EP2468926A1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall oder einer Legierung eines Metalls mit einer Beschichtung - Google Patents

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EP2468926A1
EP2468926A1 EP11002620A EP11002620A EP2468926A1 EP 2468926 A1 EP2468926 A1 EP 2468926A1 EP 11002620 A EP11002620 A EP 11002620A EP 11002620 A EP11002620 A EP 11002620A EP 2468926 A1 EP2468926 A1 EP 2468926A1
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Uwe Zeigmeister
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Otb Oberflaechentechnik In Berlin & Co GmbH
Otb Oberflaechentechnik In Berlin & Co GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a workpiece from a metal or an alloy of a metal having a coating of at least one layer of tin or a tin alloy and having a metal-containing intermetallic phase between the metal or the alloy of the metal and the layer.
  • the tin or tin alloy is applied to a blank made of the metal or alloy of the metal or a further metal layer deposited on the blank, the blank thereafter for forming or strengthening the intermetallic phase at a temperature below the melting point of the tin or the tin alloy is heated.
  • the coated copper or the coated copper alloy may be subjected to a so-called reflow treatment.
  • a so-called reflow treatment is for example from the JP 01159397 A known.
  • the applied tin or the applied tin alloy is heated to just above the melting point of the tin.
  • a disadvantage is that it comes in the melting of the tin to an uneven distribution of the tin.
  • the tin flows off the edges of a coated surface of a workpiece as it accumulates in the center of the surface so that the geometry of the coated workpiece deviates from its original geometry. The workpiece can thereby have a deteriorated bendability, solderability and accuracy of fit. If the workpiece is a plug, the uneven distribution of the tin may lead to a deviation from a desired insertion force.
  • An advantage of the method is that it dissolves in the metal existing tensions and the, especially in electronic components dangerous, whisker formation is reduced.
  • the workpieces after coating with tin instead of a reflow treatment of several hours Be subjected to treatment at 150 ° C to 180 ° C.
  • the tape is rolled up on a roll after coating and, if necessary, cleaning.
  • rolling up can take place with an intermediate layer of a special heat-resistant and therefore expensive paper serving as release agent.
  • the roll is then placed in an oven for about 15 hours at 150 ° C to 180 ° C tempered. This method is called a postbake method.
  • the intermetallic phase is formed or reinforced and the coating is thereby hardened.
  • the thickness of the intermetallic phase is usually about 1 ⁇ m after the treatment.
  • the roll for inserting an intermediate layer of paper serving to protect the surface during transport and possibly removing the paper inserted before tempering is unrolled and rolled up again.
  • a disadvantage of this method is that it is very time-consuming and labor-intensive and the material is subjected to the required winding and unwinding bending loads. This can lead to fatigue and the formation of cracks. If the tape is rolled up after coating without the release paper, further handling of the roll in the soft tin will easily result in scratches and plastic deformation due to contact with overlying and underlying layers of the tape and upon heating to cake each other contacting band sections.
  • the object of the present invention is to provide a less time-consuming and labor-intensive method for forming or reinforcing the intermetallic phase. This object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments emerge from the features of claims 2 to 17.
  • the intermetallic phase is located between the metal or the alloy of the metal and the layer or the further layer.
  • the Tin or the tin alloy or the further metal or the alloy of the further metal and thereon the tin or the tin alloy is / are applied in sections to a blank consisting of the metal or the alloy of the metal. Thereafter, the blank, optionally after a partial cleaning carried out to form or reinforce the intermetallic phase in sections to a temperature above 100 ° C and below the melting point of the tin or the tin alloy or kept at such a temperature.
  • the tin or the tin alloy can be applied to the blank or the further layer in a thickness of 1.5 to 20 .mu.m, in particular 2 to 7 .mu.m, in particular 2 to 4 .mu.m.
  • the thickness and geometry of the coating produced by applying the tin or the tin alloy and optionally further layers remains largely unchanged.
  • the original workpiece geometry remains almost unchanged.
  • the risk of damage to such a workpiece in the inventive method is significantly reduced.
  • the intermetallic phase is formed or reinforced immediately after coating, thereby resulting in a higher hardness of the coating shortly after application of the coating.
  • the method according to the invention has the significant advantage in manufacturing that the setting or holding of the temperature can be carried out in the otherwise usual processing steps of the workpiece. For example, at the end of a series of processing steps or between individual processing steps, e.g. B. be carried out using a continuous furnace. As a result, the total production time is only slightly increased and it can be kept significantly shorter cycle times than when using the usual post-bake method. In addition, eliminating the conventional post-bake process before tempering to protect the surface of a band-shaped workpiece possibly taking place an intermediate layer of paper and removing this paper after tempering and the unwinding and rewinding of the workpiece for inserting an intermediate layer of paper and the mechanical loads caused thereby.
  • the insertion of the paper liner can be omitted because between the coating and tempering there is no risk that the surface of the workpiece is scratched or plastically deformed and because there is no risk of caking due to the non-contact with other locations of the tape during tempering.
  • the insertion of a paper to protect the surface of the workpiece can take place without additional mechanical stress.
  • the metal may be copper.
  • the other metal may be nickel or copper.
  • the alloy of the further metal may be an alloy containing copper and nickel. Both the metal and the further metal may be copper.
