DE1957032A1

DE1957032A1 - Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1957032A1
Application number: DE19691957032
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: AU2190370A; GB1335544A; FR2069305A5; ES385492A1; ZA707482B; SE362663B

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, deren Auslauföffnung etwa in der Ebene der Badoberfläche liegt und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Mir 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 Kupferschaltdrähten bekannt oder vorgeschlagen worden, bei denen man das Ziel verfolgt, fest haftende, gleichmäßig dicke, gut lötfähige Zinnschichten auf Kupferdrähten zu schaffen. Man kann dazu den Kupferdraht sowohl vor dem Einführen in das Zinnbad als auch nach dem Austritt aus dem Zinnbad geeignet behandeln.

Bekannt ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 521 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 mit polygonem Querschnitt zu eineifüber den Umfang

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des Drahtes schwankenden, jedoch in den Sektoren gleichen mittleren Zinnschichtdicke zu verteilen und diese unmittelbar darauf mit einer Kalibrierdüse mit kreisförmigem Querschnitt zu gleichmäßiger Schichtdicke zu verformen.

Aus der englischen Patentschrift 921 755 ist es beispielsweise bekannt,eine Abstreifdüse auf der Oberfläche des Zinnbades anzuordnen. Diese Abstreifdüse besitzt eine Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt. Da bei der in der britischen Patentschrift 921 755 beschriebenen Vorrichtung der Draht das Zinnbad am Boden des Badegefäßes verläßt, soll mit dieser Abstreifdüse in erster linie ein Auslaufen des Zinnbades verhindert werden.

Den bekannten Verfahren haften noch Mängel in der laufenden Fertigung an. Vor allem treten noch Schichtdickenschwankungen auf und es ist schwierig, die Schichtdicke einzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.

Srfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß eine Abstreifdüse verwendet wird, deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen 2 konzentrischen Kreisen verläuft, die Radien der Kreise an den Radius des Drahtes angepaßt sind und auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren der konzentrischen Kreise 3-15 Halbwellen entfallen. Es kann eine Abstreifdüse mit 5 bis 8 Halbwellen pro Millimeter des Umfangs verwendet werden.

Die Abstreifdüse kann durch das Bad bis angenähert zur Badtemperatur erhitzt werden.

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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden verzinnte Kupferdrähte erhalten, die mit einer Zinnschieht 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 der 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 denen der Wellenzug verläuft, wird die Zinnschichtdicke festgelegt. Dabei lassen sich bei der Anpassung an den Drahtradius die Toleranzgrenzen für den Drahtradius berücksichtigen. Diese Einstellung der Zinnschichtdicke kann auch noch für hohe Drahtgeschwindigkeiten, d.h. für Drahtgeschwindigkeit.en oberhalb von 1 m/sek. vorgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich daher vielfältig und äußerst wirtschaftlich anwenden. Zu betonen ist, daß die profilierte Abstreifdüse unmittelbar auf der Badoberfläche aufliegt. Es werden daher keine Zinnoxide in die Zinnschieht des Drahtes eingeführt. Das Zinn, das sich unterhalb der Einlauföffnung der Abstreifdüse befindet, wird durch die vom laufenden Zinndraht mittransportierte Zinngrenzschicht laufend erneuert, da nur ein Teil dieser Grenzschicht in die Düse einläuft. Dadurch ist es auch nicht erforderlich, organische Substanzen, beispielsweise Öl als Abdeckmittel auf dem Zinnbad zu verwenden, wie es bei den bekannten Verfahren üblich ist. Die restliche Zinnbadoberlläche kann durch Eisenbleche abgedeckt werden. Ein Teil der freien Zinnbadoberfläche, der im Einlaufbereich deg Drahtes in das Zinnbad liegt, wird mit Holzkohle abgedeckt. Dadurch ist die mit der Luft reagierende freie Zinnschieht auf ein Minimum begrenzt. Anzuführen ist noch, daß keine Krackprodukte entstehen, da organische Substanzen,beispielsweise öl als Abdeckmittel vermieden sind. Solche Krack-

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produkte führen häufig zu einer Störung in der Zinnschicht. Vorteilhaft ist es auch, daß die Abstreifdüse nicht- getrennt vorgeheizt werden muß. Die Abstreifdüse wird unmittelbar durch das Zinnbad erhitzt und die Temperatur der Abstreifdüse liegt im Gleichgewichtszustand nahe an der Zinnbadtemperatur.

