JP2004243402A - 金属箔の接合方法および金属箔繋ぎ装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】２００℃以上５００℃未満の温度範囲でかつ張力が０．１〜５０ｋｇｆ／ｍの範囲の使用条件で連続加工される極薄の金属箔同士を十分に高い機械的強度で接合することができる超音波接合方法並びにそれに好適な金属箔繋ぎ装置を提供することにある。
【解決手段】接着性能を有する樹脂フィルムを用いた金属箔の接合方法であって、厚みが５〜１００μｍの金属箔の接合部位を接着性能を有する樹脂フィルムを介して重ね合わせる工程、接合部をいずれか一方の表面に複数の凸凹が整列配置された一対の超音波溶接具で挟み付ける工程、接合部を加圧し、超音波溶接具に超音波振動を与えて接着性能を有する樹脂フィルムを金属箔に融着させる工程、さらに超音波振動を継続して樹脂フィルムを除去し、除去部において金属箔同士を融着させる工程を具備することを特徴とする金属箔の接合方法。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波ホーンとアンビルを用い超音波振動により金属箔を接合する方法並びにそれに用いる金属箔繋ぎ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、同種若しくは異種の金属箔同士を接合させる場合、有機系の接着剤もしくは有機系接着剤を使用した接着用テープを用いて接着する方法が用いられていた。また、有機系の接着剤の代わりに無機系、例えばはんだのような金属を用いて接合する方法もある。その他両金属箔の接合する界面に電流を流したりレーザー光を照射したりして接合界面を加圧下に溶融または高温加熱し、接合する方法がある。
【０００３】
接着用テープを用いて金属箔同士を貼り合わせる方法は特開平９−２３２７２４号に開示されている。一方、半田を熔融させて金属同士を接合させる方法は特開平６−３４２９７６号に開示されており、レーザーによる金属溶接は特開平２００１−２６９７８７号等に開示されている。
【０００４】
しかし、これらの従来方法では次のような問題がある。
有機系接着剤の場合、２００℃未満の温度範囲では利用可能であるが、２００℃以上では接着力が低下するため使用できない。
また、接着剤に無機系のはんだ等を用いる場合は接着剤を加熱、硬化させるための熱処理によって被接合材である金属の表面が酸化される問題がある。電流やレーザー光を用いて熔融させる方法は、金属箔を単に重ねただけでは溶接幅が一定しなかったり、上部の１枚しか熔融しなかったり、局部的な加熱が起こって金属箔面が波打ったり、縮んだり塑性変形する問題がある。
【０００５】
これら方法の問題点を解消する方法として、超音波振動を応用した超音波溶接法がある。一般に溶接とは、二つ以上の金属あるいは非金属を局部的に接合させることであって接合部に熱又は圧力もしくはその両者を加えることにより行う。代表的なものとしてアーク溶接がある。
溶接は結合しようとする金属の表面の原子相互間に引力が働き合うような距離（数オングストローム）に原子を接近させ、しかも面全体の原子が秩序ある配列をとって接触することによって生じる。ところが通常、金属の表面は酸化物、吸着ガス等の薄い表面層によって覆われているため、その下地の清浄な金属原子の接近が妨げられ、十分な結合力を生じないが、超音波溶接は同種および異種金属の重ね溶接に対し非常に効果的である。接合される部分に高周波振動を与えることにより金属表面層を除去し、さらに圧力負荷等によって原子振動を盛んにして、金属箔の接触界面近傍の原子が拡散され、更に再結晶することで機械的な接合が達成されるからである。
【０００６】
超音波溶接は接合時に高い温度に達することはなく、 接合面の最高温度は融点の通常３５〜５０％程度であるため高温溶接にみられる母材の溶融や脆い鋳造組織を形成することはない。溶接中パーツ間の密着性を良くするため中庸の圧力を与えるが、この圧力による大きな変形もおこらない。 溶接前の表面処理は最小限で良く、また溶接後の後処理も必要ない。
