DE2356351A1

DE2356351A1 - Feuerverzinnter draht fuer elektrotechnische zwecke und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2356351A1
Application number: DE2356351A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Friedrich; Horst Prof Dr Techn Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1973-11-12
Publication date: 1975-05-28
Also published as: NL7411796A; ZA747040B; FR2250829B1; IT1025569B; US4014660A; GB1489362A; JPS5079438A; CH601488A5; SE7414063L; FR2250829A1; DE2356351C3; DE2356351B2; USB519680I5

Description

Feuerverzinnter Draht für elektrotechnische Zwecke und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen feuerverzinnten Draht für elektrotechnische Zwecke aus Kupfer oder Kupferlegierungen mit einem zweischichtigen Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen. ·

Die FeuerVerzinnung von Kupferschaltdrahten hat das Ziel, die Drähte mit einem festhaftenden Überzug aus Zinn od er Zinnlegierungen zu versehen, so daß bei automatischen Lötverfahren mit Lötzeiten von etwa 1 Sekunde eine einwandfreie und sichere Lötung gewährleistet ist. Frisch verzinnte Kupferschaltdrähte erfüllen diese Forderung im allgemeinen. Nach längerer Lagerzeit nimmt die Lötbarkeit der Kupferschaltdrähte jedoch stark ab und infolgedessen erhöhen sich die Lötzeiten bis auf Werte über 20 Sekunden. Diese Abnahme der Lötbarkeit ist auf die Bildung einer vom Lot nicht oder nur schlecht benetzbaren CxuSn-Phase zurückzuführen, die an der Grenze zwischen Kupfer und Zinn entsteht und deren Kristallite dünne Zinnüberzüge durchwachsen. Insbesondere bei Drähten mit exzentrisch aufgetragenen Überzügen dringt die Cu^Sn-Phase im Bereich der geringsten Dicke des Überzuges sehr rasch an die Oberfläche vor.

Es wurden daher bereits verschiedene Versuche unternommen, ein Vordringen der Cu^Sn-Phase an die Oberfläche eines feuerverzinnten Drahtes zu verzögern. Dabei war man zunächst bemüht, möglichst gleichmäßig dicke Überzüge mit Slindeatschichtdicken zwischen 3 .und 10 μπι zu erzeugen. Aus der DIEGOS 1 957 032 i at' e's beispielsweise bekannt, den schmelzflüssigen Zinnüberzug ·

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eines Drahtes mit Hilfe einer Abstreifdüse, deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, zu profilieren. 'Die anschließende Glättung und gleichmäßige Verteilung des · Zinns stellt sich, dann durch die Oberflächenspannung von selbst ein. Aus der DT-PS 1 621 338 ist es andererseits bekannt, die Benetzbarkeit eines Drahtes durch einen dünnen ersten Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen zu verbessern und anschließend einen dickeren zweiten Überzug gleichmäßig aufzubringen. Die Bildung und das Vordringen der Cu~Sn-Phäse wird durch die Feuerdickverzinnung mit zentrisch und gleichmäßig aufgebrachten Überzügen jedoch nicht gebremst. Lediglich der Durchbruch der Gu^Sn-Phase an die Oberfläche wird durch den größeren Zinnaufwand, d.h. durch größere Wege bei gleicher Diffusionsgeschwindigkeit verzögert. Außerdem läßt sich eine gute Zentrizität der Überzüge bei der Feuerverzinnung mit Drahtgeschwindigkeiten oberhalb 1,5 m/s nur unvollkommen realisieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen feuerverzinnten Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen zu schaffen, bei welchem die Bildung und das Vordringen einer Cu^Sn-Phase wirksam gebremst wird und bei welchem nach einer Wärme-Zeit-Beanspruchung zwischen 4 und 96 Stunden bei 155°C an Luft eine gute Lötbarkeit nach dem Lotkugeltest (DIIT 40046 Bl.18) mit Umschließungszeiten unter 2 Sekunden gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem feuerverzinnten Draht der eingangs genannten Art eine innenliegende erste Überzugsschicht eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μια aufweist und aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil zwischen 2 und 10 Gew. -fa Bi oder aus einer SnWi-Legierung mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.-^ Ki besteht und daß eine außenliegende zweite Überzugsschicht eine Dicke zwischen 1 und 4 μπι aufweist und aus Reinzinn oder einer SnPb-Legierung besteht.