Die Lötbarkeit 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 Lot verwendet wird und eine Prüf temperatur von 235 ⁰C festgelegt. Der eingespannte Draht wird in die flüssige Lotperle eingetaucht und die Zeit gemessen, die verstreicht, bis der Lottropfen 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 automatischen Lötverfahren, z.B. für das Schwallöten oder das Hubtauchlöten,geeignet.

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 1 bis 10 /um, vorzugsweise 2,5 bis 5 /um größer ist als die obere Toleranzgröße 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 Wellehzug verläuft, 20 bis 80 /um, vorzugsweise 40 bns 60 /um beträgt.

Die den äußeren der konzentrischen Kreise berührenden Halbwellen des Wellenzuges können wenigstens angenähert kreisbogenförmig sein. Die Abstreifdüse kann aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall

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oder aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Die Abstreifdüse kann in einer Halterung angeordnet sein, die so ausgebildet ist, daß die Abstreifdüse in der Ebene der Badoberfläohe und in der Zugrichtung und entgegengesetzt zur Zugrichtung des Drahtes beweglich ist. Durch die Anordnung der Abstreifdüse in einer Halterung auf der Badoberfläche ist eine bequeme Bedienung und Handhabung beim Neueinfädeln des Drahtes,z.B. beim Wechseln der Rolle oder evtl. beim Abreißen des Drahtes innerhalb einer Rolle, sichergestellt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.

In Fig. 1 ist eine Dickverzinnungsanlage schematisch dargestellt. Der Kupferschaltdraht 1 läuft in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung von einer Abspülvorrichtung 2 ab. Br durchläuft zunächst in einem Glühofen 3 eine Wasserdampfatmosphäre bei 800 bis 900 ⁰C, in der seine Oberfläche gereinigt wird. Weiterhin erhält man im Glühofen 2 die geforderten Dehnungswerte von 27 bis 30 $>. Danach läuft der geglühte Draht 1 in ein Wasserbad 4 ein. Mit einer Trockenbürste 5 wird nach dem Wasserbad 4 das Wasser von der Oberfläche des Drahtes 1 abgestreift. Zur Beseitigung von Oberflächenschichten durchläuft der Kupferschaltdraht eine HCl-Beize 6 und läuft in das Zinnbad. 7 ein. Die HOl-Beize besteht aus einem mit Salzsäure gefüllten Tropfgefäß. Das Tropfgefäß ist über Abstreifern, die beispielsweise aus Pilz gefertigt sein können, angeordnet. Die Filzstreifen des Abstreifers 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, z.B. auch eine Oxidation an

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der Oberfläche zu vermeiden, ist das Zinnbad wenigstens im Bereich der Einlaufstelle des Drahtes 1 mit Holzkohle 9 abgedeckt.

Der aus dem Zinnbad 7 auslaufende Kupfer sch alt draht 1 ist durch eine Abstreifdüse 10 geführt, die in das Zinnbad 7 eintaucht und deren Auslauföffnung in der Ebene der Zinnbadoberfläche liegt. Auf die Vorteile dieser Anordnung, insbesondere die fehlende Verschmutzung durch Oxidationsprodukte im Bereich der Auslaufstelle des Drahtes 1 wurde bereits ausführlich hingewiesen. Nach Durchlaufen einer Kühlstrecke 11, in der der Draht 1 luftgekühlt wird, wird der Draht über Rollen 12 und 13 umgelenkt und zu einer Aufwickelvorrichtung geführt, die in der Pig. 1 nicht dargestellt ist.

Die Abstreifdüse 10 weist eine Bohrung mit einem Wellenprofil auf. Der innere Durchmesser der Bohrung und die Tiefe der Wellen ist dem Durchmesser des Kupferschaltdrahtes angepaßt. Bezüglich dieser Anpassung wird auf die spätere Figurenbeschreibung verwiesen. Die Abstreifdüse 10 wird durch das Zinnbad bis nahe an die Temperatur des Zinnbades erwärmt.

In Pig. 2 ist ein Schnitt durch eine Abstreifdüse 10 dargestellt, wobei in der Bohrung H der Abstreifdüse ein Kupferdraht 1 ebenfalls im Schnitt gezeigt ist. Die Bohrung 14 der Abstreifdüse 10 weist ein Wellenprofil auf. In der Fig. 2 sind zwei konzentrische Kreise 15 und 16 mit den Radien R.. und Rp eingezeichnet. Zwischen den konzentrischen Kreisen 15 und 16 verläuft der geschlossene Wellenzug 17. Der Wellenzug 17 besitzt pro Millimeter des Umfangs des inneren Kreises 15 zwischen 3 und 15, vorzugsweise 5 bis 8 Halbwellen. In der Fig. 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 Hablwellen, bezogen auf die Längeneinheit des Umfangs. Die Radien R₁ und Rg und damit die Tiefe (R₁ - R₂) der Halbwellen des