超音波のエネルギーは超音波発信器（トランスデューサー）により電気的高周波をその同じ周波数で機械振動に変換され、この機械的振動が カップリングシステムを通して超音波ホーン先端に伝達される。超音波ホーン先端の振動は必ず平行振動でなければならないが、加圧は垂直に与えられる。
超音波溶接は殆ど全ての金属が同種でも異種でも溶接に適している。軟質な金属、アルミニウム，銅、貴金属金、銀、 プラチナ、パナジウム等は、最も接合し易い金属でありアルミニウムや貴金属はゲルマニウム、シリコン等半導体にも 接合することができる。
この超音波溶接法では接着剤等の別部材を必要とせず、また加工処理時間も０．５秒程度と極短時間であるため、接続加工の大幅なコストダウンが実現でき、さらに負荷圧力も小さいため金属箔の変形も小さい。また、上記原理に基づく接合法であるため、表面が酸化膜という絶縁物で覆われたアルミ等の金属接合にも適応できるという利点がある。
ところが、この超音波溶接法にあっても、厚さ５０μｍ以下の金属箔同士の接合では、接合部分は十分な機械的強度が得られるものの接合部と未接合部との際の部分が脆くなり破断するという問題がある。特に後工程で、引き続き塗工乾燥装置や熱処理装置へ連続的に繰り出される場合、ガイドロールやアキュームレーター等で接合部がしごかれたり強張力をかけた場合、破断することがあり、直接薄物の金属箔を超音波溶接する方法は満足しうるものではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、２００℃以上５００℃未満の温度範囲でかつ張力が０．１〜５０ｋｇｆ／ｍの範囲の使用条件で連続加工される極薄の金属箔同士を十分に高い機械的強度で接合することができる超音波接合方法並びにそれに好適な金属箔繋ぎ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するためになされた発明であり、本発明者らは鋭意検討し本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
（１）接着性能を有する樹脂フィルムを用いた金属箔の接合方法であって、厚みが５〜１００μｍの金属箔の接合部位を接着性能を有する樹脂フィルムを介して重ね合わせる工程、接合部をいずれか一方の表面に複数の凸凹が整列配置された一対の超音波溶接具で挟み付ける工程、接合部を加圧し、超音波溶接具に超音波振動を与えて接着性能を有する樹脂フィルムを金属箔に融着させる工程、さらに超音波振動を継続して樹脂フィルムを除去し、除去部において金属箔同士を融着させる工程を具備することを特徴とする金属箔の接合方法。
（２） 接着性能を有する樹脂フィルムが熱可塑性ポリイミドを含む樹脂フィルムであることを特徴とする（１）に記載の金属箔接合方法。
（３） 対向配置された超音波ホーンとアンビルを有する金属箔繋ぎ装置であって、該超音波ホーンおよび／またはアンビルの金属箔に接する面が整列配置された複数の凸凹を有することを特徴とする金属箔繋ぎ装置。
に関する。
【０００９】
本発明の方法により接合した金属箔は、２００℃以上５００℃未満の温度範囲でかつ張力が０．１〜５０ｋｇｆ／ｍの範囲の使用条件で連続加工した場合でも金属箔同士がはずれることはない。。
本発明の方法によれば、金属箔同士の接合箇所は、樹脂の溶着力と超音波ホーンおよび／またはアンビルに存在する複数のエンボスによるくさび効果で補強され、高い接合強度が得られる。
ここで、接着能力を有する樹脂製フィルムは金属箔の接合面に予め被着させておくのが好ましい。また、この超音波溶接に好適な金属箔繋ぎ装置としては、接合対象物を挟んで対向配置される超音波ホーンとアンビルとからなり、それら超音波ホーン若しくはアンビルの対向面のいずれか一方若しくは双方には、複数の凸凹が整列配置されているものを使用することができる。
