DE2407163A1

DE2407163A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von aluminium, das mit einem substrat verbunden werden soll

Info

Publication number: DE2407163A1
Application number: DE19742407163
Authority: DE
Inventors: Kenneth Norman Karol
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-02-15
Publication date: 1974-10-24
Also published as: BR7402787A; CA1030663A; BR7402787D0; JPS49131280A; FR2224966B1; US3838506A; JPS529475B2; IT1006151B; FR2224966A1; GB1431362A

Description

Böblingen, heb-oh

Anmelderin; International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: BO 972 035

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium, das mit einem Substrat verbunden werden soll

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Vorbehandlung oder Vorbereitung einer Aluminiumfolie, die mit einem Substrat, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Epoxydharz oder glasfaserverstärktem Polyamidharz, verbunden werden soll. Es gibt zahlreiche Verfahren zur Vorbehandlung von Aluminiumfolie vor einer Klebverbindung mit einem Substrat, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Ätzen mit einer Säure, um auf diese Weise die Haftfähigkeit der Verbindung zu erhöhen.

Man hat beispielsweise eine Schichtplatte aus Aluminium und Kunststoff dadurch hergestellt, daß man die Oberflächen zweier Aluminiumfolien aufgerauht hat, diese Oberflächen dann mit einer SuIfochromatlösung geätzt und anschließend die so behandelten Aluminiumoberflächen unter Wärmeeinwirkung und Druck und Einschieben einer thermoplastischen Schicht zwischen diese Aluminiumfolien miteinander verbunden hat.

Ein anderes Verfahren verbessert die Klebebindung von Aluminium oder seinen Legierungen mit organischen Klebemitteln dadurch, daß zunächst die Aluminiumoberfläche mit Sulfochromatlösung behandelt und dann die Oberfläche mit einer Reduzierlösung behandelt wird.

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Ein weiteres Verfahren erhöht die Haftfähigkeit von Aluminium dadurch, daß eine Schicht eines flüssigen Klebemittels mit feinverteilten, festen Schmirgelstoffen aufgebracht wird, worauf die beiden aneinander gegenüberliegenden Flächen relativ zueinander bewegt und damit aufgerauht werden, worauf dann der Klebstoff zur Verbindung der beiden Oberflächen miteinander ausgehärtet wird.

Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Klebeverbindung von I'Iehrschichtenkarten zur Bildung eines Laminats und insbesondere eine neuartige Behandlung einer Oberfläche einer dünnen, festen, elektrisch leitenden Aluminiumfolie vor dem Aufbringen auf einem dünnen Substrat aus elektrisch isolierendem Material, worauf dann anschließend z.B. die elektrischen Leiter des Rotors oder Ankers einer dynamoelektrischen Maschine aus diesem mit Aluminium überzogenen Substrat gebildet werden können.

Insbesondere bezieht sich also die Erfindung auf die Herstellung einer rohrförmigen Mehrschichtenstruktur mit Aluminiumleitern für den Anker eines Gleichstrommotors hohen Drehmomentes und niedriger Trägheit. Der sich dabei ergebende Anker kann hohe Temperaturen aushalten, ohne daß dabei die Verbindung der einzelnen Schichten miteinander merklich beeinflußt wird. Durch die Erfindung erhält man also eine einheitliche, einstückige Aluminiumoberfläche, zu deren Herstellung keine Säure oder ähnliches verwendet wird, so daß die Aluminiumoberfläche keine verunreinigte Schicht enthält. Außerdem erhält man eine bevorzugte Ausrichtung der Aluminiumoberflächenmuster in bezug auf die Aluminiumleiter des Ankers. Nach der Herstellung wird die Oberfläche mit einer klaren, unversiegelten und kontinuierlichen Eloxierung überzogen. Dieser Überzug verhindert die Bildung von Aluminiumoxyd vor der Herstellung des Laminats, so daß das Aluminium vor dem eigentlichen Herstellen und Verkleben des Laminats eine gewisse Zeit liegen kann. Dieser überzug vergrößert außerdem die Haftfähigkeit.