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Wellenzuges 17 sind an den Radius Rj. des Drahtes angepaßt. Für diese Anpassung sind die Toleranzgrenzen für den Drahtradius Rj, und die gewünschte Schichtdicke für die Verzinnung ausschlaggebend. Die Toleranzgrenzen für den Draht durchmess er Rj, gehen im wesentlichen in den Radius R₁ des inneren konzentrischen Kreises 15 ein. Dieser Radius muß so groß gewählt werden, daß beim Durchlaufen des Drahtes 1 sich das Wellenprofil nicht in die Drahtoberfläche eingräbt. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn der Radius R₁ 1 bis 10 /um, vorzugsweise 2,5 bis 5 /um größer als Rj, ist. Die Schichtdicke wird im wesentlichen durch die Tiefe (R- - R₀) der einzelnen Wellen und durch den Abstand der

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Wellenmaxima bzw. -minima, d.h. durch die Zahl der Halbwellen pro Millimeter des Umfangs.bestimmt.

In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Abstreifdüse 10 nach Fig. 2 dargestellt. Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die Halbwellen 17a, die den äußeren konzentrischen Kreis 16 berühren, vorzugsweise wenigstens angenähert halbkreisförmig sind. Der Radius r des einer Halbwelle 17a einbeschriebenen Kreises 18 und die Sehne c, die von den Schnittpunkten des Kreises 18 mit dem inneren konzentrischen Kreis 15 gebildet wird, sind neben der Differenz zwischen den'Durchmessern R₁ und Rp der konzentrischen Kreise 15 und 16 für die Schichtdicke ausschlaggebend. Der Radius r bzw. die Länge der Sehne c, wird durch die Anzahl der Halbwellen des Wellenzuges 17 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 Umfangs R₁ des Kreises 15 zwischen 3 und 15 liegen muß, wobei die Differenz R₁ - R£ zwischen den Radien R₁ und R2 der konzentrischen Kreise 15 und 16 von 20 bis 80 /um, vorzugsweise zwischen 40 und 60 /um variiert werden kann. Mit einer so bemessenen Abstreifdüse wird die auf dem Draht haftende Zinnschicht profiliert. Die anschließende Glättung wird durch die Oberflächenspannung

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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 Loteigenschaften des nach dem .erfindungsgemäßen Verfahren verzinnten Kupferschalt draht es.

ITm eine möglichst hohe Standfestigkeit der Abstreifdüse 10 zu erreichen, wird diese aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Zur Herstellung geht man von einer Abstreifdüse mit einer kreisförmigen Bohrung aus, deren Durchmesser 2 R₁ ist. Zur Herstellung einer Abstreifdüse gemäß Fig. 2 mit 8 Halbwellen für einen Drahtradius R^ von 0,25 mm wird die Düse in eine achteckige Haltevorrichtung eingespannt und ein Wolframdraht vom Durchmesser/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. Nach.Ausschleifen einer Halbwelle wird die Einspannvorrichtung auf die nächste Polygonfläche gestellt, so daß der Reihe nach alle kreisbogenförmigen Halbwellen eingearbeitet werden. Die scharfen Kanten werden anschließend durch Kachpolieren abgerundet. Für den speziellen Fall eines zu verzinnenden, 0,500 mm starken, Kupferdrahtes mit den Toleranzgren^en 0,497 bis 0,508 mm hat die profilierte Abstreifdüse mit 8 Halbwellen die folgenden Abmessungen: Radius R₁ 0,259 mm; Radius R₂ 9,284 mm. Bei der Dickverzinnung mit dieser profilierten Abstreifdüse, die in eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingesetzt ist, wurde ein Reinzinnbad mit der Temperatur 270 C verwendet.. Der Kupferschaltdraht hatte bei diesem Ausführungsbeispiel eine Durchlaufgeschwindigkeit von 1 m/sek. Es wurde eine gleichmäßige Zinnschichtdicke von 5 /um erhalten, diese mittlere

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Zinnschichtdicke wurde nach dem elektrochemischen Abtragungsverfahren gemessen. Die Gleichmäßigkeit der Zinnschichtdicke entlang des Drahtumfanges wurde an Querschliffen des verzinnten Drahtes lichtoptisch festgestellt.