  • the additional metal in particular in the form of copper, the surface of the workpiece can be smoothed. As a result, a better adhesion of the tin can be achieved.
  • the crystallographic orientation of the metal and the further metal may differ.
  • the further layer may be, for example, a barrier layer which at least largely prevents the formation of an intermetallic phase from the metal and the tin.
  • a barrier layer may for example consist of nickel or a copper-nickel alloy. If the metal is copper and the other metal is nickel, an intermetallic phase of nickel and copper is formed upon heating. The diffusion of tin atoms into copper and interactions between tin and copper are inhibited or prevented. As a result, the formation of whiskers can be greatly inhibited.
  • the further layer can be applied galvanically. It can be applied, for example, in a thickness of up to 3 microns.
  • no point of the blank is for more than three minutes, in particular more than two minutes, in particular more than one minute, in particular more than 40 seconds, in particular more than 30 seconds, in particular more than 25 seconds, in particular more than 20 seconds, in particular more than 15 seconds, in particular more than 10 seconds, brought to the temperature or kept at the temperature. It is particularly preferred if each point of the blank is brought to the temperature or held at the temperature for 10 to 40 seconds, in particular 15 to 30 seconds, in particular 20 to 25 seconds.
  • An advantage of this method over the post-bake method is that the workpiece may have higher strength and hardness after the method has been performed.
  • the layer or the further layer especially if it consists of pure copper or copper with a low foreign metal content, often cold formed, ie compacted, for example by cold rolling.
  • the resulting increased hardness and strength is often lost in a long tempering associated with the postbake process by recrystallization and recovery processes. Due to the relatively short temperature in the process according to the invention, however, the strength and hardness of the blank hardly or not at all reduced.
  • the relatively short tempering has the advantage that only a thin intermetallic phase is formed, on which the layer of tin or the tin alloy can rest in one or more layers and fine-grained. Fine-grained layers of tin or of the tin alloy are formed by electroplating, the number of individual layers corresponding to the number of galvanic coatings.
  • the workpiece has improved further processing properties and / or service properties.
  • the bending behavior is improved by the thin intermetallic phase compared to workpieces with a thicker intermetallic phase, as formed in the conventional multi-hour postbake process.
  • the strength of the intermetallic phase increases at the expense of the thickness of the layer or the further layer during storage of the workpiece over time, regardless of how the intermetallic phase was generated. This can even go so far that the layer or the further layer completely transforms into the intermetallic phase.
  • a surface formed by the intermetallic phase can only be soldered with the aid of solder and a flux for removing oxides on the surface.
  • the formation of an only thin intermetallic phase in the process according to the invention leaves more material than the tin applied to the blank or the tin alloy applied to the blank, in particular after prolonged storage, than in the formation of a thicker intermetallic phase.
  • This material is available for subsequent soldering processes or at least forms a protective layer that prevents oxides from being removed from the surface during soldering by a flux.
  • the solderability of the workpiece is characterized, especially after a long time Storage of the workpiece, significantly improved and the shelf life of the workpiece is increased.
  • the oxide layer is thinner than 3 .mu.m, in particular thinner than 1 .mu.m, in particular thinner than 0.5 .mu.m, in particular thinner than 0.2 .mu.m, in particular thinner than 0.2 nm.
  • the oxide layer is thinner than 3 .mu.m, in particular thinner than 1 .mu.m, in particular thinner than 0.5 .mu.m, in particular thinner than 0.2 .mu.m, in particular thinner than 0.2 nm.
  • From the very small thickness of the oxide layer results in a significantly improved Solderability to a surface with a thicker oxide layer, as z. B. arises in the conventional multi-hour postbake process. This is probably due to the fact that the surface of a workpiece with a thin oxide layer can be better wetted with solder material than the surface of a workpiece with a thicker oxide layer. Due to the matte surface and the associated low surface reflection and laser welding of the workpiece is easily possible.
  • the tempering which lasts for a maximum of three minutes, significantly reduces the processing time compared with the processing time when carrying out the conventional multi-hour postbake process.
  • shortening the tempering time can either increase the speed of the cycle or reduce the cycle time and / or reduce the distance required to hold or adjust the temperature.
  • the plants provided for the implementation of the method in a continuous process can thereby be shorter and less expensive.
  • the blank is brought to the temperature by heating. It is not absolutely necessary to control the temperature of the blank.
  • the process is characterized procedurally simple and therefore inexpensive to perform. For example, a continuous furnace can be used for this purpose.
  • the layer may be applied galvanically or by contacting it with a melt of the tin or the tin alloy.
  • the further layer can also be applied galvanically or by bringing it into contact with a melt of the further metal or the alloy of the further metal.
  • an intermetallic phase is formed which is intensified by the method according to the invention.
  • the contacting with the melt can, for. B. done by a so-called hot tinning.
  • the blank can be driven through a tank with liquid tin. Thereafter, the liquid tin, z. B. far removed by means of air nozzles that the tin remains in the desired thickness on the workpiece.
  • the further metal or the alloy of the further metal are preferably applied to the blank in a thickness of 50 to 500 nm, in particular 100 to 200 nm.
  • the blank is in the form of a belt, in particular a punching belt, which passes longitudinally through a plurality of processing stations, so that at the same time, except for processing the beginning and the end of the belt, different processing steps are performed.