Genauer gesagt besteht die einstückige Oberfläche des Aluminiums aus einem im wesentlichen kontinuierlichen Muster von länglichen

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Vertiefungen mit einer Tiefe zwischen 0,0025 und 0,005 mm, die vorzugsweise mit mechanischen Mitteln, wie z.B. mit Drahtbürsten, Bürsten aus mit Schleifmitteln überzogenen Fasern oder durch sonstige mechanische Bearbeitung hergestellt sind, so daß eine saubere, reine Oberfläche erhalten wird. Die Hauptachsen dieser Vertiefungen sind im allgemeinen in der Richtung der einzelnen elektrischen Leiter des Aluminiumankers ausgerichtet. Die Eloxierung, die über diese Aluminiumanordnung aufgebracht wird, würde auf einer flachen, ebenen Oberfläche einen Überzug mit einer Stärke zwischen 0,0025 und 0,005 mm ergeben.

Durch das Verfahren wird also ein Laminat mit einer hohen Verbundfestigkeit erzielt, wobei die Haftfähigkeit zwischen 0,357 und

0,5 kg je mm liegt, gemessen mit den NEMA-Prüftests für das Abblättern von Kupferlaminaten. Diese hohe Haftfähigkeit bleibt auch bei hohen Temperaturen erhalten.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, näher beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale werden dabei in den beigefügten Patentansprüchen im einzelnen erwähnt.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 zwei aus mehreren Schichten bestehende Schal

tungskarten, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind;

Fig. 2 schematisch einen Antriebsmotor für eine Magnetbandeinheit, dessen hohler, rohrförmiger Anker aus den beiden Schaltungskarten der Fig. 1 hergestellt ist;

Fig. 3A und B stark vergrößerte photographische Ansichten der

strukturierten Oberflächen, die der Oberfläche des Substrats der Schaltungskarten gegenüberliegen. Dabei war die Kamera in Fig. 3A auf die

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obere Fläche der strukturierten Oberfläche scharf eingestellt, während in Fig. 3B die Kamera auf den Grund der Vertiefungen scharf eingestellt war.

Fig. 4 eine idealisierte Darstellung eines Teils der

Oberfläche der Fign. 3A und 3B, die das Verständnis der Erfindung erleichtert, und

Fig. 5 eine idealisierte Darstellung der Aluminiumober

fläche, wie sie durch mechanische Behandlung hergestellt wird, wodurch ebenfalls das Verständnis der Erfindung erleichtert wird.

In Fig. 1 sind zwei aus mehreren Schichten bestehende Schaltkreiskarten 10 und 11 dargestellt, die gemäß der Erfindung hergestellt sind. Diese flachen, laminierten Karten werden aus einer dünnen Folie aus elektrisch leitendem Aluminium 12 hergestellt, das mit einer dünnen Folie oder einer dünnen Platte oder Karte aus voll ausgehärtetem, mit Glasfasern 13 verstärktem Epoxydharz oder Polyamidharz fest verbunden ist. Beispielsweise kann die Aluminiumfolie 12 eine Stärke von 0,13 mm aufweisen und die isolierende Substratschicht 13 kann beispielsweise 0,065 mm stark sein. An den Endabschnitten 14 und 15, die letztlich als die Anschlußkontakte für die Leiter der inneren und äußeren Ankerwicklung eines hohlen, rohrförmigen Aluminiumankers dienen können, ist die Substratschicht 13 entfernt, so daß die auf Abstand stehenden Aluminiumoberflächen 14 und 15 auf der Substratseite jeder der beiden Karten herausragen. Die Karte 10 wird unmittelbar anschließend neben die Karte 11 gelegt, wie dies durch die gestrichelte Linie 16 dargestellt ist.

Eine genauere Beschreibung der Karten 10 und 11 und die Art und Weise, wie aus diesen beiden Karten ein ringförmiger Anker gebildet wird, findet sich in der US-Patentschrift 3 650 021. Ein anderes Verfahren zur Hersteilung eines ringförmigen Ankers aus zwei solchen Karten ist in der US-Patentanmeldung Kr. 261 893 vom

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12. Juni 1972 der Anmelderin offenbart.

Die Verwendung eines Superpolymer-Stützsubstrats in einem Anker für einen Motor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit ist im IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 15, Nr. 3, vom Aug. 1972 auf Seite 705 beschrieben.