Vorzugsweise weist die erste Überzugsschicht eine Dicke von 1 μιη und die zweite Überzugsschicht eine Dicke von 2 μια auf. ·

Als· erste Überzugsschicht eignet sich besonders eine SnBi-Le-

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gierung mit einem Anteil von 5 Gew.-?£ Bi oder eine SnNi-Legierung mit einem Anteil von 0,5 Gew.-^ Ni. Bei der Verwendung von SnPb-Legierungen für die zweite Überzugsschicht eignen sich besonders solche Legierungen mit einem Anteil zwischen 40 und 70 Gew.-# Pb.

Der erfindungsgemäße feuerverzinnte Draht wird gemäß weiterer Erfindung dadurch hergestellt, daß die erste Überzugsschicht in einem ersten Zinnlegierungsbad aufgetragen, in einem ersten Abstreiforgan kalibriert und in einer ersten Kühlstrecke bis zu ihrer vollständigen Erstarrung abgekühlt wird und daß dann die zweite Überzugsschicht in einem zweiten Zinn- oder Zinnlegierungsbad aufgetragen, in einem zweiten Abstreiforgan kalibriert und in einer zweiten Kühlstrecke bis zu ihrer vollständigen Erstarrung abgekühlt wird.

Wie bereits erwähnt wurde, bildet sich bei feuerverzinnten Drähten an der Grenze zwischen Kupfer und Zinn eine Gu.,3n-Phase, die an die Oberfläche der Zinnschicht vordringt und von einem Lot nicht oder nur schlecht benetzt wird. Neben dieser Ou^Sn-Phase bildet sich auch eine OUgSn₁--Phase,' die die Lötbarkeit des Drahtes jedoch nur geringfügig verschlechtert. Das mengenmäßige Verhältnis dieser beiden Phasen zueinander und ihre Ausdehnung im Bereich der Überzugsschicht hängt dabei vom jeweiligen Stand der Wärme/Zeit-Beanspruchung des Drahtes ab. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß auf Kupfer oder·Kupferlegierungen aufgebrachte Schichten aus SnBi-Legierungen mit einem Anteil zwischen 2 und 10 Gew. -$> Bi oder aus SnNi-Legierungen mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.-$ Ni das Wachstum einer Cu,3n-Phase in erheblichem Maße verzögern. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß die Diffusionskoeffizienten in den Systemen SnBi/Cu und SnNi/Ou bei Temperaturen bis etwa 200⁰C wesentlich niedriger sind als beispielsweise der Diffusionskoeffizient im System Sn/Cu. Erhält ein Draht einen zweischichtigen Überzug, bei welchem die erste Überzugsschicht aus einer der genannten Legierungen besteht, so wird die Diffusion und damit das Cu.on-Phasenwachstum