【００１０】
このような構成によれば、まず、先行する金属箔の後端部をセンサー等で検知し、ターレット設備やオートスプライサーなどを用いて、接着能力を有する樹脂フィルムが貼られた後続の金属箔を供給し両金属箔を貼り合わせる。この段階では金属箔同士は樹脂の接着力での仮接着の状態である。その後、超音波ホーンとアンビルからなる金属箔繋ぎ装置を用い超音波振動により、整列配置された複数の突部の対応する部分において、樹脂フィルムが銅箔に溶着し、その後に超音波溶接具の突部に対応する部分の樹脂が除去され、超音波振動によって金属箔の塑性流動が促進されて金属箔同士の接合が行われる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の一形態について図面に基づき説明する。
図１において、銅箔１は、先行する９μｍ厚みの銅箔であり、接合予定部に２５μｍ厚みの接着性能を有する樹脂フィルム２を被着させた銅箔である。銅箔３は、後続の９μｍ厚みの銅箔であり接合予定部に対応させて、対面する状態を示している。
樹脂フィルムの厚みは５μｍ〜１００μｍが好ましい。５μｍ以下ではフィルムの搬送が困難になり、１００μｍ以上では超音波振動の効果が小さくなる可能性がある。
本発明において、接着性能を有する樹脂フィルムとしては、熱可塑性ポリイミドフィルムやベースフィルムとしてカプトンやアピカルのような市販のポリイミドフィルムを使用し、その両面に熱可塑性ポリイミドを被着したフィルムを使用することができる。
【００１２】
熱可塑性ポリイミドとしては、例えばピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ジフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物および３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルビン酸二無水物の少なくとも一種からなるテトラカルボン酸二無水物と、４，４’−ビス（３−アミノフェノキシ）ビフェニル、１，３’−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼンおよび３，３’−ジアミノベンゾフェノンの少なくとも一種からなるジアミンとを、通常の条件で重縮合したポリイミドが挙げられる。
ここで、接着性能を有する樹脂フィルムとは、少なくともフィルムの両面において、金属箔と接着する性能を有する一層または多層からなる樹脂フィルムをいう。
接着性能を有する樹脂フィルムを先行の金属箔１に接着する方法としては、例えば該樹脂フィルムをウレタン系接着剤等の接着剤を用いて接合予定部に貼りけることができる。このようにして、銅箔の片面に接着剤によって樹脂フィルム被着銅箔１が得られる。
次に、先行する金属箔１の後端部をセンサー等で検知し、ターレット設備やオートスプライサー、ウレタンゴム製のラミネート装置等を用いて図２に示されるように、接着性能を有する樹脂フィルム２と後続の銅箔３とを両者が整合する位置に配置し、樹脂フィルムを介して金属箔同士を重ねあわせる。このとき、金属箔同士が樹脂フィルムを介して仮接着するように、ウレタン系接着剤を、金属箔３と重なる面にも塗布しておくのが好ましい。
【００１３】
次に、図２に示されるように、接触界面４を挟み込むように超音波溶接具である超音波ホーン５及び超音波アンビル６を配し、接触界面４に矢印７および８で示す方向の０．２ｋｇ／ｍｍ^２〜１．０ｋｇ／ｍｍ^２の負荷圧力を加え、矢印９で示す方向の振動数３０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を時間０．５秒〜１．０秒間付加するのが好ましい。
超音波ホーン５若しくは超音波アンビル６の少なくとも一方の表面は、複数の凸凹が整列配置されており、くさびの効果が発揮できるよう施されている。
