DE1957031A1

DE1957031A1 - Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten der Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1957031A1
Application number: DE19691957031
Authority: DE
Inventors: Henryk Dipl-Ing Fidos; Horst Dr Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1969-11-13
Publication date: 1971-05-19
Also published as: FR2069304A5; DE1957031B2; DE1957031C3; ZA707658B; CH570465A5; GB1335053A; US3692578A; CA935636A; SE359320B; ES385491A1

Description

Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierungsschichten auf-Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleichmäßigen Dicke >· 3 /um, bei dem der Draht ein Zinnbad oder Zinnlegierungsbad durchläuft und durch eine profilierte Abstreifdüse geführt wird, die in Abstand über der Badoberfläche angeordnet ist und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für eine einwandfreie Lötbarkeit dick verzinnter Kupferschaltdrähte ist eine Mindestschichtdicke von 3 /um Zinn oder Zinnlegierung an jeder Stelle des Drahtes erforderlich. Es sind bereits verschiedene Verzinnungsverfahren zum Herstellen von Kupfersehaltdrahten bekannt oder vorgeschlagen worden, bei denen man das Ziel verfolgt, festhaftende, gleichmäßig dicke,gut lötfähige Zinnschichten auf Kupferdrähten zu schaffen. Man kann dazu den Kupferdraht sowohl vor dein Einführen in das Zinnbad als auch nach dem Austritt aus dem Zinnbad geeignet behandeln.

Bekannt ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 521 487 zum Herstellen einer Zinnschicht der mittleren Dicke zwischen 3 und 10 /um auf Drähten aus Kupfer und Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen eine auf einen Draht mit kreisförmigem Querschnitt aufgebrachte Zinnschicht beim Durchgang durch eine Abstreifdüse von* polygonem Querschnitt zu einer über den Umfang des Drahtes schwankenden, jedoch in den Sektoren gleichen mittleren

109821/1675

VPA 69/1-209

— 2 —

Zinnschichtdicke zu verteilen und diese unmittelbar darauf mit einer Kalibrierdüse mit kreisförmigem Querschnitt .zu gleichmäßiger Schichtdicke zu verformen.

Aus der französischen Patentschrift 1 582 069 ist es beispielsweise bekannt, eine Abstreifdüse mit einer Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt in einer solchen Entfernung von der Oberfläche des Zinnbades oder des Bades aus einer überwiegend zinnhaltigen Legierung anzuordnen, daß die Abstreifdüse gerade innerhalb des Erstarrungsbereiches der Badkomponenten liegt.

Nach den bekannten Verfahren treten jedoch noch Schichtdickenschwankungen auf . Vor allem ist es schwierig, die Schichtdicke einzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst,,daß eine Abstreifdüse verwendet wird, deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen verläuft, die Radien der Kreise an den Radius des Drahtes angepaßt sind und auf jeden Millimeter des TTmfangs des inneren der konzentrischen Kreise etwa 3,5 bis 15 Halbwellen entfallen. Es kann eine Abstreifdüse mit 5 bis 8.Halbwellen pro Millimeter des Umfangs verwendet werden.

Vorteilhaft ist es, die Abstreifdüse zu beheizen. Bei einem Bad aus Reinzinn und einer Badtemperatur von 270 bis 280 ⁰O kann die Abstreifdüse auf 180 bis 220 ⁰G, vorzugsweise auf 200 °C erhitzt werden. Bei einem Bad aus einer SnPb 40 und einer Badtemperatiar von 240 bis 260 ⁰G kann die Abstreifdüse auf 160 bis 200 ⁰C, vorzugsweise auf 180 ⁰C erhitzt werden.