Ein Anker für einen Elektromotor, der aus den Schaltungskarten der Fig. 1 aufgebaut ist, eignet sich bevorzugt für einen Motor mit hohem Drehmoment und geringer Trägheit. Die vorliegende Erfindung, die zwar im Zusammenhang mit ihrer vorteilhaften Verwendung bei der Herstellung eines rohrförmigen Ankers beschrieben ist, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch die in Fig. 1 hergestellten Schaltungskarten zur Herstellung von scheibenförmigen Ankern hohen Drehmoments mit niedriger Trägheit sowie von Ankern mit anderer Form, beispielsweise kegelstumpfförmige Anker, verwenden.

Ein Motor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit, in dem ein Anker dieser Art Verwendung finden kann, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 3 490 672 offenbart.

Wenn die Aluminiumfolie 12 zunächst mit dem Substrat 13 laminiert wird, dann besteht die Folie aus einem Stück und weist keine einzelnen elektrischen Leitungen auf. Nach dem Laminieren der Karten und vor dem Zusammenfügen der Karten zu einem rohrförmigen Teil werden die einzelnen stromführenden Leiter 17 auf der Aluminiumfolie, wie in Fig. 1 gezeigt, durch übliche Verfahren für die Herstellung gedruckter Schaltungen erzeugt. Jeder der Leiter endet in einem Anschluß 18 und enthält einen Endabschnitt oder eine Kante 19, die während der Herstellung des rohrförmigen Ankers entfernt wird. Die Hauptausdehnung jedes der Leiter 17 ist durch den Pfeil 22 angegeben.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf die Aluminiumoberfläche und deren Vorbehandlung, wodurch sich die Haftfähig-

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keit der Aluminiumfolie 12 an der Substratfolie 13 wesentlich verbessern läßt, so daß sich dann daraus ein Anker hohen Drehmoments und niedriger Trägheit herstellen läßt, der auch hohe Betriebstemperaturen ohne wesentliche Beeinträchtigung aushält.

Fig. 3A und 3B zeigt photographische Ansichten mit 40Ofacher Vergrößerung derjenigen Oberfläche der Aluminiumfolie 12, die der Substratoberfläche 13 gegenüberliegt. In diesen Ansichten sieht man die einzigartige Oberflächenstruktur, die aus einem kontinuierlichen Muster aus länglichen Vertiefungen besteht, deren Hauptachsen allgemein in Richtung des Pfeiles 21 verlaufen. Die physikalische Ablenkung des photographierten Musters, gemessen senkrecht zum Pfeil 21, ist etwa 0,2 mm.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Strukturierung, wie sie die Fign. 3A und 3B zeigen, vorzugsweise durch mechanische Mittel, beispielsweise durch die Verwendung einer Prägeform, oder durch die Verwendung von Bürsten erzielt. Die in Fig. 3A und 3B gezeigten strukturierten Oberflächen wurden mit Drahtbürsten erzeugt, woraus sich ein willkürliches Muster von länglichen Vertiefungen ergab. Das elektrisch leitende Aluminium in Fig. 3A und 3B wurde dabei besonders wie folgt mit Drahtbürsten behandelt: Es wurde ein Durchlauf unter zwei rotierenden Drahtbürsten mit Borsten aus rostfreiem Stahl mit 0,15 mm Durchmesser und einer Umfangsgeschwindigkeit von 1500 Metern pro Minute vorgenommen, während die Aluminiumfolie gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 1,5m pro Minute gegen die Rotationsrichtung der Bürsten vorgeschoben wurde.

Nach der Strukturierung der Aluminiumoberfläche, wie in Fig. 3A und 3B zu sehen, wird die Oberfläche mit einem Reinigungsmittel gesäubert, gespült, mit kalter Schwefelsäure deoxydiert und wiederum gespült. Anschließend wird die Oberfläche mit Schwefelsäure

2 von 18 bis 20 Gewichtsprozent ungefähr bei 18 A je dm und

20 Volt bei 26,7°C eloxiert und dann unversiegelt gelassen. Die Eloxierung wird dabei so gesteuert, daß eine Schichtdicke erzielt

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wird, die einer Eloxierung von 0,0025 bis 0,005 mm auf einer ebenen Oberfläche entsprechen würde. Diese Eloxierungsschicht schützt nicht nur die darunterliegende Aluminiumoberflache gegen nachträgliche Oxydation, sondern gibt auch der Aluminiumoberfläche eine weitere Struktur, so daß dadurch auch die Haftfähigkeit einer Verbindung unterstützt wird.