基材の重ねしろとしては１ｃｍ程度が好ましい。
【００１４】
接着性能を有する樹脂フィルム２が金属箔１，３間に内在した状態で重ね合わせ部位に超音波振動を加えると、まず、樹脂フィルムが流動し金属箔３に融着する。その後、さらに振動が加わると、図３において、矢印１０で示される方向に、金属箔１，３において塑性流動が起こると同時に超音波ホーン５とアンビル６の凸凹の形状に応じ樹脂フィルムが流動し、図４に示すような樹脂フィルムの空隙部１１が形成され、同時に塑性流動によりこの空隙に金属が移動し、空隙部１１は金属箔１、３の接点となり、金属箔同士の接合が起こる。
尚、この時の超音波ホーン５および／または６の凹凸形状は接合する金属箔の厚さ、材質によって決定され、たとえば厚み９μｍの銅箔同士を接合する場合、凸部の上面面積は０．３〜０．６ｍｍ^２、凹部の溝幅は０．３〜０．５ｍｍ、溝深さは０．３〜０．５ｍｍが好ましい。
凹凸の数としては２〜４個／ｍｍ^２が好ましい。配置方法については特に限定はない。溶接方向に対して角度を付けなくても良いし、３０°から９０°の角度で傾斜させても良い。
【００１５】
以上の工程を経て接合が完成するが、この完成状態を図５に示す。同図に示すように、高い機械的強度を発現させる樹脂と金属間の接着部１２と、電気伝導性を付与する金属間接合部１３が形成され、接合強度が高く、かつ電気的に接続した接合部が得られる。すなわち、このような接合によれば、金属箔同士の接合箇所は樹脂の接着力で補強されることとなるため、高い接合強度が得られ、その後の工程で、温度が２００℃以上５００℃未満の範囲でかつ張力が０．１〜５０ｋｇｆ／ｍの範囲の使用条件で連続加工しても接合部が外れることはない。
【００１６】
また、本発明の超音波溶接法に好適な繋ぎ装置としては、接合対象物を挟んで対向配置される超音波ホーンとアンビルとからなり、超音波ホーン若しくはアンビルの対向面のいずれか一方若しくは双方に、複数の凸凹が整列配置されているものを使用することができる。
このような構成によれば、整列配置された複数の凹凸形状に対応して、超音波振動による樹脂の流動と金属箔の塑性流動が促進されてくさび効果も加わり、金属箔同士の溶着が確実に行われる。
【００１７】
金属箔としては、銅箔・ステンレス箔、アルミニウム箔、Ｎｉ−Ｆｅ合金箔、銅を主体とした合金箔などの金属箔が使用される。金属箔の厚みは５〜１００μｍが好適に使用できる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施の形態について実施例を挙げて詳しく説明する。
【００１９】
実施例１
金属箔として９μｍ厚みの銅箔を使用し、接着性能を有する樹脂フィルムとして２５μｍ厚みのポリイミドフィルム（商品名「アピカル」カネカ製）の両面に熱可塑性ポリイミドを２．５μｍの膜厚に形成し、更にその両面にウレタン系接着剤を５μｍの膜厚に形成したものを使用した。熱可塑性ポリイミドは、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルビン酸二無水物と１，３’−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼンをＤＭＡｃ（ジメチルアセトアセド）中で室温で混合し、ポリアミック酸ワニスを出発原料として使用した。接着剤として日立化成ポリマー製ウレタン系接着剤を使用した。
熱可塑性ポリイミド層の形成は、前記ポリイミドフィルムに前記ポリアミック酸を塗工、乾燥、イミド化反応により行った。このときのイミド化の温度条件は３００℃であった。
前記の接着性能を有する熱可塑性フィルムを後続の銅箔の接合予定部に貼り合わた。その後先行する銅箔の後端部にターレット装置を用いて貼り合わせ仮接着させた。次に、銅箔が重ね合わされた接合予定部を超音波ホーンと超音波アンビルの装置間で一旦停止させ、接触界面を挟み込むようにして負荷圧力を０．２ｋｇ／ｍｍ^２、超音波振動を振動数３０ｋＨｚとし０．５秒間押し当てて、接合を行なった。