109821Π675

BAD ORIGINAL

YPA 69/1209 — 3 —

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden verzinnte Kupferdrähte erhalten, die mit einer Zinnschicht gleichmäßiger Dicke über den gesamten Umfang des Drahtes versehen sind. Durch die Geometrie der profilierten Abstreifdüse wird der Bernoullieffekt, der sogenannte hydrodynamische Druck, der bei Verwendung von Düsen mit kreisrundem Bohrungsquerschnitt zu asymmetrischen lagen des Drahtes innerhalb d-er Abstreifdüse und damit zu sichelförmigen Zinnschichten auf dem Kupferdraht führt, vermieden. Durch die Wahl der Wellenhöhe, d.h. durch die Wahl des Abstandes zwischen den beiden konzentrischen Kreisen, zwischen A denen der Wellenzug verlauft, wird die Zinnschichtdicke festgelegt. Dabei lassen sich bei der Anpassung an den Drahtdurchmesser die Toleranzgrenzen für den Draht durchmess er berücksichtigen, wodurch das erfindungsgemäße Verfahren eine vielfältige wirtschaftliche Anwendung erhält. Zu betonen ist, daß gegenüber düsenlosen Verfahren Badgeschwindigkeiten angewendet werden können, die größer als 0,2 m/sek. sind. Bei düsenlosen Verfahren führen solche Drahtgeschwindigkeiten zu Zinnschichten, die größer als 5 /um sind, was einen hohen, unwirtschaftlichen Zinnverbrauch bei der Verzinnung mit sich führt. Die Lotbarkeit der erfindungsgemäß verzinnten Kupferdrähte kann nach dem Lotkugeltest geprüft werden. Als Prüfbedingungen sind bei 0,5 mm Drahtdurchmesser, ein Lotkugelgewicht von 75 mg, falls SnPb 40 als jjj| Lot verwendet wird und eine Prüftemperatur von 235 ⁰G festgelegt. Der eingespannte Draht wird in die flüssige. Lotperle eingetaucht und die Zeit gemessen, die verstreicht, bis der Lot— tropfen den gesamten Draht umschlossen hat. Bei erfindungsgemäß verzinnten Drähten liegen diese Lötzeiten auch nach Alterung über mehrere Tage, z.B. durch Tempern, unter einer Sekunde, was eine hervorragende Lötbarkeit bedeutet. Wegen dieser guten LÖtbarkeit sind die erfindungsgemäß verzinnten Kupferdrähte auch für das Löten mit automatischem Lötverfahren, z.B. für das Schwallöten oder das Hubtauchlöten geeignet.

1 0982 Γ/167 5

VPA 69/1209

Bei einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der der Radius des inneren der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug verläuft, 0,5 bis 2,5 /um größer ist, als. die obere Toleranzgrenze für den Radius des Drahtes. Vorzugsweise ist eine Abstreifdüse vorgesehen, bei der die Differenz zwischen den Radien des inneren und des äußeren der konzentrischen Kreise zwischen denen der Wellenzug verläuft 10 bis 50 /um, vorzugsweise 20 bis 30 /um beträgt.

Die den äußeren der konzentrischen Kreise berührenden Halbwellen des Wellenzuges können wenigstens angenähert krelsbogenförmig sein. Die Abstreifdüse kann aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt sein.

Der Abstand zwischen Badoberfläche und der Abstreifdüse kann innerhalb des Erstarrungsbereiches des. Zinns oder der Zinnlegierung liegen. Der Abstand kann 200 bis 1200 mm, vorzugsweise 600 bis 800 mm betragen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

In i"ig. 1 ist eine Diekverzinnungsanlage schematisch dargestellt. Der Kupferschaltdraht 1 läuft in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung vonieiner Abspulvorrichtung 2 ab. Er durchläuft zunächst in einem Glühofen 3 eine Was s er damp fatmosphäre bei 800 bis 900 ⁰C, in der seine Oberfläche gereinigt wird; Danach läuft der geg-lühte. Draht 1 in ein Wasserbad 4 ein. Mit einer Trockenbürste 5 wird nach dem Wasserbad 4 das Wasser von der Oberfläche des.;Drahtes abgestreift. iZur Beseitigung von Oberflächenschichten durchläuft der Kupferschaltdraht eine

- 5 109821/1675 ^;

VPA 69/1209

HCl-Beize 6 und läuft in das Zinnbad 7 ein. Die HCl-Beize besteht aus einem mit Salzsäure gefüllten Tropfgefäß, das wie in der Fig. 1 gezeigt ist über Abstreifern, die beispielsweise aus Pilz gefertigt sein können, angeordnet ist. Die Abstreifer, über die der Draht 1 läuft, werden mittels der Tropfvorrichtung mit Salzsäure getränkt.

