DE2215934A1 - Verfahren zum Elektroplattieren von Aluminiumdraht - Google Patents

Description

PATENTANWALTS
Diving. KAH-S HUGCHKE

6fl

Telefonaktiebolaget LM Ericsson, Stockholm 32, Schweden

Verfahren zum Elektroplattieren von Aluminiumdraht

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Leiter, wie z.B. Drähte oder Kabeln. Im spezielleren bezieht sich die Erfindung auf Drähte oder Kabeln aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und auf Verfahren zur Herstellung solcher Drähte und Kabeln.

Aiselektrische Leiter verwendete Drähte und Kabeln sind hauptsächlich aus Kupfer hergestellt worden. Aus wirtschaftlichen Gründen ist in den letzten Jahren anstelle des teueren Kupfers Aluminium verwendet worden. Obwohl Aluminium preiswerter als Kupfer ist, hat Aluminium im Vergleich mit dem teueren Metall bestimmte Nachteile, wie z.B. schlechtere mechanische Eigenschaften und geringere Leitfähigkeit. Diese Nachteile scheinen jedoch in Kauf genommen worden zufsein. Die schwerwiegendsten Nachteile von Aluminium und Aluminiumlegierungen bestehen jedoch in der Bildung eines isolierenden Oxidfilms auf der Oberfläche in Verbindung mit der grossen Wärmeausdehnung und der geringen Kriech-

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ORIGINAL !M-SfSCTED

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festigkeit, wodurch es unmöglich ist, zuverlässige und bleibende Anschlüsse mit geringem Kontaktwiderstand in gewöhnlichen Verbindungsstücken, die für Kupferleiter verwendet werden, herzustellen.

Im allgemeinen werden elektrische Leiter in Drähten und Kabeln nicht mit Zinn gelötet, doch kann es in einigen Fällen erwünscht sein, dass es möglich ist, diese Leiter mit jedem anderen oder mit einem anderen Metall in einem Anschlußstück zu verlöten. In solchen Fällen hat ein Aluminiumdraht den Nachteil, dass er nicht leicht lötbar ist. Unter dem nachfolgend benutzten Ausdruck "Aluminium" sind Aluminiummetall und Aluminiumlegierungen zu verstehen.

Zur Erzielung von Aluminiumdraht, der die vorstehend angegebenen Nachteile nicht aufweist, ist Aluminiumdraht mit anderen Metallen, wie z.B. Kupfer, zur Herstellung von Aluminium-Metallbindungen überzogen worden. Diese überzogenen Drähte haben eine bessere Leitfähigkeit und stellen bessere Kontakte her. Solche Überzüge können durch Behandeln des Aluminiums mit dem Kupfermetall, so wie es in Texas Instruments Bulletin Nr. 516-TB, 25-468 beschrieben ist, hergestellt werden. Die Überzüge waren jedoch dicker, als es vom elektrischen Stpandpunkt aus erforderlich ist, wodurch sich die Kosten der überzogenen Drähte erhöhten. Es ist erwünscht, dass die Dicke des Überzugs etwa 1,5 bis 3,0 /um beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aluminiumdraht zu schaffen, der mit einem billigen, dünnen Überzug aus einem anderen Metall versehen ist.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Überzug aus einem Metall auf einem Aluminiumdraht zu schaffen, wobei der Überzug an das Aluminium fest gebunden ist und während des Gebrauchs insbesondere beim Reiben oder Schleifen oder bei einer Wärmebehandlung, nicht abgescheuert wird oder abblättert.

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Die Erfindung soll ausserdem einen Überzug auseinem Metall auf einem Aluminiumdraht zur Verfügung stellen, wobei dieser Überzug eine Dicke von etwa 1,5 bis 3,0 Aim hat.

