Lötzinndraht mit Flussmittelfüllung Die Erfindung betrifft einen Lötzinndraht mit Flussmittelfüllung, insbesondere für Hand-, Maschi nen- und Ofenlötung.
Die Technik kennt Lötzinndrähte in Form von Hohldrähten, deren Innenraum, die sogenannte Seele, mit Flussmitteln gefüllt ist.
Die bekannten Röhrenlotzinne gewährleisten nicht, dass das Lötmittel zuerst die zu lötenden Flächen er reicht, um dort die notwendigen Reduktionsreaktionen an den Metallflächen durchzuführen, bevor das ge schmolzene Lötzinnmetall diese Zonen berührt. Da man aber im Sinne der fortschreitenden technischen Entwicklung und Kostenersparnis immer schneller löten wollte, wurden in die Röhrenlötzinne zunehmend schneller wirkende Lötmittel eingebracht. Solche besit zen jedoch den Nachteil von Korrosionsgefahren und verschlechtern an vielen Stellen die Isolationswerte von elektrischen Kriechwegen in der Nähe der Lötstel len um viele Zehnerpotenzen.
Der erfindungsgemässe Lötzinndraht mit Flussmit- telfüllung ist so ausgebildet, dass über seine ganze Länge auf seiner Umfangsfläche eine grosse Anzahl feiner Kanäle oder Vertiefungen mündet, aus denen bei der den Lötvorgang einleitenden Erwärmung Flussmit- tel auf die Lötstelle austritt.
Die praktische Ausführung dieses Erfindungsgedan kens ist auf zwei grundsätzlich verschiedenen Wegen möglich. Entweder wird das Lötmittel in bekannter Weise in einem axial innerhalb des Drahtes verlaufen den Hohlraum untergebracht, der mit Flussmittel ge füllt wird, und der Lötdraht zu einer grossen Zahl fei ner Kanäle ausgestattet, die von der Flussmittelseele durch die Wandung des Röhrenlötzinndrahtes nach aussen führen und eine vielfache Austrittsmöglichkeit des Flussmittels entweder über die ganze Oberfläche des Röhrenlötzinndrahtes oder in einer oder mehreren bevorzugten Richtungen schaffen.
Oder man begnügt sich, einen massiven Lötzinndraht ohne Axialbohrung lediglich mit einer grossen Anzahl solcher Vertiefungen auszustatten, die entweder nur in eine bestimmte Tiefe in den Draht hineinführen oder ihn auch ganz durchset zen und mit Flussmittel gefüllt sind, das durch die Erwärmung bei Beginn des Lötvorganges ausfliesst, bevor das Lötmetall selbst schmilzt.
Durch die Erfindung kann also erreicht werden, dass bei Erwärmung des Lötzinndrahtes das im Innern des Drahtes vorhandene Flussmittel, das einen Schmelzpunkt weit unter dem Schmelzpunkt des Metallmantels hat, zuerst schmilzt und durch die vielen Kanäle (dieser Ausdruck Kanäle umschliesst im nachfolgenden stets auch die Ausdrücke Querkanäle und/oder Vertiefungen ) gewissermassen ausschwitzt, die zu lötenden Flächen bedeckt, reduziert und reinigt, bevor die Schmelze des Lotes entsteht, die sich nun mit den bereits gereinigten Metallflächen unter Bildung einer richtigen Lötstelle legieren kann.
Es ist augenscheinlich, dass ein Lötzinndraht nach der Erfindung auch mit einer völlig korrosionsfreien Fluss- mittelfüllung die Lötgeschwindigkeit erheblich erhöht. Versuche ergaben, dass diese Beschleunigung bei der Handlötung fast 20 % erreichte. Die Bedeutung für die Industrie zeigt sich an einem Betrieb, der mit 1200 Löterinnen arbeitet und mit dem Lötdraht nach vorlie gender Erfindung mit dem gleichen Flussmittel im Löt zinndraht die gleiche Arbeit mit 1000 bis 1100 Löte rinnen bewältigen kann.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung des neuen Lötzinndrahtes, indem dass in einem massiven Lötzinndraht von seiner Umfangsflä che aus Vertiefungen eingestochen oder eingedrückt werden und der Draht dann durch ein Flussmittelbad gezogen wird, in welchem sich die Vertiefungen mit Flussmittel füllen, dessen Überschuss von dem Draht abgestreift wird, der darauf abgekühlt wird.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Vertiefungen im Lötzinndraht, die in eine Umfangsfläche münden, kann aus einem oder mehreren Walzenpaaren beste hen, die Nuten enthalten, an der Berührungszone der beiden Walzen eines Paares den durchlaufenden Löt- zinndraht umfassen und in der Nutentiefe eine grosse Zahl von stichelartigen Vorsprüngen, z. B. in Form von Zähnen, enthalten, die in den Lötzinndraht beim Durchgang in dichter Reihenfolge taschenartige Vertie fungen einstechen.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des neuen Lötzinndrahtes sowie eine Vorrichtung zur An bringung von Kanälen in einem Lötzinndraht.