Im Zinnbad 7 wird der Draht -1 mit einer Umlenkrolle 8 umgelenkt und verläßt das Zinnbad wenigstens angenähert senkrecht. Um eine Verunreinigung des Zinnbades vor allem durch Oxidation an der Oberfläche zu vermeiden, ist das Zinnbad mit Holzkohle 9 und im Bereich der Auslaufstelle des Drahtes 1 mit einer Ölschicht 10 abgedeckt.

Der aus dem Zinnbad 7 auslaufende Kupferschaltdraht 1 ist durch eine Abstreifdüse 11 geführt, die in einem Abstand 1 über der Oberfläche des Zinnbades angeordnet ist. Das überschüssige Zinn, das von dem Draht 1 mitbewegt wird, wird durch die Abstreifdüse 11 beseitigt und nach Durchlaufen einer Kühlstrecke 12 wird der Draht über Rollen 13 und 14 umgelenkt und zu einer Aufwickelvorrichtung geführt, die in der Pig. 1 nicht dargestellt ist.

Die Abstreifdüse 11 weist eine Bohrung mit einem Wellenprofil auf. Der innere Durchmesser der Bohrung und die Tiefe der Wellen ist an den Durchmesser des Kupferschaltdrahtes angepaßt. Bezüglich dieser Anpassung wird auf die spätere Pigurenbeschreibung verwiesen. Die Abstreifdüse 11 ist beheizt und vorzugsweise in einem Abstand 1 über der Badoberfläche angeordnet, der in an sich bekannter Weise innerhalb des Erstarrungsbereiches des Zinns oder der Zinnlegierung des Bades 7 liegt. Bei einer Drahtgeschwindigkeit die größer als 1 m/sek. ist, beträgt der Abstand 200 bis 1200 mm, vorzugsweise 600 bis 800 mm. Eine Vor-

109821/1675

VPA 69/1209

richtung zum Beheizen der Abstreifdüse 11 ist um die Übersichtlichkeit zu wahren in Pig. 1 nicht eingezeichnet. Die Abstreifdüse kann elektrisch, beispielsweise mit einer Induktionsspule beheizt werden. Als günstig hat es sich erwiesen, bei einem Zinnbad, dessen Badtemperatur zwischen 270 und 280 ⁰C liegt eine Temperatur von 180 bis 220 ⁰C,vorzugsweise von 200 ⁰C und für ein Bad aus SnPb 40, dessen Temperatur zwischen 240 und 260 ⁰C liegt eine Temperatur von 160 bis 200 ⁰C, vorzugsweise 180 ⁰C für die Abstreifdüse 11 zu wählen.