繋ぎ部を観察した結果、良好に接合されていた。超音波アンビルには凹凸をつけ、プレスの圧力が凸部に集中するようにした。
凹凸の形状は溶接方向に対して４５°の角度で傾斜させたものを使用した。
次いで銅箔に引き続きポリイミドフィルムを３５０℃の乾燥炉に搬送し基材を加工した。加工中の基材にかかる張力は１５ｋｇｆ／ｍであった。加工中基材の切断、蛇行、テンションの変動などの不具合は全く無く良好に加工できた。
【００２０】
比較例１
実施例１の接着性能を有する樹脂フィルムを用いずに銅箔をそのまま重ね合わせて、それ以外は実施例１と同様にて超音波溶接を行なった。その結果、溶接は行なわれたが、アキュームレーターで溶接部がしごかれて溶接部のきわで破断した。
【００２１】
比較例２
実施例１の接着性能を有する樹脂フィルムを接合予定の金属箔である銅箔の間に入れずに銅箔の外側、すなわち超音波ホーンとアンビルが直接接触する側に配置して重ね合わせた以外は実施例１と同様にて超音波溶接を行なった。その結果、接合は行なわれたが、接合部の接合強度が十分でなかったために３５０℃炉内で基材が破断した。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る金属箔同士の超音波による接合方法により金属同士を接合することにより、２００℃以上５００℃未満の温度範囲でかつ張力が０．１〜５０ｋｇｆ／ｍの範囲の使用条件で連続加工した場合でも金属同士がはずれることなく接合強度が十分なものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅箔（金属箔）１の接合予定部に接着性能を有する樹脂（熱可塑性ポリイミド）フィルム２を被着させた銅箔と金属箔３との対面する状態を示す図
【図２】接合予定部を超音波ホーン５と超音波アンビル６を用いて挟み込んだ状態を示す概念図
【図３】金属の塑性流動１０が、ホーンの凹部から凸部へ起こる状態を示した概念図
【図４】ホーンとアンビルの凸凹形状に対応して樹脂フィルムの流動が起こり、樹脂フィルムの空隙部１１（切断部）が生じた状態を示す図
【図５】樹脂と金属部の接着部１２を形成するとともに金属箔同士の接合１３が生じた状態を示す図
【符号の説明】
１ 銅箔（金属箔）
２ 接着剤付き樹脂製（熱可塑性ポリイミド）フィルム
３ 銅箔（金属箔）
４ 金属箔と接着剤付き樹脂製フィルムの接触界面
５ 超音波ホーン
６ 超音波アンビル
７，８ 押圧力方向を示す矢印
９ 超音波振動方向を示す矢印
１０ 金属の塑性流動方向を示す矢印
１１ 金属が流動して生じた空隙部
１２ 樹脂（熱可塑性ポリイミド）と銅箔の接着部
１３ 金属箔同士の溶着部

Claims (3)

1. 接着性能を有する樹脂フィルムを用いた金属箔の接合方法であって、厚みが５〜１００μｍの金属箔の接合部位を接着性能を有する樹脂フィルムを介して重ね合わせる工程、接合部をいずれか一方の表面に複数の凸凹が整列配置された一対の超音波溶接具で挟み付ける工程、接合部を加圧し、超音波溶接具に超音波振動を与えて接着性能を有する樹脂フィルムを金属箔に融着させる工程、さらに超音波振動を継続して樹脂フィルムを除去し、除去部において金属箔同士を融着させる工程を具備することを特徴とする金属箔の接合方法。
2. 接着性能を有する樹脂フィルムが熱可塑性ポリイミドを含む樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１に記載の金属箔接合方法。
3. 対向配置された超音波ホーンとアンビルを有する金属箔繋ぎ装置であって、該超音波ホーンおよび／またはアンビルの金属箔に接する面が整列配置された複数の凸凹を有することを特徴とする金属箔繋ぎ装置。

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