Durch das Drahtbürsten erhält man längliche Vertiefungen mit einer Tiefe zwischen 0,0025 und 0,005 mm, deren Hauptachsen in Richtung der Bürstenbewegung verlaufen. Dieser Bereich soll jedoch keine Einschränkung des Erfindungsgedankens darstellen. Die geringste Tiefe dieses Bereichs wurde gewählt, um mindestens die gewünschte Adhäsionskraft zu erzielen. Die größte Tiefe in diesem Bereich erhöht natürlich die Haftfähigkeit. Man muß sich dabei aber im klaren sein, daß eine zu große Tiefe dieser Vertiefungen die Stärke der elektrischen Leiter verringert, wodurch in diesen Bereichen der elektrische Widerstand der Leiter erhöht wird, was auch zu einem höheren Widerstand insgesamt führt und auch den Gesamtwiderstand der Schaltung wesentlich erhöht. Mit diesen Beschränkungen wird dieser Bereich bevorzugt für Aluminium mit einer Stärke von 0,127 mm verwendet. Die Aluminiumstärke ist dabei so gewählt, daß die übrigen Parameter des Motors, d.h. die Ankerträgheit, die Größe des LuftSpaltes und der Ankerwiderstand, berücksichtigt sind.

Die mechanische Strukturierung der Aluminiumoberfläche ist vorzuziehen, da durch eine solche Behandlung eine relativ reine Oberfläche erzielt wird, oder eine, die sich leicht reinigen läßt und keine Oberflächenverunreinigung aufweist, wie sie sich beispielsweise bei anderen Oberflächenbehandlungen, insbesondere bei Verwendung von Ätzmitteln, ergibt.

Die strukturierte Oberfläche, wie sie Fign. 3A und 3B zeigen, ist so aufgebaut und angeordnet, daß längliche Vertiefungen entstehen, deren Seiten Oberflächenabschnitte bilden, die sich normalerweise senkrecht zur Hauptoberflächenebene der Aluminiumfolie

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erstrecken. Diese Flächenabschnitte erzeugen Abscherkräfte, die den Kräften, die ein Abblättern des Laminates 12, 13 begünstigen würden, genau entgegengesetzt gerichtet sind. Die besonderen Verhältnisse bei der Haftfähigkeit von Filmen und bei Abblättertesten, durch die eine solche Haftfähigkeit analysiert wird, sind im IBM JOURNAL OF RESEARCH AND DEVELOPMENT, Mai 1972, beginnend auf Seite 203, beschrieben.

Die Oberflächenstruktur der Fign. 3A und 3B und die sich daraus ergebenden Kräfte, die einem Abblättern des Laminats entgegengerichtet sind, werden durch die länglichen Vertiefungen erzeugt, die sich in die Aluminiumoberfläche hinein erstrecken und senkrecht zu dem Hauptlaminat oder der Kontaktoberfläche der Aluminiumfolie verlaufen. Eine besondere Eigenschaft dieser Vertiefungen besteht darin, daß sie länglich sind und damit Haupt- und Nebenachsen aufweisen, wobei die Hauptachsen im allgemeinen mit den Pfeilen 21 in Figuren 3A und 3B ausgerichtet sind. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die allgemeine Ausrichtung der Hauptachsen dieser Vertiefungen mit der Hauptlängsausdehnung 22 der Leiter 17 in Figur 1 zusammenfällt. Durch diese Ausrichtung erhält man eine maximale Haftfähigkeit und einen maximalen Widerstand gegen Abblättern bei hohen Temperaturen und hohen Beschleunigungen im Betrieb bei einem Anker für einen Motor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit.

Fig. 4 zeigt eine stark vergrößerte, idealisierte Darstellung eines Teils einer Aluminiumfolie, in der die länglichen Vertiefungen 30 in der Oberfläche durch eine Drahtbürste hergestellt worden sind. Diese Vertiefungen definieren Berge 31 und Täler 32, die der Brennebene der Photographien in Fig. 3A bzw. 3B entsprechen. Die Hauptachsen dieser Vertiefungen sind allgemein ausgerichtet mit dem Pfeil 33, während die Nebenachsen im allgemeinen mit dem Pfeil 34 ausgerichtet sind.

