DE1627731B1

DE1627731B1 - Schichtmaterial zur Herstellung von elektrischen Leitern und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1627731B1
Application number: DE19671627731
Authority: DE
Inventors: Howard Walter Pender
Original assignee: Chase Brass and Copper Co Inc
Current assignee: Chase Brass and Copper Co Inc
Priority date: 1966-09-13
Filing date: 1967-09-12
Publication date: 1970-12-23
Also published as: SE337877B; NL6712533A; GB1200367A; FR1542776A

Description

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Die Erfindimg betrifft ein Schichtmaterial zur der einschlägigen Technik gehen jedoch die Meinun-

Herstellung von elektrischen Leitern, wie z.B. Ko- gen in der Frage, welche Oberflächenbehandlung

axialkabeln, bestehend aus wenigstens zwei Metall- das Kupfer erfahren soll, weit auseinander. Die

schichten, von denen wenigstens eine aus Kupfer Vorschläge gehen von einem einfachen mechanischen

besteht, die mittels eines thermoplastischen Materials 5 Aufrauhen der Fläche zu verschiedenen Behandlun-

verbunden sind. Des weiteren bezieht sich die Er- gen, durch welche die Oberfläche oxydiert wird,

findung auf ein Verfahren zur Herstellung eines sol- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

chen Schichtmaterials. Schichtmaterial mit wenigstens einer Kupferschicht

Es ist bekannt, Verpackungsmaterialien aus einer zu schaffen, dessen Schichten ausreichend fest mit-

Metallfolie und einer dünnen Schicht aus Papier io einander verbunden sind und das sich wirtschaft-

oder Kunststoff herzustellen. Für Bauzwecke werden lieh herstellen läßt. Dabei sollen die Unterschiede

mit gutem Ergebnis Verbindungen aus Metall und zwischen den verschiedenen Metallen hinsichtlich

Sperrholz oder Metall und Asbestplatten verwendet. ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer Wirt-

Auch in der Elektroindustrie sind Schicht- schaftlichkeit in dem erhaltenen Schichtmaterial vor-

maierialien aus Kupferfolie oder Kupferblech und 15 teilhaft ausgenutzt werden. Insbesondere bezweckt

verschiedenen relativ dicken, elektrisch isolierenden die Erfindung das Verbinden von Kupfer in Form

Unterlagen für Leiterplatten bekannt. . von Bändern oder Folien mit kupferhaltigen oder

Eine Herstellung von Schichtmaterialien aus Me- kupferfreien Metallunterlagen.

tall durch direktes Verschweißen von Blechen ist Damit soll die Herstellung eines geschichteten

bei Verwendung von dünnen Blechen nicht möglich. 20 Metallbandes ermöglicht werden, das für die Her-

Man kann aber mit Hilfe von Klebstoffen auf Kunst- stellung von elektrischen Leitern geeignet ist und aus

stoff- bzw. Harzbasis die Bleche derart dauerhaft einer relativ dünnen Schicht aus Kupfer besteht,

miteinander verbinden, daß die erhaltenen Schicht- die mit einem tragenden Metallband aus blankem

materialien bearbeitet werden können. oder zinnüberzogenem Kohlenstoffstahl, Aluminium

Die direkte Verbindung von metallischen Schich- 25 od. dgl. verklebt ist, so daß die dünne Kupferschicht

ten mittels Kunststoffidebern wirft zahlreiche Pro- die von dem Leiter geforderten elektrischen Eigen-

bleme auf, insbesondere bei der Massenproduktion. schäften aufweist, während die mechanische Gesamt-

Die Zerstörung der Verbindung, die Blasenbildung festigkeit auf das kupferfreie Metallsubstrat zurück-

und die Korrosion sind nur einige der Erscheinun- zuführen ist.