In Pig. 2 ist ein Schnitt durch eine Abstreifdüse 11 dargestellt, wobei in der Bohrung 15 der Abstreifdüse ein Kupferdraht 1 ebenfalls im Schnitt gezeigt ist. Die Bohrung 15 der Abstreifdüse 11 weist ein Wellenprofil auf. In der Pig. 2 sind zwei konzentrische Kreise 16 und 17 mit den Radien R₁ und Rp eingezeichnet. Zwischen den konzentrischen Kreisen 16 und 17 verläuft der geschlossene Wellenzug 18. Der Wellenzug 18 besitzt pro Millimeter des Umfangs des inneren Kreises 16 zwischen 3,5 und 15, vorzugsweise 5. bis 8 Halbwellen. In der Pig. . 2 ist eine Abstreifdüse für einen Drahtradius R-^ von 0,25 mm dargestellt. Es ist ein Wellenzug mit 8 Halbwellen vorgesehen, dies entspricht etwa 5 Halbwellen,bezogen auf die Längeneinheit des Umfangs. Die Radien R₁ und Rp und damit die Tiefe R₁ - Rp der Halbwellen des Wellenzuges 18 sind an den Radius R^ des Drahtes angepaßt. Für diese Anpassung sind die Toleranzgrenzen für den Drahtradius R-Q und die gewünschte Schichtdicke für die Verzinnung ausschlaggebend. Die Toleranzgrenzen für den Drahtradius R-^ gehen im wesentlichen in den Radius R₁ des inneren konzentrischen Kreises 16 ein. Dieser Radius muß so groß gewählt werden, daß beim Durchlaufen des Drahtes sich das Wellenprofil nicht in die Draht— oberfläche eingräbt·. Günstig ist es, wenn R₁ 0,5 bis 2,5 /um größer ist, als die obere Toleranzgrenze für den Drahtradius R-p. Die Schichtdicke wird im wesentlichen durch die Tiefe (R₁ - Rp)

10 9 8 21/16 7

VPA 69/1209

der einzelnen Wellen und durch den Abstand der Wellenmaxima bzw. -minima bestimmt.

In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Abstreifdüse 11 nach Fig. 2 dargestellt. Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die Halbwellen 18a, die den äußeren konzentrischen Kreis 17 berühren, vorzugsweise wenigstens angenähert halbkreisförmig sind. Der Radius r des einer Halbwelle 18a einbeschriebenen Kreises und die Sehne c, die von den Schnittpunkten dieses Kreises 19 mit dem inneren konzentrischen Kreis 16 gebildet wird, sind neben der Differenz zwischen den Radien R₁ und Rp der konzentrischen Kreise 16 und 17 für die Schichtdicke ausschlaggebend. Der Radius r bzw. die Länge der Sehne c inrird durch die Anzahl der Halbwellen des Wellenzuges 18 bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß für eine Schichtdicke, die zwischen 3 /um und ungefähr 7 /um liegt, '. die Anzahl der Halbwellen pro Millimeter des Umfanges R- des Kreises 16 zwischen 3,5 und 15 liegen muß, wobei die Differenz R₁ - Rp zwischen den Radien R₁ und Rp der konzentrischen Kreise 16 und 17 von 10 bis 50 /um, vorzugsweise zwischen 20 und 30 /um variiert werden kann. Mit einer so bemessenen Abstreifdüse wird die auf dem Draht haftende Zinnschicht profiliert. Die anschließende erfolgende Glättung wird durch die Oberflächenspannung der profilierten Zinnschicht von selbst herbeigeführt, wobei durch die Form der Profilierung eine gleichmäßige mittlere Schichtdicke wenigstens angenähert konstanter Größe über den gesamten Drahtumfang erreicht wird. Damit erhält man die bereits geschilderten Vorzüge und die hervorragenden Löteigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verzinnten Kupferschaltdrahtes. ·

•Um eine möglichst hohe Standfestigkeit der Abstreifdüse 11 zu erreichen, wird diese aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Zur Herstellung geht man von

