铜包钢线导电性物理模型及镀层厚度计算.pdf

3 0一弓 笫2 2 卷 笫5 期 总笫1 2 9 期 铜包钢线导电性物理模型及镀层厚度计算 夏 瑞 东 马 昆 戎 志 平 例 首都师范大学物理系1 0 0 0 3 7 4 建立了铜包钢线及镀锡铜包钢线导电特性的物理模型 给出了电镀工艺和引镀机设计中计算 铜包钢线及镀锡铜包钢线基本参数的方法 并用一组实验数据进行验算 结果证 明理论计算和实 验结 果具有 很好 的一 致性 关键词 铜包钢线镀锡物理模型导 电率 一 一 一 The El e c t r i c Co ndu c t i v i t y Phy s i c s M o de l a n d Pl a t i ng Th i c k ne s s Ca l c ul a t i o n o f Co ppe r c l a d S t e e l W i r e Xi a Ru i d o n g Ma Ku n b a o R o n g Zh i p i n g Th e D e p a r t m e r o f P s i n T e a c h e r s Un i v e r s i t y o f c i t e C a p i t a l 1 0 0 0 3 7 To e s t a h s h t h e p h y s i c s mo e l o c o n d u c t i v i t y p r o p e r t y i n c o p p e r c l a d a n d t i n n i n g c o p p e r l a d s t e e l wi r e g i v e t h e wa y o f c a l c u l a t i ng t h e b a s i c p a r a me t e r o t h e m t h r o u g h d e s i g n o pl a t i n g t e c h n o l o g y a nd e x t r a c t p l a t i n g ma c h i n e me a nwh i l e b e i n g c he c k e d b y a s e t o f t e s t d a t a i t s ho ws t h a t t h e o r y c a l c u l a t i o n r e s u l t s c o ns i s t we l l wi t h t e s t r e s u l t s Ke y wo r d s c o p p e r c l a d s t e e l wi r e t i n ni n g p h y s i c s m o d e l c o n d u c t i v i t y r a t e p l a t i n g t h i c k n e s s 1 引言 用铜包 钢线 镀 锡铜 包钢线 代替 纯铜 导 线 用于 电子元器 件引线 灯丝或通讯 电缆 中 可以在确保其导 电性能的基础上 大大 降低 成本 减轻重量 因此这种复台导线在现代通 讯 计算机 微电子等领域中有着广泛的应用 前景 作 为一种 新型 电子材料 已越来越受到 普遍重视 这种材料的相对电导率受镀层厚 参考文赫 1 周金保铜合金的铬酸盐钝化及其代替工 艺的 新进 展 表 面技术 1 9 9 0 5 1 2 陈 文亮 仿纯金 电镀 电镀与 精饰 1 9 9 4 2 1 7 3 郑 征途等 C O 气体保护焊丝镀铜过程 中的故 障及 排除 焊接 技术 1 9 9 4 8 8 4全 国金 属与 非金属 覆 盖 层 标 准化 技 术 委员 会 等 编 译 美 国 ANS l AS T MB 8 8 一8 0 1 9 8 5 2 5 8 8王鸿 建 电镀工 艺学 第 1 4章 工 业性 气体 腐 蚀 