gen, die zur Trennung der Schichten voneinander 30 Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß führen. Meist ist das Schichtmaterial für eine me- vorgeschlagen, daß bei dem'Schichtmaterial der einchanische Verarbeitung nicht geeignet. Diese Nach- --gangs-genannten Art-die Kupferschicht auf ihrer teile zeigen sich besonders dann, wenn eine der . Berührungsfläche einen thermisch gebildeten Kup-Metallschichten Kupfer ist, beispielsweise zäh- fer(I)-öxidfilm von irisierender, violettblauer Färbung gepoltes Elektrolytkupfer oder sauerstofffreies Kup- 3*5 und einer Dicke von in etwa 400 bis 500 A aufweist fer, das als elektrischer Leiter in Koaxialkabeln für und daß das thermoplastische Material aus einem Fernmeldezwecke verwendet werden soll. Anderer- Mischpolymerisatharz aus Acrylsäure und Polyäthyseits lassen die relativ hohen Kosten und das geringe len mit metallischen Vemetzungsmitteln besteht und Angebot von Kupfer die Verwendung von Schicht- eine Dicke von wenigstens 0,025 mm aufweist,
materialien als besonders zweckmäßig erscheinen. 40 Das Verfahren zur Herstellung dieses Schicht-Ein aus Schichtmaterial gefertigtes Koaxialkabel be- materials ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der sitzt einen Außenleiter, bei dessen Herstellung Oberfläche der Kupferschicht auf thermischem Weg Kupferstreifen wendelförmig um einen Dorn ge- ein Kupfer(I)-oxidfilm gebildet wird, daß die Oberwickelt werden, so daß ein Rohr erhalten wird, oder fläche der miteinander zu verbindenden Schichten ein Kupferstreifen um einen in Längsrichtung an- 45 erhitzt und die Schichten- anschließend so angeordneten Dorn gebogen und an semen einander .geordnet werden, daß sie einander flächig gegenüberliegenden Rändern durch Überlappen oder gegenüberliegen, worauf zwischen ihre erhitz-Heften eine axiale Verbindungsnaht gebildet wird. ten Oberflächen eine Folie aus einem thermo-Die ganze Anordnung wird dann mit einem ge- plastischen Material eingebracht und die Schichten spritztem Schlauch 'aus Künststoff, beispielsweise 5° zwecks Verklebung miteinander zusammengepreßt Polyäthylen od. dgl., umgeben. Infolge der hohen werden, solange sich die Oberflächen im erhitzten elektrischen und mechanischen Anforderungen, die Zustand befinden. Vorzugsweise soll hierbei die an ein Koaxialkabel zu stellen sind, ist jede Kupferschicht _ eine Dicke, von mindestens etwa Qualitätsminderung des Leiters zu vermeiden. An- 0,05 mm haben und die andere Schicht aus Weißdererseiis würde die Verwendung eines geschichteten 55 blech oder "niedriggekohliem Stahl bestehen und eine Metallbandes für den rohrförmigen Außenleiter na- Dicke von etwa_f0,05 bis 0,3 mm haben. Weiterhin türlich nicht nur zu einer höheren Wirtschaftlichkeit, ist zweckmäßig, wenn die zu.verbindenden Metallsondern auch zu besseren mechanischen Eigen- schichten auf eine Temperatur von mindestens schäften führen. ■ - 204° C erhitzt ^werden.

Brauchbare Ergebnisse hat man weniger bei der 60 Das erfindungsgemäß hergestellte Schichtmaterial Verbindung von Metallschichten miteinander erzielt, zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Schälais vor allem bei der Verbindung eines dicken Man- festigkeit aus.

tels aus Polyäthylen mit einem Kupferleiter oder bei Der Erfindungsgegenstand wird beispielsweise der Verbindung von Kupferblech mit einer relativ nachstehend an Hand der Fig. 1 und 2 der Zeichdicken nichtmetallischen Schicht aus faserglas- 65 nung beschrieben. Es zeigt

verstärktem Epoxyharz od. dgl. für Leiterplatten. Es F i g. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrich-

ist bekannt, daß bei der Verwendung von Kupfer tang zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

dessen Oberflächenbearbeitung sehr wichtig ist. In fahrens und

F i g. 2 ein Diagramm, aus dem die Abhängigkeit der Oxydationszeit von der Temperatur der Kupferschicht und die erhaltene Haltfestigkeit zu entnehmen sind.

