DE2356351B2

DE2356351B2 - Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke

Info

Publication number: DE2356351B2
Application number: DE2356351A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 8501 Wendelstein Friedrich; Horst Prof. Dr.Techn. Habil. 8500 Nuernberg Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1973-11-12
Publication date: 1979-10-18
Also published as: NL7411796A; ZA747040B; DE2356351A1; FR2250829B1; IT1025569B; US4014660A; GB1489362A; JPS5079438A; CH601488A5; SE7414063L; FR2250829A1; DE2356351C3; USB519680I5

Description

Die F.rfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke aus Kupfer oder Kupferlegierungen mil einem zweischichtigen Überzug aus Zinn oder Zinnlcgicrungen, wobei die innenliegende erste Überzugsschicht eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μηι aufweist und aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil zwischen 2 und !0 Gew.% Bi oder aus einer SnNi-Legicrung mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.% Ni besteht und die außenliegende zweite Überzugsschichl eine Dicke zwischen 1 und 4 μηι aufweist und aus Rcin/.inn oder einer SnPd-Legierung besteht, und wobei der Draht nacheinander durch ein erstes Zinnlcgierungsbad, ein erstes Abstreiforgan, ein zweites Zinn- oder Zinnlegierungsbad und ein zweites Abstreiforgan geführt wird.

Die Feuerverzinnung von Kupferschalldrähten hat das Ziel, die Drähte mit einem festheftenden Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen zu versehen, so daß bei automatischen Lötverfahren mit Lötzeiten von etwa I Sekunde eine einwandfreie und sichere Lötung gewährleistet ist. Frisch verzinnte Kupferschaltdrähte erfüllen diese Forderungen im allgemeinen. Nach längerer Lagerzeit nimmt die Lötbarkeit der Kupferschalldrähte 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 CuSn-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 CuSn-Phase im Bereich der geringsten Dicke des Überzuges sehr rasch an die Oberfläche vor.

Aus der DE-OS 17 96 214 ist ein Kupferdraht mit einem mehrschichtigen Überzug bekannt, bei dem die innerste Überzugsschicht aus CujSn mit einer Dicke /wischen 0,05 und 0,3 μηι besteht. Zu seiner Herstellung wird der Kupferdraht durch ein Zinn- oder Zinnlegierungsbad und eine anschließende Wärmezone geführt, in der der Draht auf Temperaturen zwischen 400 und 600°C gehalten wird. Dabei entsteht an der Grenze zwischen Kupfer und Zinn durch Diffusion eine O^Sii-Phase. Zur Herstellung dickerer Überzüge ir.t dabei vorgesehen, den Draht nach der Wärmezone durch ein zweites Zinn- oder Zinnlegierungsbad und ein zweites Abstreiforgan zur Zentrierung des Überzuges zu leiten. Vorteilhaft liegt der Schmelzpunkt im ersten Zinn- oder Zinnlegierungsbad über dem Schmelzpunkt

lu im zweiten Bad. Dies kann erreicht werden, wenn als erstes Bad eine CuNi-Legierung, vorteilhaft mit 0,5 Gew.-% Ni, verwendet wird, wobei als zweites Bad dann Reinzinn oder eine SnPb-Legierung verwendet werden kann. Nach Verlassen des letzten Zinnbades wird der Draht in einer Kühlzone abgekühlt, umgelenkt und auf Drahtrollen aufgewickelt.

Dieses bekannte Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß die Benetzung eines verzinnten Drahtes durch flüssiges Lot bei Vorliegen einer Cu₀Sn₅-Phase an der Oberfläche verschlechtert ist. Demgegenüber ruft das in der Überzugsschicht erzeugte CujSn keine Benetzungsprobleme hervor und es wird ausgeführt, CujSn werde von flüssigem Lot gut benetzt. Ferner beruht das bekannte Verfahren auf der Erkenntnis, daß in der Wärmezone, in der der Überzug aus Sn oder SnNi noch flüssig ist, durch Diffusion des Kupfers eine CujSn-Schicht erzeugt werden kann und daß diese CujSn-Schicht wegen ihres schlechten Diffusionskoeffizienten als Diffusionssperre ein Vordringen der Cu_bSns-Phase in

μ den Überzug verlangsamt. Demgegenüber hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem bei exzentrischen Überzugsschichten infolge einer Alterung nach einiger Zeit CujSn und CubSn^-Phasen an den Stellen geringster Überzugsdicke an die Oberfläche vordringen und zu einer Verschlechterung der Lötbarkeit führen (Fig. 1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der feuerverzinnte Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen auch nach Alterung gut lötbar

⁴⁽¹ ist. So soll nach einer Wärmc-Zeit-Bennspruchung zwischen 4 und 96 Stunden bei 155"C an Luft eine gute Lötbarkeit nach dem Lotkugeltest (DIN 49 046 Blatt 18) mit Umschlicßungszeiten unter 2 Sekunden gewährleistet sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Draht nach Verlassen des ersten Zinnlcgierungsbades und des ersten Abstrciforgans unmittelbar durch eine die vollständige Erstarrung der Zinnlcgierungsschicht gewährleistende erste Kühlstrecke geführt wird.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine CuiSn-Pha.sc wesentlich schlechter lötbar ist als eine CutSnrPhase. Durch dieses Herstellungsverfahren wird die Bildung und das Vordringen der CuiSn-Phase in dem Überzug wirksam gebremst.

