatetaan kiertämän anodin ja katodin väliseen tilaan ja sieltä edelleen takaisin altaaseen anodin ulkopuolelle. Pintakäsitellyn kantajanauhan pinnalle muodostuu elektrolyytistä johtimen muotoisia ohuita, 5 - 500 mikrometrin paksuisia johdinkalvoja 8. Johdinkalvot on kuvaan merkitty paljon suuremmiksi kuin ne ovat suhteessa valmistuslaitteistoon. 15 Johtimen pesu ja kuivaus ovat sinänsä tunnettua tekniikkaa, joten sitä ei ole kuvassa tarkemmin esitetty.

Kantajanauhan päälle muodostuneille johtimille on mahdollista suorittaa pintakäsittely. Pintakäsittelyvaihe voi olla esimerkiksi elektrolyyttinen 20 kuparointi tai elektrolyyttinen messingöinti altaassa 9, jossa on samantyyp-: pinen katodirumpu 6 ja samantyyppiset anodit 5 kuin varsinaisessa johtimen v saostuskäsittelyssä. Elektrolyyttiliuos valitaan halutun pinnoituksen mukai sesti. Johtimen pintakäsittely saa johtimen tarttumaan paremmin kiinni : käyttöalustaansa. Jatkokäsittelyn jälkeen johtimet käsittävä kantajanauha ’·**' 25 rullataan kelalle 10 jatkokäsittelyä varten. Kun johtimet jätetään kantaja- , nauhalle, on ne helppo toimittaa kelan muodossa jatkojalostajalle, joka ; irrottaa johtimet kantajanauhasta ja kiinnittää haluamalleen käyttöalustalle.

• · ♦ * • » : Kuvan 2 mukaisessa periaatepiirroksessa on esitetty toinen kantajanauhan 30 kierrätystäpä sähkösaostuskylvyssä. Kantajanauhan 1 päälle on muodostettu :,‘i johtimen muotoisia kuvioita, siten, että johtimen kohdat jäävät paljaiksi ja » muulle osalle on muodostettu eristävä kerros. Kantajanauha 1 tuodaan 115776 kelalla 2 sähkösaostusvaiheeseen. Altaassa 4 on elektrolyyttiä 7, joka on esimerkin mukaisessa tapauksessa kuparisuolaliuos, esimerkiksi kuparisulfaattiliuos, jossa on mukana tarpeelliset lisäaineet. Tässä vaihtoehdossa altaaseen on sijoitettu useampia levymäisiä anodeja 11.

5 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 johdinkuvioita. Jos johdinkuvioiden päälle ίο halutaan pintakäsittely, se voidaan tehdä vastaavalla tavalla kuin kuvan 1 yhteydessä on selitetty, joko yhden tai useamman katodirullan avulla.

Kuvassa 3 on esitetty periaatepiirros eräästä, keksinnön mukaisella tavalla valmistetusta johtimesta 8. Elektrolyyttisesti saostamalla on mahdollista 15 valmistaa myös muita kuin suoran nauhan muotoisia johtimia. Esimerkiksi kuvan mukainen litteä parikaapeli voidaan valmistaa suoraan kaapelin muotoon ilman erillisiä valmistusvaiheita, kuten nauhojen liittämistä toisiinsa ja etsausta. Kuvassa on vain yksi esimerkki valmistettavasta tuotteesta, sillä on selvää, että johdin voi olla myös muun kuin parikaapelin muotoinen.

20 ·: Kun kantajanauhana käytetään hinnaltaan edullista alumiinifoliota, johtimen ·* eri valmistusvaiheet ovat eriytettävissä sellaisiin yksiköihin, jotka ovat erikoistuneet omaan alaansa. Siten yksi yksikkö voi hoitaa pintakäsittelyn, seuraava johdinten muodostuksen ja kolmas varsinaisen kaapelin muodosta-’· ·* 25 misen käyttösubstraatille. Folion paksuus valitaan tarpeen mukaan, mutta yleensä folion paksuus on luokkaa 10 - 500 mikrometriä. Alumiinifolio on edullista johtaa johdinten irrottamisen jälkeen esimerkiksi takaisin my sulatukseen. Kuljetusvaiheessa rullalle kääritty folio suojaa johtimia '· : ympäristön vaikutuksilta.

30

Claims

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

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kantajanauhan pinnan eristyskäsittely ja elektrolyysi suoritetaan eri yksiköissä. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ! kantajanauhan pinnan eristyskäsittely ja elektrolyysi suoritetaan samassa yksikössä.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu : siitä, että kantajanauhan (1) paksuus on 10 - 500 mikrometriä.

: 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan . 30 pintakäsittely vaiheeseen, jossa johteet (8) pinnoitetaan kuparilla. * 115776

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan pintakäsittelyvaiheeseen, jossa johteet (8) pinnoitetaan messingillä.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sähkösaostusvaiheen jälkeen kantajanauha (1) johdetaan pintakäsittelyvaiheeseen, jossa johteet (7) hapetetaan.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, ίο 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).

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyyttinen saostus suoritetaan altaassa (4), joka on varustettu ainakin yhdellä levymäisellä, pystysuuntaan sijoitetulla anodilla (11) ja ainakin kahdella, altaan yläpuolelle sijoitetulla rullamaisella katodilla (12) sekä altaaseen sijoitetuilla * ·,· 20 tukirullilla (13), joiden kautta kantajanauha (1) kulkee kelalta (2) toiselle (10).

10. Funktionaalinen sähköjohdin, tunnettu siitä, että sähköä hyvin johtava, metalli- tai metalliseosjohdin (8) on muodostettu 25 elektrolyyttisesti seostamalla alumiinisen kantajanauhan (1) pinnalle, * joka pinta on osittain eristetty sähköä eristävällä kerroksella, jolloin metalli on ainakin yksi joukosta kupari, hopea, kulta, nikkeli tai niiden ·;· seos, ja halutun muotoinen johdin (8) on saostettu nauhan paljaaksi jääneelle, virtaa johtavalle kohdalle. . 30

: 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen johdin, tunnettu siitä, että johdin (8) on nauhamainen. 9 115776

12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen johdin, tunnettu siitä, että johdin (8) on litteä parikaapeli.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 10 -12 mukainen johdin, tunnettu siitä, että johtimen paksuus on 5 - 500 mikrometriä. 10