Das in Fig. 1 gezeigte Verfahrensschema stellt eine Anlage zum Verkleben eines Kupferbandes mit einem Metallband, beispielsweise aus Weißblech oder niedriggekohltem Stahl, dar. Das Kupferband 10 wird in gereinigtem und entfettetem Zustand von einer Vorratsrolle 12 abgezogen und läuft durch einen Oxydationsofen 14. Das aus dem Ofen austretende, oxydierte Kupferband wird sofort in den Spalt zwischen zwei Druckwalzen 16 eingeführt. Das Metallband 18 wird ebenfalls in vorgereinigtem und entfettetem Zustand'von einer Rolle 20 abgezogen und einem Vorwärmofen 22 zugeführt, von dem das vorgewärmte Band direkt dem Spalt zwischen den Walzen 16 zugeführt wird. Das plastische Kunststoff-Bindemittel wird in Form einer Folie 26 von einer Rolle 24 abgezogen und zwischen dem vorgewärmten Kupferband 10 und dem Metallband 18 in den Spalt zwischen den Walzen 16 eingeführt. Unter dem Druck der Walzen 16 werden die Bandmaterialien zu einem Metall-Metall-Schichtmaterial 28 miteinander verbunden, das über Spannwalzen 29 der Aufwickelrolle 30 zugeführt wird.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, auch auf eine oder beide, der Außenflächen des Schichtmaterials einen Überzug aus einem Kunststoffilm aufzubringen. Zu diesem Zweck kann eine Kunst- 30: stoffolie von Rollen 32, 34, die im Bereich der Druckwalzen 16 angeordnet sind, einer oder beiden Seiten des geschichteten Bandes 28 zugeführt werden.

Die Oberflächenbehandlung der Kupferschicht vor ihrer Einführung in den Spalt zwischen den Druckwalzen 16 ist für die Erzielung einer geeigneten Klebeverbindung mit einer Metallschicht entscheidend. Es hat sich gezeigt, daß praktisch brauchbare Haltfestigkeiten erzielt werden, wenn sich die Oberfläche des Kupfers in einem bestimmten Zustand befindet. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kupferoberfläche thermisch oxydiert, indem das unbehandelte Kupferband 10 durch den Ofen 12 geführt wird und dabei auf einer oder beiden Flächen einen Oxydfilm erhält. Der für diesen Zweck verwendete Ofen kann mit einer Gasfeuerung versehen sein. Vorzugsweise ist er jedoch mit Heizelementen nach Art von Natriumdampf-Quarzlampen ausgestattet.

Die Bedeutung der Oberflächenbehandlung des Kupfers geht aus der Tabelle hervor, in der die Haftoder Schälfestigkeit eines Schichtstoffes aus 0,08 mm starkem Kupfer und 0,25 mm starkem Weißblech hinsichtlich der Dauer und der Temperatur unterschiedlichen Oxydationsbehandlungen des Kupferbandes angegeben sind. Aus den Angaben der Tabelle und dem Diagramm der Fi g. 2 geht ohne weiteres hervor, daß die zur Erzielung optimaler Haftfestigkeiten erforderlichen Oxydationszeiten und -temperaturen in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen.

Prüfling Nr.	Oxydationszeit	Oxydations temperatur	Haftfestigkeit
	Sekunden	⁰C	kg'cm Breite
1	30	204	0
2	60	204 -	^: 2,3
3	15	232	1,35
4	30	' 232	2,6 --
5	60	232-	1,2
6	■ 15	260	2,0
7	30	260	1,45
8	60	260	0
9	15	■ 288	2,15
10	30	288	0
11	60	288	0
12	15	315	0
13	30	315	0
14	60	■'■ 315	0

"· Die Haftfestigkeit zwischen den Lagen des geschichteten Bandes 28 wird zweckmäßig mittels der Schälprüfung festgestellt. Dabei wird ein Rand eines von dem geschichteten Band 28 abgeschnittenen Prüflings so weit aufgetrennt, daß an die einzelnen Metallschichten Klammern angesetzt werden können, worauf der Prüfling in eine Zerreißprüfmaschine eingesetzt wird, in der die Schichten unter einem Winkel von 180° auseinandergezogen werden. Der dieser Trennung entgegengesetzte Widerstand wird dann in Kilogramm pro Zentimeter Bandbreite berechnet.