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bis auf etwa das 5-fache gegenüber reinen Zinnschichten oder Schichten aus anderen Zinnlegierungen verringert. Die erste Überzugsschicht hat al3O die Wirkung einer Diffusionsbremsschicht, wobei diese Wirkung bereits bei Schichtdicken zwischen 0,5 und 2 μΐη eintritt, äur Erzielung einer guten Lötbarkeit des Drahtes reichen für die zweite Überzugsschicht Schichtdicken zwischen 1 und 4 μπι aus, so daß der erfindungsgemäße Draht gegenüber den bekannten feuerdickverzinnten Drähten eine relativ geringe mittlere Schichtdicke aufweist. Dadurch wird eine Einsparung an Zinnaufwand und eine wirtschaftliche Fertigung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Drahtes liegt darin, daß zur Erreichung der guten Lötbarkeit keine hohen Anforderungen an die Zentrizität der Üb erzugsschichten gestellt werden müssen. Dies ist ebenfalls auf die Diffusionsbremswirkung der ersten Überzugsschicht^ zurückzuführen, durch welche, auch an den durch die Exzentrizität bedingten dünnen Bereichen des Überzugs, die Ausbildung und das Wachstum einer Cu^Sn-Phase ausreichend verzögert wird.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Drahtes erfolgt durch die Zweibadverzinnung, wobei der Durchlauf des Drahtes durch ein erstes Zinnlegierungsbad und ein zweites Zinn- oder Zinnie gierungsbad in bekannter Weise senkrecht, schräg oder , waagrecht erfolgen kann. Die Bewegungsrichtung des Drahtes kann in beiden Bädern gleich- oder gegensinnig sein. Für die Abstreifung und Begrenzung der jeweils aufgebrachten Überzugsschichten werden bekannte Abstreiforgane, wie beispielsweise Diamantrunddüsen, verwendet. Durch die Verwendung von Wellenprofildüsen kann eine, weitere Qualitätssteigerung des Drahtes hinsichtlich seiner Lötbarkeit und seiner Alterungsbeständigkeit erreicht werden. Nach dem Kalibrieren werden die Überzugsschichten jeweils in einer Kühlstrecke bis zu ihrer vollständigen Erstarrung abgekühlt. Die Kühlung kann durch luft oder als Dampf-Sprüh- oder Flüssigkeitskühlung erfolgen. Beim Durchlauf des Drahtes durch das erste Zihnlegierungsbad wird auf eine einwandfreie und vollständige Benetzung des Drahtes durch die Zinnlegierung Wert gelegt. Die Benetzung ist hierbei

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von dem Material, dem Durchmesser und der Oberflächenbeschaffenheit des Drahtes abhängig. Für einen Kupferdraht mit 0,5 mm Durchmesser sind beispielsweise Verweilzeiten im ersten Zinnlegierungsbad zwischen 20 und 200 ms, vorzugsweise um 50 ms, für eine einwandfreie Benetzung ausreichend. Der mit einer ersten Überzugsschicht versehene Draht wird im zweiten Zinnoder Zinnlegierungsbad in sehr kurzer Zeit einwandfrei und vollständig benetzt. Deshalb kann die Verweilzeit des Drahtes im zweiten Bad kurzer bemessen werden. Für einen Kupferdraht mit 0,5 mm Durchmesser sind im zweiten Bad Verweilzeiten zwischen 5 und 100 ms, vorzugsweise um 20 ms, ausreichend. Durch die kürzere Verweilzeit im zweiten Bad ergibt sich auch eine geringere Auflösung der ersten Überzugsschicht im zweiten Bad. die Drahtgeschwindigkeiten bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Drahtes liegen zwischen 1 und. 15 m/s.

Im folgenden wird das OuSn-Phasenwaehstum am Beispiel eines bekannten feuerdickverzinnten Drahtes sowie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drahtes an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Dicken der Überzugsschichten sind im Verhältnis zum Drahtdurchmesser stark übertrieben dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen bekannten feuerdickverzinnten Draht mit ausgebildeten CuSn-Phasen im Querschnitt und

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen mit einem zweischichtigen Überzug versehenen Draht im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt einen Kupferdraht 1, der mit einer Überzugsschicht · aus Reinzinn versehen ist. Da es bei der Herstellung von feuerdickverzinnten Drähten bei höheren Drahtgeschwindigkeiten häufig zu selbsterregten Transversalschwingungen des Drahtes kommt und damit Beschleunigungskräfte auf' das noch schmelzflüssige Zinn einwirken, ist die Überzugsschicht 2 exzentrisch auf dem Kupferdraht 1 ausgebildet. Die Überzugsschicht 2 ist teilweis-e von einer Cu,-Sn^--Phase 3 und einer Cu.,Sn-Phase 4»

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wie sie "bei einer Temperatur/Zeit-Alterung entstehen, durchwachsen. Die Ausbreitung.dieser beiden Phasen in der Überzugsschicht 2 ist in einem Querschliff sehr leicht zu erkennen, da die CUgSn^-Phase 3 hellgrau bis weiß gefärbt ist und die Cu^Sn-Phase 4 eine dunkelgraue Farbe aufweist. Me Cu^Sn-Phase ist im Bereich des Winkels ψ bereits an die Oberfläche.der Überzugsschicht 2 vorgedrungen, so daß in diesem Bereich der Draht nicht oder nur sehr schlecht von einem Lot benetzt wird.