Fig. 1 der Zeichnung ist ein Längsschnitt eines Röhrenlötzinndrahtes 1 mit Kanälen 2 und der Füllung 3, die bei Erwärmung durch die Kanäle 2 austreten und vor dem Schmelzen des Lotes 1 die Metallflächen für die Lötung vorbereiten kann.
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines solchen Drahtes, senkrecht zur Drahtachse. Hier sind jeweils vier Kanäle 2 in einer Ebene oder über eine bestimmte Drahtlänge verteilt rechtwinklig zueinander angeord net.
Fig. 3 zeigt im Querschnitt eine andere Anordnung der Kanäle 2 zueinander, um beispielsweise einen stär keren Austritt der Füllung 3 in einer bevorzugten Richtung - in Fig. 3 nach unten - zu ermöglichen.
Fig. 4 bis 6 zeigen in gleicher Darstellungsweise die Anordnung der Erfindung an einem massiven Lötzinn draht, wobei gleiche Bezugszeichen gebraucht sind.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf ein Teilstück eines so ausgebildeten Massivdrahtes 1, der Form und Lage der langgestreckten Austrittsöffnungen flussmittelgefüllter Kanäle 2b einer Kanalreihe im Draht erkennen lässt.
Da in diesem Fall der Fig. 4-7 der axiale Hohl raum des Drahtes für die Aufnahme einer ausreichen den Flussmittelmenge fortfällt, ist es erforderlich, das Aufnahmevolumen der Querkanäle 2b für das Fluss- mittel zu vergrössern. Das kann durch Erhöhung der Zahl der Querkanäle, durch Vergrösserung ihres Durchmessers oder ihrer Tiefe geschehen.
Im allgemeinen gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung, dass im Bereich einer bestimmten Längenein heit des Drahtes das Füllgewicht des Flussmittels in den Kanälen bzw. in den Kanälen und in dem axialen Hohlraum des Drahtes, zwischen 0,5 und 4,5 % des Metallgewichtes des Lötzinndrahtes in diesem Längen bereich beträgt. Bei Anwendung der Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 4-7 wird es möglich, die auf eine Längeneinheit des Drahtes entfallende Fluss- mittelmenge wesentlich unter 3,5 Gew.-% herabzuset zen, und zwar sogar bis etwa 0,1 %. Dadurch lässt sich das Auslaufen überschüssigen Kolophoniums an den Lötstellen vermeiden, was besonders wichtig bei der Lötung von Miniaturschaltungen ist.
Da das Flussmittel bei der Herstellung des Drahtes nach Fig. 4-7 bei seiner Herstellung nicht mehr den Temperaturen von 120 bis 140 beim Herstellen von Röhrenlötzinn nach Fig. 1-3 ausgesetzt wird, können Aktivatoren wie z. B. Hydrazinverbindungen im Fluss- mittel verwendet werden, die bei solchen Temperatu ren nicht mehr verwendbar wären. Ausserdem zeich nen sich Lötdrähte nach Fig. 4-7 gegenüber perforier ten Röhrenlötzinndrähten nach Fig. 1-3 durch eine höhere mechanische Festigkeit aus. Das ist von beson derer Wichtigkeit für das Maschinenlöten, bei dem die Zinndrahtzuführung automatisiert ist. Ausserdem wird durch den Verzicht auf die Ausbildung des Drahtes als Hohldraht die Herstellung des Lötdrahtes wesentlich vereinfacht und verbilligt.