  • a portion of the belt traveling along the belt after the application of the layer when passing through one of the processing stations, e.g. B. in a continuous furnace, brought to the temperature or kept at the temperature.
  • the layer can also be formed by multiple electroplating, which usually takes place at the temperature or at the temperature hold only after the last galvanic application.
  • the advantages of the method according to the invention come particularly to advantage, because the total processing time of a different processing stations continuous band increases only by the time of tempering the band. A multi-hour "baking" in an oven and the associated steps are eliminated.
  • the tape is unrolled from a first roll, then passes through the processing stations and is then rolled up, in particular without a release agent, on a second roll.
  • Both the first and second rolls can be formed by the tape itself.
  • the rollers may each be formed by rolling the tape on a carrier.
  • the intermetallic phase preferably has a thickness of at most 500 nm, in particular a thickness of 30 to 300 nm, in particular a thickness of 50 to 150 nm, in particular a thickness of 70 to 100 nm.
  • a thin intermetallic phase improves, especially in combination with a fine-grained layer of tin, the further processing and in particular the bending properties of the workpiece. When bending the workpiece, the formation of cracks in the layer is largely avoided.
  • the alloy of the metal may be CuFe, in particular CuFe2P, or CuNiSn, CuNiSi, brass (CUZn), CuBe or CuSnZn or a bronze, in particular CuSn 4 , CuSn 6 or CuSn 8 .
  • the workpiece can be a stamped grid, a punched strip, a component or a composite of components.
  • the component / components is preferably a component / components for the electrical industry, in particular a contact / contacts.
  • the punching tape is a stamped tape.
  • can be punched out of the tape material have been that the remaining material, apart from remaining on both sides remaining continuous metal strip, contacts for the electrical industry, which are punched out of the tape at the end or after performing the method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall oder einer Legierung eines Metalls mit einer Beschichtung aus mindestens einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung und optional einer zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht angeordneten weiteren Schicht aus einem weiteren Metall oder einer Legierung eines weiteren Metalls, sowie mit einer das Metall und Zinn oder bei Vorhandensein der weiteren Schicht das Metall und das weitere Metall enthaltenden intermetallischen Phase zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht oder der weiteren Schicht, wobei das Zinn oder die Zinnlegierung oder das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls und darauf das Zinn oder die Zinnlegierung auf einen aus dem Metall oder der Legierung des Metalls bestehenden Rohling abschnittsweise aufgebracht wird/werden, wobei der Rohling danach zur Ausbildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase abschnittsweise auf eine Temperatur oberhalb von 100°C und unterhalb des Schmelzpunkts des Zinns oder der Zinnlegierung gebracht oder auf einer solchen Temperatur gehalten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Metall oder einer Legierung eines Metalls mit einer Beschichtung aus mindestens einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung und mit einer das Metall enthaltenden intermetallischen Phase zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht. Bei dem Verfahren wird das Zinn oder die Zinnlegierung auf einen aus dem Metall oder der Legierung des Metalls bestehenden Rohling oder einer auf dem Rohling aufgebrachten weiteren Metallschicht aufgebracht, wobei der Rohling danach zur Ausbildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Zinns oder der Zinnlegierung erwärmt wird.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen oder galvanisch mit einer Beschichtung aus Zinn zu versehen. Um eine bessere Haftung des Zinns und/oder einer größere Härte der Beschichtung zu erreichen ist es günstig, wenn zwischen dem Kupfer oder der Kupferlegierung und dem Zinn eine intermetallische Phase gebildet oder die Stärke einer solchen Phase erhöht wird. Die intermetallische Phase enthält sowohl Kupfer als auch Zinn. Direkt nach der Bildung kann die intermetallische Phase zu einem kleineren Anteil aus Cu3Sn und zu einem größeren Anteil aus Cu6Sn5 bestehen, wobei sich das Cu6Sn5 im Laufe der Zeit zu Cu3Sn umwandelt, so dass die intermetallische Phase dann nur noch aus Cu3Sn besteht. Bei feuerverzinntem Kupfer bzw. feuerverzinnten Kupferlegierungen ist eine solche intermetallische Phase bereits vorhanden, während sie bei galvanisch aufgebrachtem Zinn unmittelbar nach dem Auftrag fehlt.
  • Zur Bildung oder Erhöhung der Stärke der intermetallischen Phase kann das beschichtete Kupfer oder die beschichtete Kupferlegierung einer sogenannten Reflow-Behandlung unterzogen werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der JP 01159397 A bekannt. Dabei wird das aufgebrachte Zinn oder die aufgebrachte Zinnlegierung kurz über den Schmelzpunkt des Zinns erwärmt. Nachteilig ist dabei, dass es bei dem Aufschmelzen des Zinns zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Zinns kommt. Insbesondere fließt das Zinn von den Kanten einer beschichteten Fläche eines Werkstücks ab, während es sich in der Mitte der Fläche ansammelt, so dass die Geometrie des beschichteten Werkstücks von dessen ursprünglicher Geometrie abweicht. Das Werkstück kann dadurch eine verschlechterte Biegbarkeit, Lötbarkeit und Passgenauigkeit aufweisen. Handelt es sich bei dem Werkstück um einen Stecker, kann es durch die ungleichmäßige Verteilung des Zinns zu einer Abweichung von einer gewünschten Steckkraft kommen.
  • Ein Vorteil des Verfahrens besteht jedoch darin, dass sich in dem Metall vorhandene Verspannungen lösen und die, gerade bei elektronischen Bauteilen gefährliche, Whisker-Bildung vermindert ist.
  • Um die Bildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase zu erreichen, dabei aber die ungleichmäßige Verteilung des Zinns auf dem Werkstück zu vermeiden und die ursprüngliche Geometrie des Werkstücks soweit als möglich zu erhalten, können die Werkstücke nach dem Beschichten mit Zinn statt einer Reflow-Behandlung einer mehrstündigen Behandlung bei 150°C bis 180°C unterzogen werden. Im Falle eines Kupferbands oder eines Kupferstanzbands wird das Band dazu nach der Beschichtung und einer gegebenenfalls erfolgenden Reinigung auf einer Rolle aufgerollt. Zur Verhinderung von Beschädigungen der noch weichen Beschichtung kann das Aufrollen mit einer Zwischenlage eines als Trennmittel dienenden speziellen hitzebeständigen und damit teuren Papiers erfolgen. Die Rolle wird anschließend in einem Ofen für etwa 15 Stunden bei 150°C bis 180°C temperiert. Dieses Verfahren wird als Postbake-Verfahren bezeichnet. Durch diese Behandlung wird die intermetallische Phase ausgebildet bzw. verstärkt und die Beschichtung dadurch gehärtet. Die Stärke der intermetallischen Phase beträgt nach der Behandlung üblicherweise etwa 1 µm. Nach Durchführung des Postbake-Verfahrens wird die Rolle zum Einlegen einer dem Schutz der Oberfläche beim Transport dienenden Zwischenlage aus Papier und ggf. Entfernen des vor dem Temperieren eingelegten Papiers abgerollt und wieder aufgerollt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass es sehr zeit- und arbeitsaufwendig ist und das Material durch das erforderliche Auf- und Abrollen Biegebelastungen unterzogen wird. Dadurch kann es zu Ermüdungserscheinungen und der Bildung von Rissen kommen. Erfolgt das Aufrollen des Bandes nach der Beschichtung ohne das als Trennmittel dienende Papier, kommt es bei der weiteren Handhabung der Rolle in dem weichen Zinn leicht zu Kratzern und plastischen Verformungen durch den Kontakt mit darüberliegenden und darunterliegenden Schichten des Bandes und beim Erwärmen zum Zusammenbacken einzelner sich kontaktierender Bandabschnitte.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weniger zeit- und arbeitsaufwendiges materialschonendes Verfahren zur Ausbildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 17.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall oder einer Legierung eines Metalls mit einer Beschichtung aus mindestens einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung und optional einer zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht angeordneten weiteren Schicht aus einem weiteren Metall oder einer Legierung eines weiteren Metalls, sowie mit einer das Metall und Zinn oder bei Vorhandensein der weiteren Schicht das Metall und das weitere Metall enthaltenden intermetallischen Phase vorgesehen. Die intermetallische Phase befindet sich dabei zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht oder der weiteren Schicht. Das Zinn oder die Zinnlegierung oder das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls und darauf das Zinn oder die Zinnlegierung wird/werden auf einen aus dem Metall oder der Legierung des Metalls bestehenden Rohling abschnittsweise aufgebracht. Danach wird der Rohling, gegebenenfalls nach einer abschnittsweise erfolgenden Reinigung, zur Ausbildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase abschnittsweise auf eine Temperatur oberhalb von 100°C und unterhalb des Schmelzpunkts des Zinns oder der Zinnlegierung gebracht oder auf einer solchen Temperatur gehalten.
  • Unter "abschnittsweise" ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass jeweils ein Abschnitt des Rohlings und nicht der Rohling als Ganzes auf die Temperatur gebracht oder auf der Temperatur gehalten wird. Dabei kann durch die Abschnitte jede Stelle des Werkstücks oder ein großer Bereich des Werkstücks abgedeckt werden oder es können nur einzelne Stellen des Werkstücks durch die Abschnitte abgedeckt werden. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Abschnitt auf dem Werkstück auch "entlangwandern".
  • Das Zinn oder die Zinnlegierung kann in einer Stärke von 1,5 bis 20 µm, insbesondere 2 bis 7 µm, insbesondere 2 bis 4 µm, auf den Rohling oder die weitere Schicht aufgebracht werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bleibt die durch Auftragen des Zinns oder der Zinnlegierung und ggf. weiterer Schichten erzeugte Beschichtung in ihrer Stärke und Geometrie weitgehend unverändert erhalten. Damit bleibt auch die ursprüngliche Werkstückgeometrie nahezu unverändert erhalten.
  • Gegenüber dem herkömmlichen mehrstündigen Postbake-Verfahren, bei dem ein mit dem sehr weichen Zinn beschichtetes bandförmiges Werkstück aufgerollt und wieder abgerollt werden muss, ist die Beschädigungsgefahr für ein solches Werkstück bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich verringert. Die intermetallische Phase wird unmittelbar nach dem Beschichten gebildet oder verstärkt und führt dadurch bereits kurz nach dem Aufbringen der Beschichtung zu einer größeren Härte der Beschichtung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist bei der Fertigung den wesentlichen Vorteil auf, dass das Einstellen oder Halten der Temperatur bei den sonst üblichen Verarbeitungsschritten des Werkstücks ausgeführt werden kann. Beispielsweise kann es am Ende einer Reihe von Verarbeitungsschritten oder zwischen einzelnen Verarbeitungsschritten z. B. unter Einsatz eines Durchlaufofens ausgeführt werden. Dadurch verlängert sich die Gesamtfertigungszeit nur unwesentlich und es können deutlich kürzere Taktzeiten eingehalten werden, als bei Anwendung des bisher üblichen Postbake-Verfahrens. Darüber hinaus entfallen das beim herkömmlichen Postbake-Verfahren vor dem Temperieren zum Schutz der Oberfläche eines bandförmigen Werkstücks ggf. erfolgende Einlegen einer Zwischenlage aus Papier und das Entfernen dieses Papiers nach dem Temperieren sowie das Ab- und Wiederaufrollen des Werkstücks zum Einlegen einer Zwischenlage aus Papier und die dadurch verursachten mechanischen Belastungen. Das Einlegen der Zwischenlage aus Papier kann entfallen, weil zwischen dem Beschichten und dem Temperieren keine Gefahr besteht, dass die Oberfläche des Werkstücks verkratzt oder plastisch verformt wird und weil durch den beim Temperieren nicht vorhandenen Kontakt mit anderen Stellen des Bands keine Gefahr des Zusammenbackens besteht. Bei einem nach dem Temperieren sowieso erfolgenden Aufrollen des bandförmigen Werkstücks kann das Einlegen eines Papiers zum Schutz der Oberfläche des Werkstücks ohne zusätzliche mechanische Belastung erfolgen.
  • Bei dem Metall kann es sich um Kupfer handeln. Bei dem weiteren Metall kann es sich um Nickel oder ebenfalls um Kupfer handeln. Bei der Legierung des weiteren Metalls kann es sich um eine Kupfer und Nickel enthaltenden Legierung handeln. Es kann sich sowohl bei dem Metall als auch bei dem weiteren Metall um Kupfer handeln. Durch das weitere Metall, insbesondere in Form von Kupfer, kann die Oberfläche des Werkstücks geglättet werden. Dadurch kann eine bessere Haftung des Zinns erreicht werden. Die kristallografische Orientierung des Metalls und des weiteren Metalls können sich unterscheiden.
  • Bei der weiteren Schicht kann es sich beispielsweise um eine Sperrschicht handeln, die die Ausbildung einer intermetallischen Phase aus dem Metall und dem Zinn zumindest weitgehend verhindert. Eine solche Sperrschicht kann beispielsweise aus Nickel oder einer Kupfer-Nickel-Legierung bestehen. Handelt es sich bei dem Metall um Kupfer und dem weiteren Metall um Nickel, bildet sich beim Erwärmen eine intermetallische Phase aus Nickel und Kupfer. Die Diffusion von Zinnatomen in Kupfer und Wechselwirkungen zwischen Zinn und Kupfer werden gehemmt bzw. verhindert. Dadurch kann die Ausbildung von Whiskern stark gehemmt werden. Die weitere Schicht kann galvanisch aufgebracht werden. Sie kann beispielsweise in einer Stärke von bis zu 3 µm aufgebracht werden.
  • Vorzugsweise wird keine Stelle des Rohlings für mehr als drei Minuten, insbesondere mehr als zwei Minuten, insbesondere mehr als eine Minute, insbesondere mehr als 40 Sekunden, insbesondere mehr als 30 Sekunden, insbesondere mehr als 25 Sekunden, insbesondere mehr als 20 Sekunden, insbesondere mehr als 15 Sekunden, insbesondere mehr als 10 Sekunden, auf die Temperatur gebracht oder bei der Temperatur gehalten. Besonders bevorzugt ist es, wenn jede Stelle des Rohlings für 10 bis 40 Sekunden, insbesondere 15 bis 30 Sekunden, insbesondere 20 bis 25 Sekunden, auf die Temperatur gebracht oder bei der Temperatur gehalten wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem Postbake-Verfahren besteht darin, dass das Werkstück nach Durchführung des Verfahrens eine höhere Festigkeit und Härte aufweisen kann. Zur Erhöhung der Festigkeit und der Härte wird das Werkstück vor dem Aufbringen der Schicht oder der weiteren Schicht, insbesondere wenn es aus reinem Kupfer oder Kupfer mit einem geringen Fremdmetallanteil besteht, häufig kalt umgeformt, d. h. zum Beispiel durch Kaltwalzen verdichtet. Die dadurch erhöhte Härte und Festigkeit geht bei einer mit dem Postbake-Verfahren einhergehenden langen Temperierung durch Rekristallisations- und Erholungsprozesse häufig verloren. Durch die verhältnismäßig kurze Temperierung beim erfindungsgemäßen Verfahren vermindert sich die Festigkeit und Härte des Rohlings dagegen kaum oder gar nicht.
  • Weiterhin hat die verhältnismäßig kurze Temperierung den Vorteil, dass dabei nur eine dünne intermetallische Phase ausgebildet wird, auf der die Schicht aus Zinn oder der Zinnlegierung ein- oder mehrlagig und feinkörnig aufliegen kann. Feinkörnige Schichten aus Zinn oder der Zinnlegierung bilden sich durch galvanischen Auftrag, wobei die Zahl der einzelnen Lagen der Anzahl der galvanischen Beschichtungen entspricht. Durch den genannten Aufbau weist das Werkstück verbesserte Weiterverarbeitungseigenschaften und/oder Gebrauchseigenschaften auf. Insbesondere das Biegeverhalten ist durch die dünne intermetallische Phase gegenüber Werkstücken mit einer dickeren intermetallischen Phase, wie sie beim herkömmlichen mehrstündigen Postbake-Verfahren gebildet wird, verbessert. Beim Biegen wird das Auftreten von Oberflächenrissen und eine damit möglicherweise einhergehende Korrosion des dadurch freigelegten Metalls oder der dadurch freigelegten Legierung des Metalls weitgehend verhindert. Risse in der Oberfläche des Werkstücks stellen oft auch einen Ausgangspunkt für ein weiteres Einreißen des Metalls oder der Legierung des Metalls dar. Die Risse setzen sich dann im Metall oder in der Legierung des Metalls fort.
  • Weiterhin nimmt die Stärke der intermetallischen Phase auf Kosten der Stärke der Schicht oder der weiteren Schicht bei Lagerung des Werkstücks im Laufe der Zeit unabhängig davon, wie die intermetallische Phase erzeugt wurde, zu. Dies kann sogar so weit gehen, dass sich die Schicht oder die weitere Schicht vollständig in die intermetallische Phase verwandelt. Eine von der intermetallischen Phase gebildete Oberfläche kann nur noch unter Zuhilfenahme von Lot und einem Flussmittel zur Beseitigung von Oxiden auf der Oberfläche gelötet werden. Durch die Bildung einer nur dünnen intermetallischen Phase beim erfindungsgemäßen Verfahren verbleibt von dem auf den Rohling aufgetragenen Zinn oder der auf den Rohling aufgetragenen Zinnlegierung, insbesondere nach längerer Lagerung, mehr Material als bei der Bildung einer dickeren intermetallischen Phase. Dieses Material steht für spätere Lötprozesse zur Verfügung oder bildet zumindest eine Schutzschicht, die verhindert, dass beim Löten Oxide auf der Oberfläche durch ein Flussmittel beseitigt werden müssen. Die Lötbarkeit des Werkstücks ist dadurch, insbesondere nach längerer Lagerung des Werkstücks, deutlich verbessert und die Lagerfähigkeit des Werkstücks ist erhöht.
  • Darüber hinaus bildet sich durch die kurze Temperierung auf der Oberfläche des Werkstücks nur eine sehr dünne Oxidschicht aus. Vorzugsweise ist die Oxidschicht dünner als 3 µm, insbesondere dünner als 1 µm, insbesondere dünner als 0,5 µm, insbesondere dünner als 0,2 µm, insbesondere dünner als 0,2 nm. Aus der sehr geringen Stärke der Oxidschicht resultiert eine deutlich verbesserte Lötbarkeit gegenüber einer Oberfläche mit einer dickeren Oxidschicht, wie sie z. B. im herkömmlichen mehrstündigen Postbake-Verfahren entsteht. Dies liegt vermutlich daran, dass sich die Oberfläche eines Werkstücks mit dünner Oxidschicht besser mit Lötmaterial benetzen lässt als die Oberfläche eines Werkstücks mit einer dickeren Oxidschicht. Auf Grund der matten Oberfläche und der damit einhergehenden geringen Oberflächenreflexion ist auch ein Laserschweißen des Werkstücks problemlos möglich.
  • Durch die höchstens drei Minuten dauernde Temperierung lässt sich die Verarbeitungszeit gegenüber der Verarbeitungszeit bei Durchführung des herkömmlichen mehrstündigen Postbake-Verfahrens deutlich verringern. Bei einem Werkstück, welches bei der Verarbeitung mehrere Stationen durchläuft, lässt sich durch Verkürzen der Temperierungszeit entweder die Geschwindigkeit des Durchlaufens erhöhen bzw. die Taktzeit verringern und/oder die für das Halten oder Einstellen der Temperatur erforderliche Wegstrecke verringern. Die für die Durchführung des Verfahrens im Durchlaufverfahren vorgesehenen Anlagen können dadurch kürzer und kostengünstiger sein.
  • Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Temperatur auf die der Rohling abschnittsweise gebracht oder auf der er abschnittsweise gehalten wird 150°C bis 210°C, insbesondere 175°C bis 205°C, insbesondere 180°C bis 200°C, insbesondere 185°C bis 200°C, beträgt.
  • Vorzugsweise wird der Rohling durch Erwärmen auf die Temperatur gebracht. Dabei ist eine Kontrolle der Temperatur des Rohlings nicht unbedingt erforderlich. Das Verfahren ist dadurch verfahrenstechnisch einfach und damit kostengünstig durchzuführen. Beispielsweise kann dazu ein Durchlaufofen eingesetzt werden.
  • Die Schicht kann galvanisch oder durch Inkontaktbringen mit einer Schmelze des Zinns oder der Zinnlegierung aufgebracht werden. Auch die weitere Schicht kann galvanisch oder durch Inkontaktbringen mit einer Schmelze des weiteren Metalls oder der Legierung des weiteren Metalls aufgebracht werden. Unmittelbar nach dem galvanischen Auftrag ist keine intermetallische Phase vorhanden, während sich beim Aufbringen der Schicht oder der weiteren Schicht durch Inkontaktbringen mit der Schmelze eine intermetallische Phase ausbildet, die durch das erfindungsgemäße Verfahren verstärkt wird. Das Inkontaktbringen mit der Schmelze kann z. B. durch ein sogenanntes Feuerverzinnen erfolgen. Dabei kann der Rohling durch ein Becken mit flüssigem Zinn gefahren werden. Danach wird das flüssige Zinn, z. B. mittels Luftdüsen soweit entfernt, dass das Zinn in der gewünschten Schichtdicke auf dem Werkstück verbleibt.
  • Das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls werden vorzugsweise in einer Stärke von 50 bis 500 nm, insbesondere 100 bis 200 nm, auf den Rohling aufgebracht.
  • Vorzugsweise liegt der Rohling in Form eines Bandes, insbesondere eines Stanzbandes, vor, welches der Länge nach mehrere Verarbeitungsstationen durchläuft, so dass daran, außer bei einer Verarbeitung des Anfangs und des Endes des Bandes, gleichzeitig verschiedene Verarbeitungsschritte vorgenommen werden. Dabei wird ein auf dem Band entlangwandernder Abschnitt des Bandes nach dem Aufbringen der Schicht beim Durchlaufen einer der Verarbeitungsstationen, z. B. in einem Durchlaufofen, auf die Temperatur gebracht oder auf der Temperatur gehalten. Die Schicht kann dabei auch durch mehrfaches galvanisches Auftragen gebildet werden, wobei das auf die Temperatur Bringen oder auf der Temperatur Halten meist erst nach dem letzten galvanischen Auftrag erfolgt. Bei Vorliegen des Rohlings in Form eines Bandes kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zur Geltung, weil die Gesamtverarbeitungszeit eines verschiedene Verarbeitungsstationen durchlaufenden Bandes sich lediglich um die Zeit der Temperierung des Bandes erhöht. Ein mehrstündiges "Backen" in einem Ofen und die damit verbundenen Arbeitsschritte entfallen.
  • Verfahrenstechnisch besonders vorteilhaft ist es, wenn das Band durch die Verarbeitungsstationen gezogen wird. Dies verhindert Stauchungen und dadurch verursachte Knicke des Bandes und ist ohne großen technischen Aufwand möglich und dadurch kostengünstig.
  • Vorzugsweise wird das Band von einer ersten Rolle abgerollt, durchläuft dann die Verarbeitungsstationen und wird anschließend, insbesondere ohne ein Trennmittel, auf einer zweiten Rolle aufgerollt. Sowohl die erste als auch die zweite Rolle können vom Band selbst gebildet werden. Alternativ können die Rollen auch jeweils dadurch gebildet werden, dass das Band auf einem Träger aufgerollt wird.
  • Vorzugsweise weist die intermetallische Phase eine Stärke von höchstens 500 nm, insbesondere eine Stärke von 30 bis 300 nm, insbesondere eine Stärke von 50 bis 150 nm, insbesondere eine Stärke von 70 bis 100 nm, auf. Eine solch dünne intermetallische Phase verbessert, insbesondere in Kombination mit einer feinkörnigen Schicht aus Zinn, die Weiterverarbeitungs- und insbesondere die Biegeeigenschaften des Werkstücks. Beim Biegen des Werkstücks wird die Bildung von Rissen in der Schicht weitgehend vermieden.
  • Bei der Legierung des Metalls kann es sich um CuFe, insbesondere CuFe2P, oder CuNiSn, CuNiSi, Messing (CUZn), CuBe oder CuSnZn oder eine Bronze, insbesondere CuSn4, CuSn6 oder CuSn8, handeln.
  • Bei dem Werkstück kann es sich um ein Stanzgitter, ein Stanzband, ein Bauteil oder ein Verbund von Bauteilen handeln. Bei dem Bauteil/den Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil/Bauteile für die Elektroindustrie, insbesondere einen Kontakt/Kontakte. Bei dem Stanzband handelt es sich um ein gestanztes Band. Beispielsweise kann aus dem Band Material so herausgestanzt worden sein, dass das verbleibende Material, abgesehen von beidseits verbleibenden durchgehenden Metallstreifen, Kontakte für die Elektroindustrie darstellt, die am Ende oder nach Durchführung des Verfahrens aus dem Band herausgestanzt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Ein Stanzband aus Kupfer wird von einer ersten Rolle abgerollt und auf einer zweiten Rolle aufgerollt. Das Band wird dabei durch einen Antrieb von der ersten Rolle zur zweiten Rolle hin gezogen. Zwischen der ersten und der zweiten Rolle durchläuft das Band kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit verschiedene Verarbeitungsstationen:
    • In der ersten Station erfolgt eine gründliche Entfettung in einem Bad eines fettlösenden Lösungsmittels und ein anschließendes Abblasen noch anhaftenden Lösungsmittels vom Stanzband. Dann erfolgt eine Aktivierung, bei der das Stanzband durch eine saure Lösung geführt wird, gefolgt von einem gründlichen Spülen zum Entfernen der noch anhaftenden sauren Lösung. Daraufhin wird das Band durch ein galvanisches Bad gezogen, in dem elektrochemisch Zinn auf dem Stanzband abgeschieden wird. Nach erneutem Spülen oder auch ohne weiteres Spülen können noch weitere galvanische Verzinnungsschritte erfolgen, an die sich vor einem weiteren Verzinnungsschritt ggf. jeweils ein gründliches Spülen anschließt. Nach dem Verzinnen wird das Band gespült und getrocknet und durch einen Durchlaufofen gezogen. Die Geschwindigkeit, mit der das Band bewegt wird, und die Länge des Durchlaufofens sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass jede Stelle des Stanzbandes für 20 Sekunden auf eine Temperatur von 180°C gebracht wird. Im weiteren Verlauf des Verfahrens kühlt das Stanzband ab und wird auf der zweiten Rolle aufgerollt.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks aus Metall oder einer Legierung eines Metalls mit einer Beschichtung aus mindestens einer Schicht aus Zinn oder einer Zinnlegierung und optional einer zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht angeordneten weiteren Schicht aus einem weiteren Metall oder einer Legierung eines weiteren Metalls, sowie mit einer das Metall und Zinn oder bei Vorhandensein der weiteren Schicht das Metall und das weitere Metall enthaltenden intermetallischen Phase zwischen dem Metall oder der Legierung des Metalls und der Schicht oder der weiteren Schicht, wobei das Zinn oder die Zinnlegierung oder das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls und darauf das Zinn oder die Zinnlegierung auf einen aus dem Metall oder der Legierung des Metalls bestehenden Rohling abschnittsweise aufgebracht wird/werden, wobei der Rohling danach zur Ausbildung oder Verstärkung der intermetallischen Phase abschnittsweise auf eine Temperatur oberhalb von 100°C und unterhalb des Schmelzpunkts des Zinns oder der Zinnlegierung gebracht oder auf einer solchen Temperatur gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Metall um Kupfer handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem weitern Metall um Kupfer oder Nickel oder bei der Legierung des weiteren Metalls um eine Kupfer und Nickel enthaltende Legierung handelt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei keine Stelle des Rohlings für mehr als drei Minuten, insbesondere mehr als zwei Minuten, insbesondere mehr als eine Minute, insbesondere mehr als 40 Sekunden, insbesondere mehr als 30 Sekunden, insbesondere mehr als 25 Sekunden, insbesondere mehr als 20 Sekunden, insbesondere mehr als 15 Sekunden, insbesondere mehr als 10 Sekunden, auf die Temperatur gebracht oder bei der Temperatur gehalten wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Stelle des Rohlings für 10 bis 40 Sekunden, insbesondere 15 bis 30 Sekunden, insbesondere 20 bis 25 Sekunden, auf die Temperatur gebracht oder bei der Temperatur gehalten wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur 150°C bis 210°C, insbesondere 175°C bis 205°C, insbesondere 180°C bis 200°C, insbesondere 185°C bis 200°C, beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rohling durch Erwärmen auf die Temperatur gebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Zinn oder die Zinnlegierung galvanisch oder durch Inkontaktbringen mit einer Schmelze des Zinns oder der Zinnlegierung und/oder das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls galvanisch oder durch Inkontaktbringen mit einer Schmelze des weiteren Metalls oder der Legierung des weiteren Metalls aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Zinn oder die Zinnlegierung in einer Stärke von 1,5 bis 20 µm, insbesondere 2 bis 7 µm, insbesondere 2 bis 4 µm, auf den Rohling oder die weitere Schicht aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das weitere Metall oder die Legierung des weiteren Metalls in einer Stärke von 50 bis 500 nm, insbesondere 100 bis 200 nm, auf den Rohling aufgebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rohling in Form eines Bandes, insbesondere eines Stanzbandes, vorliegt, welches der Länge nach mehrere Verarbeitungsstationen durchläuft, so dass daran, außer bei einer Verarbeitung des Anfangs und des Endes des Bandes, gleichzeitig verschiedene Verarbeitungsschritte vorgenommen werden, wobei ein auf dem Band entlangwandernder Abschnitt des Bandes nach dem Aufbringen der Schicht beim Durchlaufen einer der Verarbeitungsstationen auf die Temperatur gebracht oder auf der Temperatur gehalten wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Band durch die Verarbeitungsstationen gezogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Band von einer ersten, insbesondere vom Band gebildeten, Rolle abgerollt wird, dann die Verarbeitungsstationen durchläuft und anschließend, insbesondere ohne ein Trennmittel, auf einer zweiten, insbesondere vom Band gebildeten, Rolle aufgerollt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die intermetallische Phase eine Stärke von höchstens 500 nm, insbesondere eine Stärke von 30 bis 300 nm, insbesondere eine Stärke von 50 bis 150 nm, insbesondere eine Stärke von 70 bis 100 nm, aufweist.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Oberfläche des Werkstücks eine Oxidschicht aufweist die dünner als 3 µm, insbesondere dünner als 1 µm, insbesondere dünner als 0,5 µm, insbesondere dünner als 0,2 µm, insbesondere dünner als 0,2 nm, ist.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Legierung des Metalls um CuFe, insbesondere CuFe2P, oder CuNiSn, CuNiSi, Messing (CuZn), CuBe oder CuSnZn oder eine Bronze, insbesondere CuSn4, CuSn6 oder CuSn8, handelt.
  17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem Werkstück um ein Stanzgitter, ein Stanzband, ein Bauteil oder ein Verbund von Bauteilen handelt.
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