试 验 哈 尔滨工 业大 学 出版社 1 9 8 8 2 7 9 1 9 9 6 一 O 8 2 6收稿 作者简介 冯绍彬男t 5 1岁 1 9 6 7年半业 于哈 尔滨工业大学 电化学工艺专 业 后 研 宄 生 毕 业 薮 硕 士 学位 现任郑州轻工业学院化工东电化 学i程专业教研 室主任 教授 并 享受国家政府津贴 主讲 电镀工 艺学 课 程并长期从事 电镀方面 的科研 工作 先后发表论文 5 o奈篇 t 有 8篇被美 日 等 国外文摘刊物和只读先盘数据库收 录 取 得科研 成果 1 0奈 项 首次在 国内提 出的 阐述 电镀 屉与钢 铁 基体蛄旮强度的 电位活化 理 论和焦磷馥盐直接渡 铜工艺曾获 1 9 8 0年河南崔重 大科技成果奖 镀 一 维普资讯 金属 制品 度 影 响 镀层 薄 了 达不 到导 电率要 求 厚 了 又使成本增加 造成浪费 但铜包钢线相对导 电率与诸影响因素之间的关系 迄今尚无严 格的理论计算方法 在生产工艺控制和引镀 机设计中主要靠实验摸索 即甩实验铡 出相 对导电率与镀层厚度的关系曲线 再确定某 一 特定导电率要求的相关参数 这往往需要 进行多次 实验 且要求 实验条件 有较好 的重 复性 因此投资大 周期长 数据可靠性差 使 得 生产 工艺控 制和装 备设 计 带 有 很 大 的 盲 目性 且所得结果不具有普遍适用性 本文 主要探讨解决这 问题的理论途径 首先建 立分析铜包钢线及镀锡铜包钢线导电特性 的物理模型 然后 由此推出导电率与镀层厚 度等参数的定量关系 并用实验数据对理论 计 算进 行 验算 得到完 全 一致 的 结果 最 后 列 出根据导 电率要求计算镀层厚度的基本 步骤 从本 文的分析 过程 可以看 出 这 种方 法 同样 适 用于 其 它材料 的复 合 线材 直 流 导 电物 特性分析 2 铜包钢线导电性分析 2 1 物 理 模 型 铜包钢线的截面形状如图 1所示 图中 n 为钢苍 线直 径 为铜 包 钢线 直 径 z为 铜镀层厚度 n t 的单位均为ton i 固1 嗣包钢线的截面形状 在现行 的铜包 钢线技 术标准 如我 国 电 子 工 业 部 部 标 s 2 4 2 1 8 3 u J 美 国 As T M B 4 5 2 8 8 中 都是以铜包钢线在直流条件 下相对于铜的相对导 电率做为导电性能指标 的 因此 把铜包钢线在物理上等效为由一个 钢芯 线支路和 一个管 状铜镀 层支路组成 的并 联电路 如图 2所示 图中 R 为钢芯线电阻 R 为管状锕镀层电阻 为铜包钢线 电阻 单位 n 则 R 一 1 国2 铜包钢线的物理模型 2 2 铜镀层 的面积 系数 与相对 导 电率 关系 我们用 n 表示铜包钢线横截面上 铜镀 层 的面积 与 铜包 钢线 总 面积 之 比 并 称之为铜镀层面积系数 即 S s 则钢 芯线 面积 S S S 一 1 一d S 又知导线电阻与横截面积 s 导线长度 有如下关系 R P 取 一1 m 则管状铜镀 层 电阻为 R 安 一 衰 化 钢芯线 电阻为 1 R 3 其 中 分别 为铜和钢 的电 阻率 单位 n mn l m 将 2 3 代人 1 整理得 R 一 P 比较 4 5 两式得 q十 1 一 5 6 目r m 一 为 一 率 一 阻 训跳 一 n线 饕 维普资讯 3 2 第 2 2卷第 5期总第 1 2 9期 设铜 包钢线 的相对 导 电率为 钢 芯线 的相对导电率为 根据相对导电率定义有 7 一 1 0 0 7 一 睾 i 0 0 8 将 7 8 代入 6 得 7 口 4 1 一 9 或 一 1 可见 当钢芯材料给定时 铜包钢线的相 对导 电率与铜镀层面积系数 间有确定 的关 系 因此 根据 导 电率 要求 可算 出铜 镀层 的 面积系数 如若取 y 1 2 则由 1 0 得 目前 较 常 用的两种类 型即 y 一3 0 4 0 的铜 包 钢 线 铜 镀层 面 积 系 数 