Die Erfindung soll schliesslich ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumdrahts, der mit einem Metall überzogen ist, zur Verfügung stellen, aie oben beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgaben werden gemäss der Erfindung durch ein Verfahren zum Überziehen eines Aluminiumdrahtes mit einem Metall gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man

1) den Draht in Trichloräthylen oder einer starken wässrigen Natriumhydroxidlösung entfettet,

2) den Draht mit einer wässrigen Lösung von Fluorwasserstoff und Salzsäure behandelt und

3) den Draht mit einem Metall elektroplattiert, wobei der Elektrolyt ein Salz des Metalls, die Anode das Metall und die Kathode der Aluminiumdraht ist.

Bei Durchführung der Erfindung kann der Aluminiumdraht praktisch aus reinem Aluminiummetall oder aus einer geeigneten Aluminiumlegierung bestehen, wie z.B. aus

98,5 bis 99,8 % Aluminium und 1,5 bis 0,2 % Eisen, 99,1 % Aluminium, 0,75 % Eisen und 0,15 % Magnesium, 99,^5 % Aluminium, 0,40 % Kupfer und 0,15 % Magnesium.

Der Aluminiumdraht wird vorteilhafterweise vor der Säurebehandlung gereinigt, um irgendwelche metallischen oder andere Teilchen, die an ihm haften, zu entfernen und anschliessend irgendwelche Fette und Schmiermittel mit einem geeigneten Lösungsmittel, wie z.B. Dichloräthylen oder Tetrachlorkohlenstoff, zu lösen. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise flüchtig, so dass wenig Zeit zwischen der Lösungsmittelbehandlung und der nachfolgenden Säurebehandlung verstreicht.

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Die Säurebehandlung wird vorgenommen, indem der Draht durch eine wässrige Lösung geführt wird, die Fluorwasserstoffsäure und Salzsäure enthält. Die Lösung enthält geeigneterweise 3 bis 5 Gew,-Teile kmzentrierte Fluorwasserstoffsäure (48 #ig) und etwa 29 bis 30 Teile konzentrierte Salzsäure (37,9 #ige) sowie genügend Wasser, wie dem Rest bis zu 100 Gew.-Teilen entspricht. Vorzugsweise wird eine Lösung verwendet, die 4 Gew.-Teile 48 #ige Fluorwasserstoffsäure, 30 Gew.-Teile 37,9 #ige Salzsäure und 66 Gew.-Teile Wasser enthält. Die Säurebehandlung kann bei einer Temperatur von etwa 30 bis 40° C durchgeführt werden. Diese Behandlung dient dazu, den Aluminiumdraht zu ätzen und unterstützt die Ausbildung einer besseren Bindung zwischen dem Aluminium und dem Überzug.

Nach der Behandlung mit der Säure wird derDraht durch heisses Wasser geführt, um anhaftende Säure zu entfernen.

Der Aluminiumdraht wird dann durch einen wässrigen Elektrolyten geleitet, der ein oder mehrere Salze des Metalls oder der Metalle, die auf dem Aluminiumdraht als Überzug zwischen Anoden des Metalls abgeschieden werden sollen, enthält. Obwohl zahlreiche Salze als Elektrolyten dienen können, werden gemäss der Erfindung vorzugsweise die Fluoborat- oder Sulfamatsalze in Konzentrationen von etwa 200 bis 250 g/l verwendet. Ausserdem können dem Elektrolyten etwa 1 g/l von der freien Säure und auch von dem Metall zugegeben werden.

Der pH-Wert der Elektrolytlösung ist etwa 2 und kann innerhalb eines Bereichs von etwa 2 bis 2,5 schwanken.

Zu Metallen, die zum Überziehen von Aluminiumdraht verwendet werden, gehören Nickel, Kupfer, Zinn, Zink und Kadmium.

Das Elektroplattieren bzw. gTvanische Metallüberziehen kann bei einer Temperatur von etwa 30 bis 40° C vorgenommen werden, wenn de Elektrolyt Nickelfluoborat ist, und bei etwa 50 bis 60° C vorgenommen werden, wenn der Elektrolyt Nickelsulfarnat ist.

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Die Stromdichte und die Spannung können variiert werden, so dass sieslch den Bedingungen anpassen, unter denen das Verfahren durchgeführt wird. Es ist festgestellt worden, dass eine Stromdichte von etwa 20 A/dm~ und eine Spannung von etwa 6 Volt geeignet sind.