■ Eine optimale Haftfestigkeit wurde erzielt, wenn der auf dem Kupferband gebildete Oberflächenüberzug nicht aus Kupfer(II)-oxyd,- sondern aus Kupfer(I)-oxyd bestand und eine Dicke von 400 bis 500 Ä hatte. Dabei hatte die Oberfläche eine charakteristische Farbe, die allgemein als irisierendes Violettblau beschrieben werden kann. Eine leichte rosa- oder lachsrote Färbung zeigt eine ungenügende Oxydation an, wahrend eine silberige oder silbergraue Farbe den Übergang zur Überoxydation anzeigt. Eine schwarze Färbung ist ein klares Zeichen einer zu starken Oxydation.

Es ist bereits bekannt, bei der Verbindung von Kunststoffüberzügen mit Kupfer auf dem Kupfer verschiedene Oxydschichten zu bilden. Dabei wurde auch eine chemische Oxydation des Kupfers vor-

geschlagen. Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Arbeiten hat es sich jedoch gezeigt, daß mit einer chemischen Oxydation des Kupfers nicht so hohe Haftfestigkeiten erzielt werden können wie gemäß

der Erfindung. Beispielsweise erhielt man bei der Oxydation eines Kupferbandes durch eine Behandlung in einer Lösung von Schwefelsäure mit einem Gehalt von 10 % Natriumbichromat eine Haftfestigkeit von nur 607 g/cm und mit einer 10%igen Lösung von Animoniumpersulfat eine Haftfestigkeit von 553 g/cm. Die Behandlung in einer einfachen 10°/oigen Schwefelsäurelösung ergab nur eine Haftfestigkeit von 375 g/cm. Mit Hilfe einer oxydierend wirkenden Lösung aus Phosphor-, Essig- und Salpetersäure kann man ähnliche Haftfestigkeiten erzielen wie gemäß der Erfindung, doch wird bei der Verwendung einer derartigen Lösung das Kupfer leicht derart angegriffen, so daß seine Eigenschaften nachteilig beeinflußt werden. Dies gilt besonders, wenn das Kupfer in Form einer sehr dünnen Folie von etwa 0,08 mm Dicke verwendet wird, das bei den meisten derzeit bekannten Anwendungsfällen des erfindungsgemäßen geschichteten Bandes erforderlich ist. Die mechanischen und chemischen Eigenschaften so dünner Kupferfolien sind aber besonders bei ihrer Verwendung für elektrotechnische Zwecke wichtig. Unter bestimmten Bedingungen kann man eine angemessene gute Haftfestigkeit auch durch eine mechanische Behandlung der Kupferoberfläche erzielen, besonders wenn man Bimsstein als Schleifmittel verwendet. Eine einheitliche Behandlung der ganzen Oberfläche des Kupferbandes ist dabei jedoch so schwierig, besonders bei einer mit hohen Arbeitsgeschwindigkeiten durchgeführten, technischen Produktion, daß eine derartige Behandlung praktisch nicht anwendbar ist.

Es hat sich gezeigt, daß auch die Wahl des für die Verbindung verwendeten Kunstharzes entscheidend ist. Am besten haben sich in Folienform vorliegende ionische Harze bewährt, die aus einem Mischpolymerisat aus Acryl- oder Methacrylsäure und Äthylen bestehen. Ein im Handel erhältliches Polymerisat dieser Art zeichnet sich durch die Anwesenheit von metallischen Vernetzungsmitteln, gewöhnlich aus Alkalimetallen oder Erdalkalimetallen, aber auch aus Zink oder Aluminium aus. In dem vorliegenden Fall erzielte man mit Zink die besten Ergebnisse.