分 别 为 一0 2 0 4 5 0 31 82 2 3 铜镀 层厚 度 与 的关系 在确定 了某一 导 电率 下的面 积系 数后 即可定 出铜镀层厚度 由图 1的几何关 系和 的定义 得 D 2 f z 一 a c 一 2 整理 得 一 I 志 1 上式是用钢芯线直径表示的铜镀层厚度计算 公式 若将 D 一 一2 t 代人 1 1 则得到用 铜 包钢 线直径表示 的铜镀层厚度计算公 式 一 1 一 1 一 口 D 2 1 2 对相对导 电率 一3 0 4 0 的铜包钢线 可得这两种材料铜镀层厚度计算公式 当用 钢芯线直径表示铜镀层厚度时 f 一 0 0 6 0 5 D 7 3 0 1 o 1 o 5 5 D y 一 4 o f 用铜包 钢线直径表示铜镀层厚 度时 f 一 0 0 5 0 4 D 3 0 o 1 5 5 D 4 f 3 镀锡层对铜包钢线导电特性的影响 镀锡铜包 钢线的导 电特性仍可用前述的 并联支路模型分析 这时把铜包钢线整体作 为一个 支路 电阻 为 镀 锡 层做 为另 一个 支路 电阻 为 R 则镀锡铜包钢线 电阻 R 一 器 1 5 设 镀 锡 层 厚 度 镀 锡 铜 包 钢 线 直 径 D一 铜包钢线 电阻 R 一 T 一 D 一2 3 由于镀 锡 层 通 常很 薄 即 d 玩 故 上式 简 化 为 见 j t g Dz 1 n 4 锡镀 层 电阻 其中 为锡的电阻率 由于 8 D 故上式 亦可简化 咒 1 n 设镀锡铜包钢线的电阻率为 则 R 一 P T 一 1 8 将 1 6 1 7 代 人 1 5 整理得 m j 二 1 n 比较 1 8 1 9 得 一 1 4 8 D 1 p 一 p 2 0 一 z u J 用 分 别 表示 锡相 对 于铜 镀锡铜 包 钢 相 对于铜 的相对 导电率 贝 0 有 y 一 1 0 y 一 1 0 代人 2 0 整理 得 卜 4 官 维普资讯 金属 制品 3 3 对电子元 器件 用的镀锡铜 包钢线 由于有 故 恒有 y 即镀锡铜包 钢的相对 导 电率 比未镀锡的要低 2 1 式还可 以改写成 一 1 4 由式 2 2 就可根据镀锡层铜包钢的相对 铜包钢线 中铜包钢芯线应具有的相对导 电率 进 而可 由 1 1 1 2 式定 出铜镀层 的厚度 4 实验验证与计算过程 为验证本文所建立的模型 我们用常州 无线 电材料厂的测试数据 M 进行验算 并 列表如下 计算中取 一1 5 5 y 一1 2 导电率及镀锡层厚度要求 确定不同直径镀锡 由表 1 可见 理论计算与实测铜镀层厚度最 大 相对误差 仅 6 8 从而证 明本文 所建 立 的模型是符合实际的 计算过程如 图 3所示 二 三夏至 j 一 由式 1 2 或 1 3 1 4 求f 囤3 铜镀层厚度的计算过程 5结论 通过本文分析可 得如 下结论 1 用并联 电路模 型分析铜 包钢线 和镀 锡铜包钢线 的直流导 电特性是 可行 的 2 本文 采用 的计算 方法具有物 理 概念 清晰 计算简单 精度高的特点 对铜包钢线 和镀锡铜包钢线 工艺 装备 和设计具 有重要指 导意义 门 本 文的建模 方法适用于其它材料复 合线材直 流导 电性研究 参考文献 1 电 子 工 业 部 标 准 S J 2 4 2 1 8 3 电子 元 器 件 用 镀 锡 铜 包钢 线 1 9 8 3 1 2 2 A S TM B4 5 2 8 8 S t a n d a r d s r e c i f i c a t i o n f or Co p p e r cl a d St e e l W i r e f o r El e c t r o n i c App l i c a t i on 3常州无 线 电材 料厂 镀锡 铜包 钢 线试 翻 总结 电 子元器件引线可焊性资料 编 江苏省电子工业综 合研 究所 1 9 8 2 3 4王林 大 电 子元 器件 用 引 线 镀 锡 铜包 铜