DE2356351C3

DE2356351C3 - Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke

Info

Publication number: DE2356351C3
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: 1980-07-03
Also published as: DE2356351B2; ZA747040B; US4014660A; GB1489362A; FR2250829A1; JPS5079438A; IT1025569B; USB519680I5; CH601488A5; FR2250829B1; NL7411796A; SE7414063L; DE2356351A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke aus Kup^cer oder Kupfcrlegierungen mit einem iweischichtigen Überzug aus Zinn oder Zinnlegierungen, wobei die innenliegtnde eiste Überzugsschicht eine Dicke zwischen 05 und i μππ aufweist und aus einer SnBi-Legierung mit einem Antei. zwischen 2 und 10 Gew.% Bi oder aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.% Ni besteht und die tußenliegende zweite Überzugsschicht eine Dicke !wischen 1 und 4 μπι aufweist und aus Reinzinn oder einer SnPd-Legierung besteht, und wobei der Draht nacheinander durch ein erstes Zinnlegierungsbad, ein erstes Abstreiforgan, ein zweites Zinn- oder Zinnlegierungsbad und ein zweites Abstreiforgan geführt wird.

Die Feuerverzinnung von Kupferschaltdrähtcn hat das Ziel, die Drähte mit einem festhaftenden Überzug •us Zinn oder Zinnlegierungen zu versehen, so daß bei lutomatischen Lötverfahren mit Lötzeiten von etwa 1 Sekunde eine einwandfreie und sichere Lötung gewährleistet ist. Frisch verzinnte Kupferschaltdrähte erfüllen diese Forderungen 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 CuSn-Phase lurückzuführen, 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 HD 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 CüsSn mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,3 μιη 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 600⁰C gehalten wird. Dabei entsteht an der Grenze zwischen Kupfer und Zinn durch Diffusion eine Cu]Sn-Phase. Zur Herstellung dickerer Überzüge ist 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 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 end auf Drahtrollen aufgewickelt.

Dieses bekannte Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß die Benetzung eines verzinnten Drahtes durch flüssiges Lot bei Vorliegen einer Cu₆Sn₅-Phasc an der Oberfläche verschlechtert isL Demgegenüber ruft das in der Überzugsschicht erzeugte Cu₃Sn keine Benetzungsnrobleme 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 chlechten Diffusionskoeffizienten als Diffusionssperre ein Vordringen der Cu₆SnS-Phase in den Überzug verlangsamt. Demgegenüber hat sich jedoch gezeigt, daß vor allem bei exzentrischen Überzugsschichten infolge einer Alterung nach einiger Zeit Cu jSn und CusSns- Phasen an den Steilen 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 K'ipfer oder Kupferlegierungen auch nach Alterung gut lötbar ist. So soll nach einer WärmeZ -it-Beanspruchung zwischen 4 und 96 Stunden bei 155"'C an Luft eine gute Lötbarkeit nach dem Lotkugeltest (DIN 49 04b Blatt 18) mit Umschließungszeiten unter 2 Sekunden gewährleistet sein.

F.rfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Draht η,ι h Verlassen des ersten Zinnlegierungsbades und des ersten Abstreiforgans unmittelbar durch eine die vollständige Erstarrung der Zinnlegierungsschicht gewährleistende erste Kühlstrecke geführt wird.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine CuiSn-Phase

wesentlich schlechter lötbar ist als eine C^-Uf₁Sn.;-Phase.

Durch dieses Herstellungsverfahren wird die Bildung und das Vordringen der CujSn-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 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 beispiesweise im System Sn/Cu), jedoch bei Temperaturen Unterhalb etwa 200⁰C, d.h. nach der Erstarrung, Wesentlich niedriger ist.

Vorzugsweise weist die erste Überzugsschicht eine Dicke Von 1 μηι Und die zweite Überzugsschicht eine

Dicke von 2 pm auf.

Als erste Uberaigsschicht eignet sich besonders eine SnBi-Legierung mit einem Anteil von 5 Gew.-% Bi oder eine SnNi-Legierung mit einem Anteil von 0,5 Gew.- °/o NL Bei der Verwendung von SnPb-Legierungen für die zweite Oberzugsschicht eignen sich besonders solche Legierungen mit einem Anteil zwischen 40 und 70 Gew.-% Pb.