Fig. 5 zeigt eine vereinfachte, idealisierte Darstellung eines bo 972 035 40984 3/109 9

Teils einer stark vergrößerten Aluminiumfolie 12. Die strukturierte Oberfläche der Aluminiumfolie wird durch Prägung hergestellt, so daß die einzelne Vertiefung in diesem Fall vertikale Seitenwände 35 und 36 und einen flachen Boden 37 aufweist. Die Eloxierungsschicht, die ebenfalls in idealisierter Form dargestellt ist, trägt das Bezugszeichen 38. Die Substratschicht 13 wird beim Ablösen gezeigt, wobei eine Ablösekraft 39 angenommen wird. Die Klebeschicht, beispielsweise Epoxydharz, erstreckt sich zwischen der Schicht 13 und der vertikalen Wand 36 der darunterliegenden Vertiefung. Die Kraft an der Wand 36, die dem Ablösen des Laminats Widerstand leistet, enthält auch die Abscherkraft 41, die der Kraft 39, die ein Ablösen des Laminats 12, 13 hervorrufen will, unmittelbar entgegengesetzt gerichtet ist. Dieser
Widerstand gegen das Ablösen wird durch die länglichen Vertiefungen 35, 36, 37 durch die Abschnitte 35 und 36 erzeugt, die sich in die Aluminiumoberfläche hinein erstrecken und senkrecht zur Hauptlamination oder Kontaktoberfläche 42 der Aluminiumfolie verlaufen. Diese Anordnung und Kräfteverteilung wird durch die Eloxierungsschicht 38 noch verbessert.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. ; Verfahren zur Vorbehandlung einer Aluminiumoberflache, die -„— zur Bildung eines Laminats mit einer Substratoberfläche verbunden werden soll, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

Bearbeiten der Aluminiumoberfläche zur Erzielung einer strukturierten Oberfläche, die aus einem kontinuierlichen Muster länglicher Vertiefungen in dieser Oberfläche besteht, deren Hauptachsen im wesentlichen miteinander gleichlaufena ausgerichtet sind,

Entfernen von Verunreinigungen einschließlich Aluminiumoxyd von der strukturierten Oberfläche, und

Überziehen der strukturierten Oberfläche mit einem kontinuierlichen Überzug einer klaren, unversiegelten Anodisierung oder Eloxierung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch mechanische Bearbeitung erzeugt wird und Vertiefungen liefert, deren Tiefe mindestens 0,0025 mm beträgt, und aaß die Eloxierungsschicht einen Überzug einer feineren Strukturierung über das Muster länglicher Vertiefungen auf der Aluminiumoberfläche legt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Prägung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung durch Drahtbürsten erfolgt, wobei die einzelnen Drähte der Bürsten einen Durchmesser von etwa 0,15 mm aufweisen und mit einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa 1500 m pro Minute über die Aluminiumoberfläche geführt werden.

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5. Anwendung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 zum Herstellen von mehrschichtigen Schaltungskarten bei der Herstellung eines Ankers für einen Motor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens eine Oberfläche einer dünnen Folie aus elektrisch leitendem Aluminium der Strukturierungsbehandlung ausgesetzt wird, wodurch sich ein kontinuierliches Muster länglicher Vertiefungen auf der Oberfläche bildet, deren Hauptachsen allgemein miteinander ausgerichtet sind,

daß anschließend die Oberfläche zur Entfernung von Verunreinigungen einschließlich Aluminiumoxyd gesäubert wird,

daß dann diese Oberfläche mit einem kontinuierlichen Überzug einer klaren, unversiegelten Eloxierung zur Verhinderung nachträglicher Verunreinigung und Oxydation überzogen wird,

daß diese Aluminiumfolie dann mit einer elektrisch isolierenden Substratfolie verbunden wird, wobei die vorbehandelte Oberfläche dem Substrat gegenüberliegt,

und daß anschließend in der Aluminiumfolie elektrische Leiter hergestellt werden, deren Hauptlängsausdehnung im wesentlichen der Ausrichtung der Hauptachsen der Vertiefungen entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter durch an sich bekannte Verfahren zum Herstellen von gedruckten Schaltungen erzeugt werden, wobei ein Teil der Aluminiumfolie entfernt und das darunterliegende Substratmaterial freigelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumfolie eine Stärke von etwa 0,127 mm aufweist, und daß die durch mechanische Mittel hervorgerufene Strukturierung mit ihren Vertiefungen eine Tiefe von etwa 0,0025 bis 0,005 mm aufweist und die Eloxie-

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rung eine feinstrukturierte Schicht ergibt, die allgemein den Vertiefungen in dieser Oberfläche folgt.

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