Um eine befriedigende Arbeitsweise mit der Erfin dung zu erreichen, muss Zahl, Form und Richtung der feinen Kanäle zweckentsprechend gewählt werden. Die Zahl der Kanäle soll mindestens etwa 500/m Draht bei etwa gleichem Abstand voneinander betragen. Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung werden wenigstens zwei solcher Gruppen, auf den Umfang verteilt, vorgesehen. Eine weitere bevorzugte und universell brauchbare Ausführung sieht etwa 2000-4000 und mehr Kanäle/m Draht vor. Einzelne Gruppen oder auch alle Querkanäle können auf paral lel zur Achse des Lötdrahtes verlaufenden Linien oder auch durch Versetzung der Kanäle oder ihrer Gruppen gegeneinander auf schraubenförmig verlaufenden Linien angeordnet sein. Im allgemeinen ist anzustre ben, dass auf etwa je 2 mm des Lötdrahtes mindestens zwei auf den Umfang verteilte, z.
B. sich gegenüberlie gende Kanäle entfallen, so dass für jede Lötung durch wenigstens einen Kanal eine optimale Flussmittelmenge rechtzeitig zur Verfügung gestellt wird.
Die Form, insbesondere Durchmesser und Tiefe der Querkanäle müssen natürlich unter Berücksichti gung aller Umstände, insbesondere etwaiger Kapillar kräfte, so gewählt werden, dass das Ausfliessen des durch Erwärmung leichtflüssigen Flussmittels aus den Kanälen bei der Lötung oder seine Einbringung bei der Herstellung des Drahtes nicht erschwert oder gar un möglich gemacht wird.
Vorzugsweise werden die Kanäle so ausgebildet, dass sie sich zur Oberfläche des Metallmantels hin konisch erweitern.
Die durch die Erfindung angestrebte Wirkung kann bei der Ausführungsform nach den Fig. 1-3 noch dadurch beschleunigt werden, dass die Kanäle bereits bei bzw. im Anschluss an die Herstellung des Drahtes durch eine zum Schmelzen des Flussmittels ausrei chende, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Lotes bleibende Temperaturbehandlung mit Flussmittel aus der Flussmittelseele 3 gefüllt werden, wie dies in Fig. 1 bis 2a angedeutet ist. Zweckmässig wird der so behan delte Draht unmittelbar nach der Wärmebehandlung abgekühlt, um sicherzustellen, dass die Flussmittelfül- lung erstarrt, sobald die Kanäle gefüllt sind und bevor eine wesentliche Menge derselben an die Oberfläche des Drahtes austreten kann.
Eine einfache Art zur Herstellung der Kanäle 2 in einem Lötzinn nach vorliegender Erfindung ist ein Walzprozess mit Hilfe eines Stichelwalzenpaares. In die Umfangsfläche jeder Walze ist eine Nute einge dreht; in deren Grund sich in einer oder beiden Walzen eine grosse Zahl von nadelförmigen Erhebungen befin det. Während des Durchlaufens des Lötzinndrahtes werden in seine Wandung fortlaufende Kanäle einge stochen, die bei Röhrenlötzinndraht bis in die Fluss- mittelfüllung in der axialen Bohrung des Drahtes hin einreichen und bei massivem Lötzinndraht in ge wünschter Tiefe bzw. den ganzen Draht durchdringend angebracht werden.
Durch mehrere hintereinander ge schaltete Walzenpaare, deren Achsen zueinander ge neigt sind, kann die Herstellung der Kanäle in ge wünschter Winkelstellung zueinander erfolgen.
Wenn sich die bei der Herstellung der Kanäle ent stehende Rauhhheit der Oberfläche des Lötzinndrahtes störend auswirkt, z. B. bei automatischen Vorschub- und Dosierungsmaschinen, kann der fertige Röhrenlöt- zinndraht noch durch einen Glättungsziehstein gezogen werden, wodurch eine Glättung der Oberfläche erfolgt.
Fig. 8 und 9 zeigen in Ansicht und in vergrösser- tem Teilschnitt eine Stichelvorrichtung zur maschinel- len Erzeugung der Kanäle oder Vertiefungen im Löt- draht.