Fig. 2 zeigt einen Kupferdraht 5, der mit einer ersten Überzugsschicht 6 aus einer SriUi-Legierung und einer zweiten Überzugsschicht 7 aus einer SnPb-Legierung versehen ist. Die erste Überzugsschicht 6 hat hierbei die Wirkung einer Diffusionsbremsschicht, so daß .auch. nach, einer Temperatur/Zeit-Alterung ein CuSn-Phasenwachstum nicht oder nur in geringem Maße zu bemerken ist.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1

Ein Reinkupferdraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm wurde durch ein erstes Bad aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-^ Bi, eine erste Diamantrunddüse und eine erste Luftkühlstrecke geleitet. Die Verweilzeit im ersten Bad betrug 50 ms. Der mit einer SnBi-Legierung beschichtete Draht durchlief anschließend ein zweites Bad aus einer SnPb40-Legierung, eine zweite Diamantrunddüse und eine zweite Luftkühlstrecke. Die Verweilzeit im zweiten Bad betrug 20 ms. Der mit einem zweischichtigen Überzug versehene Draht zeigte im Querschliff eine etwa 1 μπι dicke SnBi-Schicht und eine etwa 2 μΐη dicke SnPb-Schicht. Nach einer viertägigen Lagerung bei 155°C an Luft zeigte dieser Draht nach dem Lotkugeltest eine mittlere Lötzeit unter 1 Sekunde und damit ausgezeichnete Loteigenschaften.

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Beispiel 2

Ein Reinkupferdraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm wurde durch ein erstes Bad aus einer SnITi-Legierung mit einem Anteil von 0,5 Gew.-^ Fi, eine Diamantrunddüse und eine erste Luftkühlstrecke geleitet. Die Verweilzeit im ersten Bad betrug 50 ms. Der mit einer SnNi-Legierung beschichtete Draht durchlief anschließend ein zweites Bad aus Reinzinn, eine Wellenprofildüse und eine zweite Luftkühlstrecke. Die Verweilzeit im" zweiten Bad betrug 20 ms. Der mit einem zweischichtigen Überzug versehene Draht zeigte im Querschliff eine etwa 1 μΐη dicke SnNi-Schicht und eine etwa 2 μΐη dicke Zinnschicht bei sehr guter Zentrizität der Schichten. Nach.einer viertägigen Lagerung bei 155°C an Luft zeigte dieser Draht nach dem Lotkugeltest eine mittlere Lötzeit unter 1 Sekunder und damit ausgezeichnete Löteigenschaften.

5 Patentansprüche.
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

Feuerverzinnter Draht für elektrotechnische Zwecke aus Kupfer oder Kupferlegierungen mit einem zweischichtigen Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine innenliegende erste ÜberzugsscMcht (6) eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μπι aufweist und aus einer SnBi-Iegierung mit einem Anteil zwischen 2 und 10 Gew.-$. Bi oder aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.-^ ITi besteht und daß eine außenliegende zweite ÜberzugsscMcht (7) eine Dicke zwischen 1 und 4 μπι aufweist und aus Reinzinn oder einer SnPb-Legierung besteht.
2. Feuerverzinnter Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (6) eine Dicke von 1 μπι und die zweite Überzugs schicht (7) eine Dicke von 2 μιη aufweist.
3. Feuerverzinnter Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (6) aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-^ Bi oder aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteil von 0,5 Gew.-# Ni besteht.
4. Feuerverzinnter Draht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überzugsschicht aus einer SnPb-Legierung mit einem Anteil zwischen 40 und 70 Gew.-^ Pb besteht.

5· Verfahren zur Herstellung eines feuerverzinnten Drahtes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste ÜberzugsscMcht (6) in einem ersten Zinnlegierungsbad aufgetragen, in einem ersten Abstreiforgan kalibriert und in einer ersten Kühlstrecke bis zu ihrer vollständigen Erstarrung abgekühlt wird und daß dann die zweite Überzugsschicht (7) in einem zweiten Zinn- oder Zinnlegierungsbad aufgetragen, in einem zweiten Abstreiforgan kalibriert und in einer zweiten Kühlstrecke bis zu ihrer vollständigen Erstarrung abgekühlt wird.

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