Im folgenden wird die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Die Art der Durchführung des Verfahrens der Erfindung wird in den Zeichnungen und dem nachfolgenden Beispiel erläutert.

Die Figur 1 gibt ein Fließschema des Verfahrens wieder, und die Figur 2 ist ein Querschnitt durch die Anlage entlang der Linie 2-2 von der Figur 1.

Die Bezugsziffer 10 bezeichnet die Anlage zur Durchführung des Überziehens.

Der Draht 9 wird zunächst in einer Trichloräthylenentfettungsanlage 11 entfettet und dann wiederholt, wie inder Figur 1 dargestellt ist, über zwei Blöcke aus angetriebenen Walzen 12, von denen wenigstens eine mit dem negativen Pol einer Oleichstromquelle verbunden ist, durch ein Säurebad Γ5 geführt, das ein Gemisch von Fluorwasserstoffsäure, Salzsäure und Wasser enthält. Diese Anwendung des Säurebads führt zu der erforderlichen vollständigen Bindung zwischen dem Draht und dem Niokelüberzug, wenn es, wie nachfolgend angegeben ist, zusammengesetzt ist und sorgfältig in einem eingestellten Zustand gehalten wird. Der Draht wird abgewischt und in fliessendem heissen Wasser 19 gewaschen, bevor er die beiden Walzen 14 passiert und dann in das Plattierungs- bzw. Galvanisierungsbad gelangt und dieses mehrmals über zwei Blöcke aus angetriebenen Walzen 15 durchläuft, und zwar jedesmal zwischen Metallanodenpaaren, wie z.B. Niokelanoden 17* die mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden sind. Der Draht wird wiederum abgewischt und in fliessendem heissen

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Wasser 20 gewasehen. Schliesslich wird der Draht über angetriebene Walzen 18 aufgespult.

Das Galvanisierungsbad kann entweder auf dem einen oder auf den beiden bekannten Fluoborat- bzw. Sulfamatprozessen basieren und muss hinsichtlich seiner Zusammensetzung ausgeglichen sein, um zu einer äusaerst feinkörnigen Struktur zu führen undbewirken zu können, dass der Überzug alle kleinen Pickelbildungen durchdringt, die in dem Säurebad entstanden sdn können. Zur Erzielung eines Produkts mit guter Qualität sind eine sorgfältige Kontrolle und Einstellung der Badtemperaturen und der Badzusammensetzungen erforderlich. Die Tatsache, dass die Pluoboat- und Sulfamatprozesse eine Aufrechterhaltung äusserst hoher Stromdichten in dem Galvanisierungsbad ermöglichen, und die Tatsache, dass aLle Walzensysteme angetrieben werden, erlauben die Durchführung des Verfahrens mit hoher Geschwindigkeit und geringen Kosten. "

Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht die Arbeitsbedingungen und die Grössenabmessungen der Anlagen zum Plattieren bzw. galvanischen Überziehen von Aluminiumdraht mit Nickel. Dieses Beispiel dient nur der Erläuterung der Erfindung und ist nicht als Begrenzung der Erfindung aufzufassen.

Beispiel

Länge des Säurebads: 4300 mm

Länge des Galvanisierungsbads: 4300 ram Länge des Heißwasserwaschbads: 4300 mm Länge des Drahtwegs in dem Säurebadt Etwa 80 m Länge des Drahtwegs in dem Galvanisierungsbad: Etwa 80 m Länge des Drahtwegs in dem HeliSwasserwasohbad: 4,3 m

Drahtgesohwindigkeit: Etwa 6 m/s

Zusammensetzung des Säurebads;

Fluorwasserstoffsäure (48 #ig) "4 Gew.-Ji

Salzsäure (37,9 Jiig) 30 Gew.-Ji

Destilliertes Wasser: 66 Gew.-%

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Zusammensetzung des Galvanisiernngsbads:

Nickelfluoborat: 683 g/l

Nickel: 172 g/l '