Jede der beiden Walzen besteht aus zwei in der Mittelebene der umlaufenden Nut 4 unterteilten Hälf ten 5 und 6. Bei ihrer Verbindung, z. B. mit Hilfe von Schraubenmuttern 7, wird zwischen beide Hälften ein dünnes Stahlblatt 8 gelegt, welches ähnlich einem Kreissägeblatt eine geschliffene Verzahnung 10 am Umfang trägt. Die Zähne 10, deren Form die Form der Kanäle 2, z. B. eine Konusform, bestimmt, ragen in die Nuten 4 soweit hinein, wie es die Tiefe der in der Lötdrahtwandung zu erzeugenden Kanäle erfor dert.
Sie werden nach aussen dünner geschliffen, um eine bessere Schneidwirkung zu erhalten, und danach poliert, um ein Verschmieren der Zähne mit der Löt zinnlegierung stark zu verlangsamen bzw. auszuschlies- sen. Für den Walzprozess kann zu dem gleichen Zweck ein flüssiges Trennmittel auf die Oberfläche des Löt- drahtes und/oder das Perforierungswerkzeug 8 bzw. 10 aufgetragen werden. Dieses Trennmittel soll eher löt- fördernd sein als löthemmend. Ein Trennmittel mit sehr niedrigem Schmelzpunkt ist besonders vorteilhaft. Geeignet ist z. B. eine Lösung von Rindertalg, Palmöl oder dergleichen.
Die Grösse der halbrunden Nut beider Walzen wird so gewählt, dass der von beiden Nuten an der Berüh rungszone 9 beider Walzen umschlossene Querschnitt um geringes grösser ist als der Umfang des Lötdrahtes. Die Walzenpaare sind in einem Rahmen 12 einstellbar gelagert und können erforderlichenfalls mit einem An trieb wenigstens einer der beiden Walzenachsen in be kannter Weise ausgestattet sein.
Verwendet man mehrere Walzenpaare hintereinan der, um winklich zueinander angeordnete Kanäle zu erzeugen, so müssen diese Walzenpaare synchron ange trieben werden, besonders wenn der Röhrenlötzinn draht eine geringe Festigkeit besitzt.
Die angegebenen Möglichkeiten der Herstellung des Lötzinndrahtes nach vorliegender Erfindung sollen nur Beispiele sein. Andere Herstellungsarten sind nicht ausgeschlossen.
Die Erfindung schafft die Möglichkeit, auch noch Zinnlötdrähte von 2 mm Durchmesser und darunter für kurzzeitige, beispielsweise etwa 1 Sekunde dau ernde Handlötungen feiner Lötstellen herzustellen, die einwandfreie Lötergebnisse zeigen.
Die Form der Querkanäle ist eine beliebige und sie brauchen nicht nur einzeln angeordnet zu werden, son dern können auch als Zweigkanäle ausgebildet, bzw. mit Abzweigungen versehen sein, die an verschiedenen Stellen der äusseren Umfangsfläche des Lötzinndrahtes ins Freie münden.
Wenn keine Flussmittelseele 3 vorhanden ist, kann die Füllung der einzelnen Querkanäle, bzw. Querver tiefungen, im Draht mit Flussmittel dadurch erleichtert werden, dass nach Erzeugung dieser Vertiefungen 2 in einem Massivdraht diese mit einer gut netzenden Flüs sigkeit ausgefüllt werden, deren Verdampfungspunkt oberhalb Raumtemperatur und bei oder unterhalb des Schmelzpunktes des Flussmittels liegt. Wird der Draht in diesem Zustand durch ein aus dem geschmolzenen Flussmittel bestehendes Bad geleitet, so verdampft die Flüssigkeit sofort, und der entstehende Leerraum wird schnell und gleichmässig von dem Flussmittel einge nommen.
Der am Drahtumfang hängenbleibende Über- fluss des Flussmittels wird durch eine Abstreifvorrich- tung beseitigt und der Draht sofort gekühlt. Ein weiteres Mittel zur Sicherstellung einer voll ständigen Füllung der kanalartigen Vertiefungen von aussen her bietet eine Beschallung des Drahtes oder des Flussmittelbades oder beider Teile. Die vorgenann ten Mittel können natürlich auch in beliebiger Kombi nation miteinander zur Anwendung gelangen.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Herstel lungsweise wird im nachstehenden beschrieben: Ein Massivdraht aus Lötzinn mit einem Durchmes ser von 1,5 mm wird durch eine oder vorzugsweise mehrere in verschiedenen Ebenen arbeitende Stichel vorrichtungen gemäss Fig. 8 und 9 geschickt. Die Zähne 10 des Werkzeuges 8 erzeugen im Nutenboden die von aussen nach innen konvergierenden kanalarti gen Vertiefungen 2 im Lötzinndraht 1.