109821/1675

VPA 69/1209

einer Abstreifdüse mit einer kreisförmigen Bohrung aus, deren Durchmesser 2 R. ist. Zur Herstellung einer Abs tr eif düse gemäß Fig. 2 mit 8 Halbwellen für einen Drahtradius R₀ von 0,25 mm wird die Düse in eine 8-eckige Haltevorrichtung eingespannt und ein Wolframdraht vom Durchmesser r durch die Bohrung der Düse gefädelt und in einer exakten Führung hin- und herbewegt. Als Schleifmittel kann Diamantboard verwendet werden. Die Bearbeitung wird schrittweise durchgeführt und die Wellentiefe mikroskopisch ausgemessen. Nacheinander wird die Einspannvorrichtung auf die nächste Polygonfläche gestellt, so daß der Reihe nach die acht kreisbogenförmigen Halbwellen eingearbeitet werden. Die scharfen Kanten werden anschließend durch nachpolieren abgerundet. Für den speziellen Fall eines zu verzinnenden 0,500 mm starken Kupferschaltdrahtes mit den Toleranzgrenzen 0,497 bis 0,508 mm hat die profilierte Abstreifdüse die folgenden Abmessungen: Radius R.. 0,26 mm; Radius Rp 0,285 mm.Bei der Dickverzinnung mit dieser profilierten Abstreifdüse wurde ein Reinzinnbad der Temperatur 270 bis 280 ⁰C verwendet. Der Kupferschaltdraht hatte bei diesem Ausführungsbeispiel eine Durchlaufgeschwindigkeit von 1 m/sek. und die Temperatur der Abstreifdüse betrug 200 ⁰C. Der Abstand der profilierten Düsejvon der Badoberfläche lag zwischen 600 und 800 mm. Es wurde eine gleichmäßige Zinnschichtdicke erhalten, die sowohl durch galvanische Abtragung als auch in Querschliffen lichtoptisch bestimmt wurde. Die gemessene Zinnschichtdicke betrug 5 bis 6,5 /um.

16 Patentansprüche
3 Figuren

109821/1675

Claims

VPA 69/1209 ... - 9 Patentansprüche

ί1. 'Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegie-'""*' rungs schicht en auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleich-, mäßigen Dicke > 3 /um, bei dem der Draht ein Zinnbad oder Zinnlegierungsbad durchläuft, und durch eine profilierte Abstreifdüse "geführt wird, die in Abstand über der Badoberfläche angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (11) verwendet wird, deren Bohrungsquerschnitt M von einem Wellenzug (18) begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen (16 und 17) verläuft, die Radien (R- und ^) der Kreise an den Radius (Rj)) des Drahtes 1 angepaßt sind und auf jeden Millimeter des Umfnngs des inneren der konzentrischen Kreise (16) etwa 3,5 bis 15 Halbweilen (18a) entfallen. "
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (11) mit 5 bis 8 Halbwellen (18a) pro Millimeter des Umfangs verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abstreifdüse (11) beheizt wird* fj
4* Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bad aus Reinzinn und einer Badtemperatür von 270 bis 280 ⁰C die Abstreifdüse (11) auf 180,bis 220 ⁰O erhitzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifdüse (11) auf 200 ⁰O erhitzt wird.

-10

109821/1675

VPA 69/1209

- 10 -
6. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Bad aus SnPb 40 und einer Badtemperatur von 240 bis 260 ⁰C die Abstreifdüse (11) auf 160 bis 200 ⁰C erhitzt wird,
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifdüse (11) auf 180 ⁰C erhitzt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (11) vorgesehen ist, bei der der Radius (R₁) des inneren (16) der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug (18) verläuft 0,5 bis 2,5 /um größer ist als die obere Toleranzgrenze für den Radius (R«) des Drahtes (1).
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (11) vorgesehen ist, bei der die Differenz (R₁ - Rp) zwischen den Radien des inneren (16) und des äußeren (17) der konzentrischen Kreise zwischen der Wellenzug (18) verläuft 10 bis 50 /um beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Radien der konzentrischen Kreise (16 und 17) 20 bis 30 /um beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren der konzentrischen Kreise (17) berührenden Halbwellen (18a) des Wellenzuges (18) wenigstens angenähert kreisbogenförmig sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abstreifdüse (11) aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.

-U-109821/1675

VPA 69/1209

- 11 -
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Abstand (e) zwischen Badoberfläche und der Abstreifdüse (11) innerhalb, des Erstarrungsbereiches des Zinns oder der Zinnlegierung liegt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (1) 200 bis 1200 mm beträgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, ^ daß der Abstand (1) 600 bis 800 mm beträgt. ™
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Abstreifdüse (11) elektrisch beheizbar ist.

1098 21/167S

Leerseite