Wie bereits erwähnt wurde, bilden sich bei feuerverzinnten Drähten an der Grenze zwischen Kupfer und ι ο Zinn Phasen aus Qi3Sn und CueSns, die an die Oberfläche der Zinnschicht 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-Lsgierungen mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.-% Ni das Wachstum einer Cu3Sn-P-¹IaSe in erheblichem Maße verzögern. Erhält ein Draht einen zweischichtigen Überzug, bei welchem die erste Überzugsschicht aus einer der genannten Legierungen besteht, so wird die Diffusion und damit das Oi3Sn-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 μιη eintritt. Zur Erzielung einer guten Lötbarkeit des Drahtes reichen für die zweite Überzugsschicht Schichtdicken zwischen 1 und 4 μιη 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 erfindungsgei äßen Drahtes liegt darin, daß zur Erreichung der guten Lötbarkeit keine hohen Anforderungen an die Zentrizität der Überzugsschichten gestellt werden müssen. Dies ist ebenfalls auf die Diffusionsbremswirkung der ersten Überzugsschicht zurückzufüh- ren. durch weiche, auch an den durch die Exzentrizität bedingten cünnen Bereichen des Überzuges, die Ausbildung und das Wachstum einer CujSn-Phase ausreichend verzögert wird.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Herstellung des Drahtes durch die Zwtlbadverzinnung. wobei der Durchlauf des Drahtes durch ein erstes Zinnlegierungsbad und ein zweites Zinn- oder Zinnlegierungsbad in bekannter Weise senkrecht, schräg oder waagerecht 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 durtfh Luft oder als Dampf-Sprüh- oder Flüssigkeitskühlung erfolgen. Beim Durchlauf des Drahtes durch das ers'e Sinnlegierungsbad 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 Zinnlegierungsbad 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 erfindungsgemäßen Drahtes liegen zwischen 1 und 15 m/s.

Im folgenden wird das CuSn- Ph?^c 'nwachstum am Beispiel eines bekannten feuerdickverannten Drahtes sowie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Drahtes anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Dicken der Überzugsschichten siiid im Verhältnis zum Drahtdurchmesser stark übertrieben dargestellt. Es zeigt

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

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

Fig. 1 zeigt einen Kupferdraht 1, der mit einer Überzugsschicht 2 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 teilweise von einer CueSnvPhase 3 u~d einer CujSn-Phase 4, wie sie bei einer Temperatur/Zeil-Alterung entstehen, durchwachsen. Die Ausbreitung dieser beiden Phasen in der Überzugsschicht 2 ist in einem Querschliff sehr leicht zu erkennen, da die Cu₆Sn₅-Phase 3 'iellgrau bis weiß _feefärbt ist und die CujSn-Phase 4 eine dunkelgraue Farbe aufweist. Die CujSn-Phase 4 ist im Bereich des Winkels φ bereits an die Oberfläche der Überzugsschicbt 2 vorgedrungen, so daß in diesem Bereich der Draht nicht oder nur sehr schlecht von einem Lot benetzt wird.

F 1 g. 2 zeigt einen Kupferdraht 5, der mit einer ersten Überzugsschicht 6 aus einer SnNi-Legierung und einer zweiten Überzugsschicht 7 aus einer SnPb-Legierung versehen ist. Die erste Überzugsschichte hat hierbei die Wirkung einer Diffusionsbremsschicht, so daß auch nach einer Temperatur/Zeit-A!terung ein Cu.Sn-Phasenwachstum nicht oder nur in geringem Maße zu bemerken ist.

Die Erfindung v. xd 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 eifom Anteil von 5 Gew.^% Bi, oine 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 um dicke SnBi-Schichl und eine etwa 2 μηϊ dicke SnPb-Schicht. Nach einer viertägigen Lagerung bei 155°C an Luft zeigt dieser Draht nach dem Lotkugeltest 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

SrtNi-Legiefutig- mit einem Anteil vöfi 0,5Gew.-%Ni, 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 Rcinzinn, eine Wellenprofildüse und eine zweite Luftkühlstrecke. Die Verweilzeit im zweiten Bad betrug 20 ms. Der mit einem zweischichtigen Überzug versehene Draht zeigte im QuerschÜff eine etwa 1 μίτι dicke SnNi-Schicht und eine etwa 2 μιη dicke Zinnschicht bei sehr guter Zentrizität der Schichten. Nach einer viertägigen Lagerung bei 155⁰G an Luft zeigte dieser Draht nach dem Loikugeltest eine mittlere Lölzeit unter 1 Sekunde und damit ausgezeichnete Löteigenschaften.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen eines feuerverzinnten Drahtes für elektrotechnische Zwecke aus Kupfer oder Kupferlegierungen, der einen zweischichtigen Oberzug aus Zinn oder Zinnlegierungen aufweist, wobei die innenliegende erste Oberzugsschicht eine Dicke zwischen 0,5 und 2 μίτι hat und aus einer SnBi-Legierung mit einem Anteil zwischen 2 und 10Gew.%Bi oder aus einer SnNi-Legierung mit einem Anteil zwischen 0,2 und 1 Gew.°/o Ni besteht und die außenliegende zweite Überzugsschicht eine Dicke zwischen 1 und 4 μπι hat und aus Reinzinn oder einer SnPb-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 Zinnlegiemngsbades und vor seinem Eintritt in das zweite Bad unmittelbar durch eine die vollständige Erstarrung der Zinnlegienmgsschicht gewährleistende erste Kühlstrecke geführt wird.