Nach Passieren der Stichelungwerkzeuge passiert der Draht z. B. ein Alkoholbad, für das technischer denaturierter Spiritus Verwendung finden kann, dem unter Umständen noch ein Netzmittel von in gleichen Grenzen liegender Flüchtigkeit zugesetzt ist. Dabei fül len sich die kanalartigen Vertiefungen des Drahtes mit Spiritus. Der Draht wird in diesem Zustand durch ein durch Erwärmung verflüssigtes Flussmittelbad ge schickt. Als Flussmittel findet z. B. eine Mischung von Kolophonium oder synthetischem Harz mit Aktivato ren Verwendung, deren Erstarrungspunkt oberhalb von etwa 60 liegt und die unter Durchlaufen eines visko sen Zustandes unterhalb etwa 150 in einen leichtflüs sigen Zustand übergeht. Die Temperatur dieses leicht flüssigen Schmelzbades liegt zwischen 90 und 110 .
Bei Eintritt in das Flussmittelbad verdampft der Spiri tus momentan, und dafür füllt das Flussmittel die kanalartigen Vertiefungen praktisch vollständig aus. Dieser Vorgang kann noch durch eine Beschallung des Bades, des Drahtes oder beider unterstützt werden. Der Draht verlässt das Bad durch einen Abstreifer, durch den überschüssiges Flussmittel vom Draht abge streift wird und in das Bad zurückläuft. Sobald der Draht ausserhalb des Bades in den Bereich normaler Raumtemperatur gelangt und dabei zweckmässig noch zusätzlich gekühlt wird, beispielsweise durch Anblasen mit kühler Luft, erstarrt das Flussmittel in den Kanä len, so dass der Draht nunmehr gebrauchsfertig ist und in geeigneter Form aufgewickelt werden kann.
Der erfindungsgemässe Lötzinndraht verhindert das bisher unvermeidliche Spritzen sowie das zu starke Nachfliessen des durch die Erwärmung flüssig gewor denen Flussmittels insbesondere bei schnellen Lötfol- gen, welches bei bisher bekannten Röhrenlötzinndräh ten mit Flussmittelseele die Ursache dafür war, dass bei der Lötung vieler Lötstellen unmittelbar nachein ander nach einiger Zeit eine ungenügende Flussmittel- menge vorliegt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass auch bei schnellen Lötfolgen keinerlei Einschlüsse von Flussmitteln in der Lötperle erfolgen.
Der erfindungsgemässe Lötdraht ist für alle Löt- techniken zu verwenden. Erfindungsgemäss ist er be sonders vorteilhaft für die sogenannte einseitige Löt- technik geeignet, die z. B. bei der Lötung auf gedruck ten Schaltungen und in der Mikrotechnik verwendet wird.
Die einseitige Löttechnik besteht darin, dass sich der Lötdraht zu Beginn der Lötreaktion zwischen Löt stelle und Lötkolben befindet; durch die Hitze des Löt kolbens wird dann die benötigte Lötmenge auf d#'.e zu lötende Stelle aufgeschmolzen und dadurch gleichzeitig die für die Verlötung benötigte Wärmemenge durch die geschmolzene Lotmenge übertragen.
Als weiterer Vorteil, vorzugsweise bei Anwendung der zuletzt beschriebenen einseitigen Löttechnik, kann die Löttemperatur - bei gleicher Lötgeschwindigkeit bis zu 50 C gegenüber der Arbeitsweise mit den bis her bekannten Lötdrähten erniedrigt werden, wodurch das Löten von wärmeempfindlichen Bauteilen sehr er leichtert, ja manchmal erst ermöglicht wird.
Es kann zweckmässig sein, die Mündungen der mit Flussmittel gefüllten Kanäle nach Aussen durch eine Lackschicht abzuschliessen, sei es, um einen unbeab sichtigten Austritt des Flussmittels zu verhindern, sei es, um dieses gegen Luftzutritt oder Berührung von aussen zu schützen. Diese Lackschicht darf natürlich an der Luft nicht aushärten und muss analog dem Flussmittel im gleichen Temperaturbereich wie dieses fliessbar werden wie beispielsweise plastifiziertes Kolo phonium.