Gegenüber dem Verfahren nach der DE-OS 17 96 214 wird durch die Kühlzone unmittelbar hinter dem ersten Abstreiforgan verhindert, daß CujSn in größerem Maße in die Überzugsschicht eindiffundieren kann. Auf die

^M) Diffusionssperrwirkung einer CujSn-Schicht wird dabei verzichtet, da sich nämlich gezeigt hat, daß die Diffusion im System SnBi/Cu bzw. SnNi/Cu zwar bei höheren Temperaturen verhältnismäßig hoch (höher als bei-.spieswei.se im System Sn/Cu), jedoch bei Temperaturen

"5 unterhalb etwa 200⁰C, d.h. nach der Erstarrung, wesentlich niedriger ist.

Vorzugsweise weist die erste Überzugsschicht eine Dicke von 1 μπι und die zweite Überzugsschicht eine

Dicke von 2 u.m auf.

Als erste Überzugsschicht eignet sich besonders eine SnBi-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-ⁿ/o 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 unu 70 Gew.-% Pb.

Wie bereiii erwähnt wurde, bilden sich bei feuerverzinnten Drähten an der Grenze zwischen Kupfer und Zinn Phasen aus CujSn und CubSns, die an die Oberfläche der Zinnsciiicht vordringen, von einem Lot nicht oder nur schlecht benetzt werden und die Lötbarkeit des Drahtes verschlechtern. 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 CujSn-Phase in erheblichem Maße verzögern. Erhält ein Draht einen zweischichtigen Überzug, bei welchem die erste Überzugsschicht aus einer der genannten Legier Lingen besteht, so wird die Diffusion und damit das CujSn-Phasenwachstum bis auf etwa das 5-fache gegenüber reinen Zinnschichten oder Schichten aus anderen Zinnlegierungen verringert. Die erste Überzugsschicht hat also die Wirkung einer Diffusionsbremsschicht, wobei diese Wirkung bereits bei Schichtdicken zwischen 0,5 und 2 μιτι eintritt. Zur Erzielung einer guten Lölbarkeit des Drahtes reichen für die /weite Überzugsschicht Schichldicken /wischen I und 4 μηι aus, so daß der erfindungsgeniäße 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 Lölbarkeit keine hohen Anforderungen an die Zcntri/.iliit der Übcrzugsschichlen gestellt werden müssen. Dies ist ebenfalls auf die Diffusionsbremswirkung der ersten Überzugsschicht zurück/uführen, durch welche, auch an den durch die Exzentrizität bedingten dünnen Bereichen des Überzuges, die Ausbildung und das Wachstum einer OijSn-Phase ausreichend verzögert wird.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Herstellung des Drahtes durch die Zweibadvcr/innung, wobei der Durchlauf des Drahtes durch ein erstes Zinnlcgicrungsbad und ein zweites Zinn- oder Zinnlegicrungsbad in bekannter Weise senkrecht, schräg oder waagerecht erfolgen kann. Die Bewegungsrichtung des Drahtes kann in beiden Bädern gleich- oder gegensinnig sein. Für die Abslreifung 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 Zinnlegierungsbad wird auf eine einwandfreie und vollständige Benetzung des Drahtes durch die Zinnlegierung Wert gelegt. Die Benetzung ist hierbei 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 Zinn- oder Zinnlegierungsbud in sehr kurzer Zeit einwandfrei und vollständig benetzt. Deshalb kann die Verweilzeit des Drahtes im zweiten Bad kürzer 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 erfindungsge-

H) mäßen Drahtes liegen zwischen 1 und 15 m/s.

Im folgenden wird das CuSn-Phasenwachstum am Beispiel eines bekannten feuerdickverzinnten Drahtes sowie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Drahtes anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Dicken der Überzugsschichten sind im Verhältnis zum Drahtdurchmosser stark übertrieben dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen bekannten feuerdickverzinnten Draht mit ausgebildeten CuSn-Phasen im Querschnitt und

Mi Fig. 2 einen erfindungsgemäß hergestellten mit einem zweischichtigen Überzug versehenen Draht im Querschnitt.