Freie Borsäure: 33 g/l

Betriebsbedingungen für das Säurebad:

Temperatur: 30 bis 40° C

Betriebsbedingungen für das Galvanisierungsbad:

Temperatur: 30 bis 4-0° C

pH-Wert: 2,0 (kolorimetrisch be

stimmt)

2 Stromdichte: Etwa 20 A/cm

Badspannung: Etwa 6 V

Anoden: Depolarisierte Nickel

platten

Im Umlauf befindliches Volumen des

Beiz- oder Säure- und Galvanisierungsbads: 500 1

Unter den angegebenen Bedingungen wird ein Aluminiumdraht mit βίο
nem Querschnittsbereich von 2,5 mm mit einem Nickelüberzug mit

einer Dicke von 1,5 /um überzogen.

Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Nickelüberzug als eine Schicht aus verbundenen Inseln ausgebildet, der vollständig die Aluminiumoberfläche bedeckt und durchdringt, so dass alle kleine Poren mit Nickel gefüllt sind. Dadurch wird eine sehr starke Bindung zwischen der Aluminiumoberfläche und dem N&kelüberzug erzielt.

Der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte nickelüberzogene Aluminiumdraht hat die gleichen ausgezeichneten Kontakteigenschaften wie ein Kupferdraht und kannauf die gleiche Weise wie Kupferdraht mit Zinn gelötet werden. Er kann zu kleineren Abmessungen verstreckt werden, ohne seine Kontakteigenschaften zu verlieren. Auch ein nachfolgendes Heißverzinnen kann mitausgezeichneten Ergebnissen vorgenommen werden, und der heißverzinnte Draht hat

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die gleiche glatte und glänzende Oberfläche wie heißverzinnter Kupferdraht.

Entsprechende Ergebnisse werden erzielt, wenn ein Sulfamatsalz anstelle eines Fluoborats und ein Metall, wie Kupfer, Zinn, Zink oder Kadmium, benutzt werden. Gewünschtenfalls können Gemische von zwei oder mehr Metallen angewendet werden.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. 2215334

   Patentan sprüchet

   /i ο ) Verfahren zum Elektroplattieren elektrischer Aluminiumleiter., insbesondere Drähte, mit wenigstens einem Metall, das Nickel, Kupfer, Zinn, Zink und Kadmium sein kann, dadurch gekennzeichnet, dass man

   1) den Draht durch ein aus einer wässrigen Lösung von Fluorwasserstoff und Salzsäure "bestehendes Säurebad führt und

   2) den Draht mit wenigstens einem der genannten Metalle elektroplat« tiert, indem man den Draht durch einen Elektrolyten leitet, der ein Fluoboratsalz und/oder ein Sulfamatsalz und wenigstens eines der genannten Metalle enthält, wobei man den Aluminiumdraht als Kathode und das gewählte Metall als Anode nimmto

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Säurebad aus 4 Gew»»-^ 48$iger Fluorwasserstoffsäure, 30 GeW₀-^ 37,9$iger Salzsäure und 66 Gew.-^ Wasser besteht«,

   3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gelmnzeichnet, dass der Aluminiumdraht aus im wesentlichen reinem Aluminium besteht«

   4· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumdraht aus einer Aluminiumlegierung mit den folgenden Zusammen« Setzungen

   98,5 bis 99,8 % Aluminium und 1,5 bis 0,2 <f₀ Eisen, 99,1 $ Aluminium, 0,75 f° Eisen und 0,15 fo Magnesium, 99,45 <fo Aluminium, 0,40 fi Kupfer und 0,15 <fo Magnesium besteht.

   -1ο-

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   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Nickel und der Elektrolyt Nickelfluoborat ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurah gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Temperatur von etwa 30 bis 40° C hat.

   7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Nickel und der Elektrolyt Nickelsulfamat ist.

   8. Verfahren nach Anspruch "J, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine Temperatur von etwa 50 bis 60° C hat.

   9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Säurebad eine Temperatur von etwa 30 bis 40° C hat.

   Dr.Ve./Br.

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