Pig. 4 zeigt das Zinnbad 7 der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung. Das Zinnbad 7 ist in einem Gefäß 19 untergebracht und kann geheizt werden. Vorrichtungen zur Heizung sind in der Fig. nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren. Ebenfalls nicht dargestellt ist in der Fig. 4 die Abdeckung durch Holz- Λ kohle 9, die in Fig. 1 gezeigt ist. Der Kupferdraht 1 läuft in das Zinnbad 7 ein, wird mit der Umlenkrolle 8 umgelenkt und verläßt das Zinnbad wenigstens angenähert senkrecht. Die Abstreifdüse 10 ist so angeordnet, daß die AuslaufÖffnung 14a der Bohrung 14 sich etwa in der Höhe der Oberfläche des Zinnbades 7 be-findet. Die Einlauföffnung 14b ist also unterhalb der Badoberfläche angeordnet. In der Fig. 4 ist eine Halterung gezeigt, die aus einem Arm 20 und einer Runddose 21 besteht. Der Arm ist an einem nicht gezeigten Gestell befestigt. Die Runddose weist an ihrem Boden und an ihrem Deckel Öffnungen 22 und 23 auf, deren Durchmesser wesentlich kleiner als die Breite der Abstreifdüse 10 ist. Die Abstreifdüse 10 liegt im inneren der , Runddose 21 auf dem Boden auf und ist daher in der Ebene der §| Badoberflache nach allen Richtungen beweglich. Da die Entfernung vom Boden zum Deckel der Runddose 21 größer ist als ,die Dicke der Abstreifdüse 10, ist die Abstreifdüse auch in Zugrichtung des Drahtes 1 beweglich gehalten. Während des Betriebes der Vorrichtung wird sich die Abstreifdüse 10 infolge des Druckes der an ihrer EinlaufÖffnung 14b auf sie ausgeübt wird etwas vom Boden der Runddose 21 abheben. Bei plötzlichen Störungen, ist daher die Abstreifdüse 10 auch entgegengesetzt zur Zugrichtung des Drahtes 1 geringfügig beweglich. Auf die Vorteile ·

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dieser Halterung wurde bereits hingewiesen. Zu betonen ist noch., daß durch die Beweglichkeit der Abstreifdüse 10 ein Reißen des Drahtes während des Betriebes weitgehend vermieden wird.

10 Patentansprüche
4 figuren.

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- . 11 Patentansprüche , .

π .J Verfahren zum Herstellen von Zinnschichten oder Zinnlegierung sschichten 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, deren Auslauföffnung etwa in der Ebene der Badoberflache liegt, dadurch gekennzeichnet,, daß eine Abstreifdüse (10) verwendet wird, deren Bohrungsquer- ^ schnitt von einem WeHßnzug (17) begrenzt ist, wobei der WeI- Ψ lenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen (15 und 16) verläuft, die Radien der Kreise (R₁ und Rp) an den Radius des Drahtes (RO angepaßt sind und auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren der konzentrischen Kreise (15) 3 bis 15 Halbwellen (17a) entfallen..
2. Verfahren, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (10) mit 5 bis 8 Halbwellen (1.7a) pro Millimeter des Umfangs verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Abstreifdüse (10) durch das Bad (7) bis angenähert der A Badtemperatur erhitzt wird.
4-. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (10) vorgesehen ist, bei der der Radius (R^)des inneren der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug (17) verläuft, 1 bis 10 /um größer ist als die obere Toleranzgrenze für den Radius (Rj₃) des Drahtes.

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5. Vorrichtung nach. Anspruch 4* dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R-) des inneren der konzentrischen Kreise (15) 2,5 "bis 5 /um großer ist, als die obere Toleranzgrenze für den Radius des Drahtes (RjJ .
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach eineinjder Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstreifdüse (10) vorgesehen ist, bei der die Differenz (R₁ - R₂) zwischen den Radien des inneren (15) und des äußeren (16) der konzentrischen Kreise, zwischen denen der Wellenzug (17) verläuft, 20 bis 80 /um beträgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (R₁ - Rp) zwischen den Radien der konzentrischen Kreise (15 und 16) 20 bis 60 /um beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren der konzentrischen Kreise (16) berührenden Halbwellen (17a) des Wellenzuges (17) wenigstens angenähert kreisbogenförmig sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifdüse (10) aus Diamant, Rubin, einem Hartmetali oder aus rostfreiem Stahl hergestellt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifdüse (10) in einer Halterung (21) angeordnet ist, die so ausgebildet ist, daß die Abstreifdüse in der Ebene der Badoberfläche und in der Zugrichtung und entgegengesetzt zur Zugrichtung des Drahtes (1) beweglich ist.

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