Fig. 1 zeigt einen Kupferdraht I. der mit einer Über/ugsschichl 2 aus Reinzinn versehen ist. Da es bei

!> der Herstellung von feuerdickverzinnten Drähten bei höheren Drahtgeschwindigkeiten häufig/u sclbsterregten Transversalschwingungen des Drahtes kommt und damit Beschleunigungskräfte auf das noch schmelzflüssige Zinn einwirken, ist die Überzugsschicht 2

J» exzentrisch auf dem Kupferdrahl 1 ausgebildet. Die Überzugsschicht 2 ist teilweise von einer Cu_bSnvPhasc 3 und einer CujSn-Phase 4, wie sie bei einer Temperatur/Zcit-Alterung entstehen, durchwachsen. Die Ausbreitung dieser beiden Phasen in der Überzugs-

t^r> schicht 2 ist in einem Querschliff sehr leicht zu erkennen, da die CubSn^-Fhasc 3 hellgrau bis weiß gefärbt ist und die CusSn-Phase 4 eine dunkclgrauc Farbe aufweist. Die Cu)Sn-Phase 4 ist im Bereich des Winkels ψ bereits an die Oberfläche der Überzugsschicht 2 vorgedrungen, so

^r>» daß in diesem Bereich der Draht nicht oder nur sehr schlecht von einem Lot benetzt wird.

F i g. 2 zeigt einen Kupferdraht 5. der mit einer ersten Überzugsschicht 6 aus einer SnNi-Lcgierung und einer /weiten Übcr/.ugsschicht 7 aus einer SnPb-Legierung

Yi versehen ist. Die erste Überzugsschicht 6 hat hierbei die Wirkung einer Diffusionsbremsschicht, so Jaß auch nach cinerTemperatur/Zeit-Alterung ein CuSn-Phasenwachstum nicht oder nur in geringem Maße zu bemerken ist.

w) Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert:

Beispiel I

Ein Reinkupferdraht mit einem Durchmesser von

fi'> 0,5 mm wurde durch ein erstes Bad aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-% Bi, eine erste Diiimantnindrlike und eine erste Luftkühlslreckc geleitet. Die Verweilzeit im ersten Bad be'.run 50 ms.

Der mit einer SnBi-Legierung beschichtete Draht durchlief anschließend ein zweites Bad aus einer SnPb40-Legierung, eine zweite Diamantrunddüsc 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 μηι dicke SnBi-Schicht und eine etwa 2 μιη dicke SnPb-Schicht. Nach einer viertägigen Lagerung bei 155°Can Luft zeigt dieser Draht nachdem Lotkugcllest eine mittlere Lötzeit unter 1 Sekunde und damit ausgezeichnete Löteigenschaften.

Beispiel 2

Ein Reinkupferdraht mit einem Durchmesser von 0.5 mm wurde durch ein erstes Bad aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteil von 0,5Gew.-%Ni, eine Diamantrunddüse und eine erste Luftkühlstreckc geleitet. Die Vcrweilzeil im ersten Bad betrug 50 ms. Der mit einer SnNi-Legierung beschichtete Draht

ι durchlief anschließend ein zweites Bad aus Reinzinn, eine Wellenprofildüse und eine zweite Luflkühlstrecke. Die Verwcilzeil im zweiten Bad betrug 20 ms. Der mit einem zweischichtigen Überzug versehene Draht zeigte im Querschliff eine etwa 1 μηι dicke SnNi-Sehicht und eine etwa 2 μιη dicke Zinnschicht bei sehr guter Zentrizität der Schichten. Nach einer viertägigen Lagerung bei 155°C an Luft zeigte dieser Draht nach dem Lolkugeltesl eine mittlere Löl/cil unter 1 Sekunde und damit ausgezeichnete Lölcigcnschalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke aus Kupfer oder Kupferlegierungen, der einen zweischichtigen Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen aufweist, wobei die innenliegende erste Überzugsschicht eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μπι hat und aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil zwischen 2 und IOGew.%Bi oder aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteii zwischen 0,2 und 1 Gew.% Ni besteht und die außenliegende zweite Überzugsschicht eine Dicke zwischen 1 und 4 μιη hat und aus Reinzinn oder einer Sn Pb-Legierung besteht, und wobei der Draht nacheinander durch ein erstes Zinnlegierungsbad, ein erstes Abstreiforgan, und durch ein zweites Zinn- oder Zinnlegierungsbad, ein zweites Abstreiforgan und eine abschließende Kühlstrecke bis zur vollständigen Erstarrung der Zinn- oder Zinnlegierungsschicht geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht nach Verlassen des ersten Zinnlegierungsbades und vor seinem Eintritt in das zweite Bad unmittelbar durch eine die vollständige Erstarrung der Zinnlegierungsschicht gewährleistende erste Kühlstrecke geführt wird.