DE1627731C - Schichtmatenal zur Herstellung von elektrischen Leitern und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Schichtmatenal zur Herstellung von elektrischen Leitern und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
I 627 731
1 2
Die Erfindung 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 Behandlung
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-
materialien 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 Kunststoffklebern 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)-oxidfilm von irisierender, violettblauer Färbung
gepoltes Elektrolytkupfer oder sauerstofffreies Kup- 35 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 Vernetzungsmitteln 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 em 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 seinen einander geordnet werden, daß sie einander flächig gegenüberliegenden Rändern durch Überlappen oder gegenüberliegen, worauf . zwischen ihre erhitz-Heftcn 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 Kunststoff, beispielsweise 50 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 Weiß-' derer:;eits würde die Verwendung eines geschichteten 55 blech oder niedriggekohltem Stahl bestehen und eine Melallbandes für den rohrförmigen Außenleiter na-· Dicke von etwa 0,05 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.
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 em 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 seinen einander geordnet werden, daß sie einander flächig gegenüberliegenden Rändern durch Überlappen oder gegenüberliegen, worauf . zwischen ihre erhitz-Heftcn 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 Kunststoff, beispielsweise 50 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 Weiß-' derer:;eits würde die Verwendung eines geschichteten 55 blech oder niedriggekohltem Stahl bestehen und eine Melallbandes für den rohrförmigen Außenleiter na-· Dicke von etwa 0,05 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 Kupferleiler oder bei ' Der Erfindungsgegenstand wird beispielsweise
der Verbindung von Kupferblech mit einer relativ nachstehend an Hand der F i g. 1 und 2 der Zeich-
dicken nichtmetallischen Schicht aus faserglas- 65 nung beschrieben. Es zeigt
verstärktem Epoxyharz od. dgl. für Leiterplatten. Es Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrich-
ist bekannt, daß bei der Verwendung von Kupfer tung 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 Kunststoffolie
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 ernndungsgemäßen 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 F i g. 2 geht ohne
- weiteres hervor, daß die zur Erzielung optimaler Haftfestigkeiten erforderlichen Oxydationszeiten und
-iemperaturen in einer bestimmten Beziehung zueinander
stehen.
Prüfling Nr. |
Oxydationszelt | Oxydations temperatur |
Habftfestigkek |
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 λ hatte. Dabei hatte die Oberfläche eine charakteristische
Farbe, die allgemein als irisierendes
Violettblau beschrieben werden kann. Eine leichte rosa- oder lachsrote Färbung zciiit eine ungenügende
Oxydation an, während^ 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 Kunsistofluberzügen 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 lO°/oigen
Lösung von Ammoniumpersulfat eine Haftfestigkeit
von 553 g/cm. Die Behandlung in einer einfachen, 10"Zeigen Schwefelsäurelösung ergab nur eine Haft-,
festigkeit 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 Kunststoffilm 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 Schichtmetallcn, mit denen Kupfer nach dem erfindungsgcmüßen
Verfahren mit gutem Erfolg geschichtet werden kann, sind außer dem bereits erwähntcn
Weißblech niedriggekohltcr 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 Durchgänge 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 (4)
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)-oxidfilm
von irisierender, violettblauer Färbung und einer Dicke von in etwa 400 bis 500 A 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 Metallschichten
auf eine Temperatur von mindestens 2041· C erhitzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Family
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