Die in der Tabelle angegebenen Haftfestigkeiten wurden bei der Verwendung des Kunststoffklebers in einer Dicke von etwa 0,05 mm erzielt. Wenn man den Kunststoffihn in zwei Schichten mit einer Gesamtdicke von etwa 0,1 bis 0,13 mm verwendet und diese zwei Schichten gleichzeitig in den Spalt zwischen den Druckwalzen einführt, erhält man etwa doppelt so hohe Schälfestigkeiten wie in der Tabelle. Befriedigende Haftfestigkeiten werden mit Harzfilmen in einem Dickenbereich von mindestens etwa 0,025 mm bis etwas über 0,13 mm erhalten.

Eine besondere Vorbehandlung des anderen, mit der Kupferschicht zu verklebenden Schichtmetalle ist nur dann erforderlich, wenn es ebenfalls aus Kupfer besteht. Wenn dieses Band aus einem anderen Metall besteht, ist es natürlich empfehlenswert, es in der üblichen Weise zu reinigen und zu entfetten. Die Haftfestigkeit ist jedoch von einer sorgfältigen Vorbereitung dieser Oberfläche bei weitem nicht so abhängig wie bei dem Kupferband. Beispiele von Schichtmetallen, mit denen Kupfer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit gutem Erfolg geschichtet werden kann, sind außer dem bereits erwähnten Weißblech niedriggekohlter Stahl, Aluminium und nichtrostender Stahl. Die Lage des Schichtmetalls kann eine Dicke von 0,05 mm bis über 0,25 mm haben.

Beim Verkleben ist es sehr wichtig, daß die Temperatur der beiden Metallschichten bei ihrem Eintritt in den Spalt zwischen den Druckwalzen 16 mindestens etwa 204° C beträgt. Für diese gleichmäßige Erzielung hoher Haftfestigkeiten ist diese Vorerhitzung der Bänder wesentlich.

ίο Wenn man die vorstehenden Angaben hinsichtlich der Vorerwärmtemperatur und der Vorbereitung der Oberfläche der Kupferschicht befolgt, ist die Geschwindigkeit, mit der die Lagen in den Spalt zwischen den Walzen eingeführt und miteinander verklebt werden, nicht kritisch. Der die Produktionsgeschwindigkeit maßgebend bestimmende Faktor ist gewöhnlich die Geschwindigkeit der Bewegung des Kupferbandes durch den Oxydationsofen. Diese ist von der Länge des Ofens, der Anzahl der Durch-

?a gänge des Kupferbandes durch den Ofen und der Temperatur abhängig.

Es ist auch möglich, Schichtstoffe mit mehr als zwei Metallschichten herzustellen, beispielsweise ein Schichtmaterial aus Kupfer—Weißblech—Kupfer.

Versuche mit bis zu sieben Schichten wurden mit gutem Erfolg durchgeführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Schichtmaterial zur Herstellung von elektrischen Leitern, wie z. B. Koaxialkabeln, bestehend aus wenigstens zwei Metallschichten, von denen wenigstens eine aus Kupfer besteht, die mittels eines thermoplastischen Materials verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht auf ihrer Berührungsfläche einen thermisch gebildeten Kupfer(I)-oxidfihn von irisierender, violettblauer Färbung und einer Dicke von in etwa 400 bis 500 Ä aufweist und daß das thermoplastische Material aus einem Mischpolymerisatharz aus Acrylsäure und Polyäthylen mit metallischen Vernetzungsmitteln besteht und eine Dicke von wenigstens 0,025 mm aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Schichtmaterials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Kupferschicht auf thermischem Weg ein Kupfer(I)-oxidfilm gebildet wird, daß die Oberfläche der miteinander zu verbindenden Schichten erhitzt und die Schichten anschließend so angeordnet werden, daß sie einander flächig gegenüberliegen, worauf zwischen ihre erhitzten Oberflächen eine Folie aus einem thermoplastischen Material eingebracht und die Schichten zwecks Verklebung miteinander zusammengepreßt werden, solange sich die Oberflächen im erhitzten Zustand befinden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht eine Dicke von mindestens etwa 0,05 mm hat und die andere Schicht aus Weißbleck oder niedriggekohltem Stahl besteht und eine Dicke von etwa 0,05 bis 0,3 mm hat.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Metallschiehten auf eine Temperatur von mindestens 204° C erhitzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen