DE1957031B2

DE1957031B2 - Vorrichtung zum Herstellen von Zinn- oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen

Info

Publication number: DE1957031B2
Application number: DE1957031A
Authority: DE
Inventors: Henryk Dipl.-Ing. Fidos; Horst Dr. Schreiner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1969-11-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: GB1335053A; DE1957031C3; FR2069304A5; CA935636A; SE359320B; ES385491A1; DE1957031A1; US3692578A; ZA707658B; CH570465A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Zinn- oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleichmäßigen Dicke > 3 μίτι, bestehend aus einem Zinn- oder Zinnlegierungsbad und einer heizbaren profilierten Abstreifdüse, deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen verläuft.

Für eine einwandfreie Lötbarkeit dickverzinnter Kupferschaltdrähte ist eine Mindestschichtdicke von μπι Zinn oder Zinnlegierung an jeder Stelle des Drahtes erforderlich. Es sind bereits verschiedene Verzinnungsverfahren zum Herstellen von Kupferschaltdrähten bekannt oder vorgeschlagen worden, bei denen man das Ziel verfolgt, festhaftende, gleichmäßig dicke, gut lötfähige Zinnschichten auf Kupferdrähten zu schaffen. Man kann dazu den Kupferdraht sowohl vor dem Einführen in das Zinnbad als auch nach dem Austritt aus dem Zinnbad geeignet behandeln.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1521487 ist z. B. eine Verzinnvorrichtung mit einer Abstreifdüse von polygonem Querschnitt bekannt, bei der zum Herstellen einer Zinnschicht der mittleren Dicke zwischen 3 und 10 μπι auf Drähten aus Kupfer und Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen eine auf einen Draht mit kreisförmigem Querschnitt aufgebrachte Zinnschicht beim Durchgang durch diese Absireifdüse zu einer Schicht mit über den Umfang des Drahtes schwankender, jedoch in den Sektoren gleicher mittlerer Dicke verteilt und diese unmittelbar darauf mit einer Kalibrierdüse mit kreisförmigem Querschnitt zu einer Schicht gleichmäßiger Dicke verformt wird.

Aus der französischen Patentschrift 1582 069 ist

ίο es beispielsweise bekannt, eine Abstreifdüse mit einer Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt in einer solchen Entfernung von der Oberfläche des Zinnbades oder des Bades aus einer überwiegend zinnhaltigen Legierung anzuordnen, daß die Abstreifdüse gerade

is innerhalb des Erstarrungsbereiches der Badkomponencen liegt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 402 696 ist es bekannt, einen geteilten Abstreifer zu verwenden.
Weiterhin ist es aus der deutschen Patentschrift

so 837 406 bekannt, bei einer Einrichtung zum Aufbringen von Lack auf Runddrähte Abstreifer zu verwenden, die so geformt sind, daß deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, der zwischen zwei konzentrischen Kreisen verläuft.

»5 Den bekannten Vorrichtungen haften noch Mangel in der laufenden Fertigung an. Vor allem treten noch Schichtdickenschwankungen auf, und es ist schwierig, die Schichtdicke einzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu überwinden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Radius des inneren konzentrischen Kreises 0,5 bis 2,5 μπι größer ist als die obere Toleranzgrenze für den Drahtradius des Drahtes, daß zwisehen den Radien der konzentrischen Kreise eine Differenz von 10 bis 50 μΐη besteht und daß auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren konzentrischen Kreises 3,5 bis 15 Halbwellen des Wellenzuges entfallen.

Vorteilhafterweise beträgt die Differenz zwischen den Radien der konzentrischen Kreise 20 bis 30 μηι. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren konzentrischen Kreises 5 bis 8 Halbweilen des Wellenzuges entfallen.

+5 Außerdem ist es vorteilhaft, daß die den äußeren der konzentrischen Kreise berührenden Halbwellen des Wellenzuges wenigstens angenähert kreisbogenförmig sind.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden verzinnte Kupferdrähte erhalten, die mit einer Zinnschicht gleichmäßiger Dicke über dem gesamten Umfang des Drahtes versehen sind. Durch die Geometrie der profilierten Abstreifdüse wird der Bernoullieffekt, der sogenannte hydrodynamische Druck, der bei Verwendung von Düsen mit kreisrundem Bohrungsquerschnitt zu asymmetrischen Lagen des Drahtes innerhalb der Abstreifdüse und damit zu sichelförmigen Zinnschichten auf dem Kupferdraht führt, vermieden. Durch die Wahl der Wellenhöhe,

d. h. durch die Wahl des Abstandes zwischen den beiden konzentrischen Kreisen,zwischen denen der Wellenzug verläuft, wird die Zinnschichtdicke festgelegt. Dabei lassen sich bei der Anpassung an den Drahtdurchmesser die Toleranzgrenzen für den Drahtdurchmesser berücksichtigen. Zu betonen ist, daß gegenüber düsenlosen Verfahren Drahtgeschwindigkeiten angewendet werden können, die größer als 0,2 m/s sind. Die Einstellung der Zinnschichtdicke kann auch

noch für hohe Drahtgeschwindigkeiien, d.h. für Drahtgeschwindigkeiten oberhalb von 1 m/s vorgenommen werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich daher vielfältig und äußerst wirtschaftlich anwenden. Bei düsenlosen Verzinnungsvorrichtungen führen Drahtgeschwindigkeiten zu Zinnschichten, die größer als 5 /im sind, was einen hohen, unwirtschaftlichen Zinnverbrauch bei der Verzinnung mit sich führt.

Die Lötbarkeit der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verzinnten Kupferdrähte kann nach dem Lotkugeltest geprüft werden. Als Prüfbedingungen sind bei 0,5 mm Drahtdurchmesser ein Lotkugelgewicht von 75 mg, falls SnPb 40 als Lot verwendet wird, und eine Prüftemperatur von 235^r C festgelegt. Der eingespannte Draht wird in die flüssige Lotperle eingetaucht und die Zeit gemessen, die verstreicht, bis der Lottropfen den gesamten Draht umschlossen hat. Bei erfindungsgemäß verzinnten Drähten liegen diese Lötzeiten auch nach Alterung über mehrere Tage, Z. B. durch Tempern, unter einer Sekunde, was eine hervorragende Lötbarkeit bedeutet. Wegen dieser guten Lötbarkeit sind die erfindungsgemäß verzinnten Kupferdrähte auch für das Löten mit automatischem Lötverfahren, z. B. für das Schwallöten oder das Hubtauchlöten, geeignet.

In Fig. 1 ist eine Dickverzinnungsanlage schematisch dargestellt. Der Kupferschaltdiaht 1 läuft in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung von einer Abspulvorrichtung 2 ab. Er durchläuft zunächst in einem Glühofen 3 eine Wasserdampfatmosphäre bei 800 bis 900" C, in der seine Oberfläche gereinigt wird. Danach läuft der geglühte Draht 1 in ein Wasserbad 4 ein. Mit einer Trockenbürste 5 wird nach dem Wasserbad 4 das Wasser von der Oberfläche des Drahtes abgestreift. Zur Beseitigung von Oberflächenschichten durchläuft der Kupferschaltdraht eine HCI-Beizc 6 und läuft in das Zinnbad 7 ein. Die HCI-Beize besteht aus einem mit Salzsäure gefüllten TropfgefäB, das, wie in der Fig. 1 gezeigt ist, über Abstreifern, die beispielsweise aus Filz gefertigt sein können, angeordnet ist. Die Abstreifer, über die der Draht 1 läuft, werden mittels der Tropfvorrichtung mit Salzsäure getränkt.

Im Zinnbad 7 wird der Draht 1 mit einer Umlenkrolle 8 umgelenkt and verläßt das Zinnbad wenigstens angenähert senkrecht. Um eine Verunreinigung des Zinnbades vor aÜem durch Oxidation an der Oberfläche zu vermeiden, ist das Zinnbad mit Holzkohle 9 und im Bereich der Auslaufstelle des Drahtes 1 mit einer Ölschicht 10 abgedeckt.

Der aus dem Zinnbad 7 auslaufende Kupferschaltdraht 1 ist durch eine Abstreifdüse 11 geführt, die in einem Abstand 1 über der Oberfläche des Zinnbades angeordnet ist. Das überschüssige Zinn, das von dem Draht 1 mitbewegt wird, wird durch die Abstreifdüse

11 beseitigt, und nach Durchlaufen einer Kühlstrecke

12 wird der Draht über Rollen 13 und 14 umgelenkt und zu einer Aufwickelvorrichtung geführt, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist.

Die Abstreifdüse 11 weist eine Bohrung mit einem Wcllenprofil auf. Der innere Durchmesser der Bohrung und die Tiefe der Wellen ist an den Durchmesser des Kupfcrschaltdrahtes angepaßt. Bezüglich dieser Anpassung wird auf die spätere Figurenbeschreibung verwiesen. Die Abstreifdüse 11 ist beheizt und vorzugsweise in cinuv. A.bstand 1 über der Badoberfläche angeordnet, der in an sich bekannter Weise innerhalb des Erstarrungsbereiches des Zinns oder der Zinnlegierung des Bades 7 liegt. Bei einer Drahtgeschwindigkeit, die größer als 1 m/s ist, betragt der Abstand 200 bis 1200 mm, vorzugsweise 600 bis 800 mm. Eine Vorrichtung zum Beheizen der Abstreifdüse 11 ist, um die Übersichtlichkeit zu wahren, in Fig. 1 nicht eingezeichnet. Die Abstreifdüse kann elektrisch, beispielsweise mit einer Induktionsspule, beheizt werden. Als günstig hat es sich erwiesen, bei einem Zinnbad,

ίο dessen Badtemperatur zwischen 270 und 280" C liegt, eine Temperatur von 180 bis 220° C, vorzugsweise von 200° C, und für ein Bad aus SnPb 40, dessen Temperatur zwischen 240 und 260° C liegt, eine Temperatur von 160 bis 200° C, vorzugsweise 180° C, für die Abstreifdüse Il zu wählen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Abstreifdüse 11 dargestellt, wobei in der Bohrung 15 der Abstreifdüse ein Kupferdraht 1 ebenfalls im Schnitt gezeigt is!. Die Bohrung 15 der Abstreifdüse 11 weist ein Wellenprofil auf. In der Γ ig. 2 sind zwei konzentrische Kreise 16 und 17 mit Jen Radien R₁ und R₁ eingezeichnet. Zwischen den konzentrischen Kreisen 16 und 17 verläuft der geschlossene Wellenzug 18. Der Wellenzug 18 besitzt pro Millimeter des Umfangs

at des inneren Kreises 16 zwischen 3,5 und 15, vorzugsweise 5 bis 8 Halbwellen. In der Fig. 2 ist eine Abstreifdüse für einen Drahtradius R₀ von 0,25 mm dargestellt. Es ist ein Wellenzug mit 8 Halbwellen vorgesehen, dies entspricht etwa 5 Halbwellen, bezogen auf die Längeneinheit des Umfangs. Die Radien R₁ und R₁ und damit die Tiefe A₁- R_z der Halbwellen des Wellenzuges 18 sind an den Radius R_D des Drahtes angepaßt. Für diese Anpassung sind die Toleranzgrenzen für den Drahtradius R₀ und die gewünschte Schichtdicke für die Verzinnung ausschlaggebend. Die Toleranzgrenzen für den Drahtradius R₀ gehen im wesentlichen in den Radius R₁ des inneren konzentrischen Kreises 16 ein. Dieser Radius muß so groß gewählt werden, daß beim Durchlaufen des Drahtes sich das Wellenprofil nicht in die Drahtoberfläche eingräbt. Günstig ist es, wenn R₁ 0,5 bis 2,5 μνη größer ist als die obere Toleranzgrenzc für den Drahtradius R₀. Die Schichtdicke wird Ln wesentlichen durch die Tiefe (A₁ — R₂) der einzelnen Wellen und durch den Abstand der Wellenmaxima bzw. -minima bestimmt. In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Abstreifdüse 11 nach Fig. 2 dargestellt. Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß die Halbwellen 18«, die den äußeren konzentrischen Kreis 17 berühren, vorzugsweise wenigstens angenähert halbkreisförmig sind. Der Radius λ des einer Halbwelle 18« einbeschriebenen Kreises 19 und die Sehne c. die von den Schnittpunkten dieses Kreises 19 mil dem inneren konzentrischen Kreis 16 gebildet wird, sind neben der Differenz zwisehen den Radien R₁ und R₂ der konzentrischen Kreise '6 und 17 für die Schichtdicke ausschlaggebend. Der Radius r bzw. die Länge der Sehne c wird durch die Anzahl der Halbwellen des Wellenzuge? 18 bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß für eine Schichtdicke, die zwischen 3 ,um und ungefähr 7 μπ\ liegt, die Anzahl der Halbwellen pro Millimeter des Umfanges R₁ des Kreises 16 zwischen 3,5 und 15 liegen muß, wobei die Differenz R^-R₁ zwischen den Radien R₁ und A₂ der konzentrischen Kreise 16 und 17 von 10 bis 50 μιη, vorzugsweise zwischen 20 und 30 μιη, variiert werden kann. Mit einer so bemessenen Abstreifdüse wird die auf dem Draht haftende Zinnschicht profiliert. Die anschließende erfolgende Glät-

tung wird durch die Oberflächenspannung der profilierten Zinnschicht von selbst herbeigeführt, wobei durch die Form der Profilierung eine gleichmäßige mittlere Schichtdicke wenigstens angenähert konstanter Größe über den gesamten Drahtumfang erreicht wird. Damit erhält man die bereits geschilderten Vorzüge und die hervorragenden Löteigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verzinnten Kupferschaltdrahtes.

Um eine möglichst hohe Standfestigkeit der Abstreifdüse 11 zu erreichen, wird diese aus Diamant, Rubin, einem Hartmetall oder aus rostfreiem Stahl hergestellt. Zur Herstellung geht man von einer Abstreifdüse mit einer kreisförmigen Bohrung aus, deren Durchmesser 2 A₁ ist. Zur Herstellung einer Abstreifdüse gemäß F i g. 2 mit 8 Halbwellen für einen Drahtradius R₀ von 0,25 mm wird die Düse in eine achtekkige Haltevorrichtung eingespannt und ein Wolframdraht vom Durchmesser r durch die Bohrung der Düse gefädelt und in einer exakten Führung hin- und herbewegt. Als Schleifmittel kann Diamantboard verwendet werden. Die Bearbeitung wird schrittweise durchgeführt und die Wellentiefe mikroskopisch ausgemessen. Nacheinander wird die Einspannvorrichtungauf die nächste Polygonfläche gestellt, so daß der Reihe nach die acht kreisbogenförmigen Halbwellen eingearbeitet werden. Die scharfen Kanten werden anschließend durch Nachpolieren abgerundet. Für den speziellen Fall eines zu verzinnenden 0,500 mm starken Kupferschaltdrahtes mit den Toleranzgrenzen 0,497 bis 0,508 mm hat die profilierte Abstreifdüse

ίο die folgenden Abmessungen: Radius /?, 0,26 mm: Radius R₂ 0,285 mm. Bei der Dickverzinnung mit dieser profilierten Abstreifdüse wurde ein Reinzinnbad der Temperatur 270 bis 280° C verwendet. Der Kupferschaltdraht hatte bei diesem Ausführungsbeispiel

eine Durchlaufgeschwindigkeit von 1 m/s, und die Temperatur der Abstreifdüse betrug 200" C. Der Abstand der profilierten Düse von der Badoberfläche lag zwischen 600 und 800 mm. Es wurde eine gleichmäßige Zinnschichtdicke erhalten, die sowohl durch gal-

ao vanische Abtragung als auch in Querschliffen lichtoptisch bestimmt wurde. Die gemessene Zinnschichtdicke betrug 5 bis 6,5 /im.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Herstellen von Zinn- oder Zinnlegierungsschichten auf Draht aus Kupfer oder Kupferlegierungen durch Feuerverzinnen mit einer über den Drahtumfang gleichmäßigen Dicke größer als 3 μπι, bestehend aus einem Zinnoder Zinnlegierungsbad und einer heizbaren profilierten Abstreifdüse, deren Bohrungsquerschnitt von einem Wellenzug begrenzt ist, wobei der Wellenzug zwischen zwei konzentrischen Kreisen verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (K₁) des inneren konzentrischen Kreises (16) 0,5 bis 2,5 μπι größer ist als die obere Toleranzgrenze für den Drahtradius (R_D) des Drahtes (1), daß zwischen den Radien (R₁, A₂) der konzentrischen Kreise (16, 17) eine Differenz (A₂-A₁) von IiO bis 50 μπι besteht und daß auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren konzentrischen Kreises (16) 3,5 bis 15 Halbwellen des Wellenzuges entfallen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz (R₂-R₁) zwischen den Radien der konzentrischen Kreise (16, 17) 20 bis 30 μπι beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeden Millimeter des Umfangs des inneren konzentrischen Kreises (16) 5 bis 8 Halbwellen des Wellenzuges entfallen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den äußeren der konzentrischen Kreise (17) berührenden Halbwellen (18a) des Willenzuges (18) wenigstens angenähert kreisbogenförmig sind.