半柔性同軸電纜外導(dǎo)體垂直鍍錫工藝及其關(guān)鍵工藝參數(shù)

程方杰，馬兆龍，楊立軍，肖 鑫，楊俊香，武云龍

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點試驗室，天津 300072)

隨著通訊技術(shù)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)正式啟動新一代的3G 通訊網(wǎng)絡(luò)．3G 網(wǎng)絡(luò)使用的信號頻率更高，其傳輸頻段從原來 2G 網(wǎng)絡(luò)的 800～960,MHz 和1,700 ～ 1,900,MHz 提 高 到 1,885 ～ 2,200,MHz 和2,300～2,400,MHz[1]，這就對同軸電纜的信號衰減和屏蔽效果提出了更高的要求．在此背景下，高性能的半柔性同軸電纜得到了迅猛發(fā)展．

半柔性同軸電纜其外導(dǎo)體是采用鍍錫的細銅線編織成的金屬網(wǎng)．在金屬編織網(wǎng)外導(dǎo)體上再進行整體鍍錫是目前國內(nèi)外制造半柔性同軸電纜的通用技術(shù)[2-4]．這種半柔性同軸電纜具有使用溫度范圍寬、使用頻率高、衰減低、駐波系數(shù)小、屏蔽性能好等優(yōu)異性能[2]．同時，與金屬管型同軸電纜相比，其具有良好的彎曲變形能力；與柔性電纜(金屬編制的外導(dǎo)體上不鍍錫)相比，其具有良好的形狀保持能力，在狹窄的空間內(nèi)布線時排列十分整齊美觀．基于以上優(yōu)點，這種半柔性同軸電纜特別適合于在狹小空間內(nèi)進行復(fù)雜的布線，有利于通訊設(shè)備的小型化和功能的日趨復(fù)雜化．目前這種外導(dǎo)體整體鍍錫的半柔性同軸電纜廣泛應(yīng)用于 3G 通訊基站內(nèi)部的信號傳輸，是3G 通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的關(guān)鍵材料之一．

1 垂直鍍錫新工藝原理

目前，國內(nèi)外線纜行業(yè)大多是采用圖1 所示的水平鍍錫工藝．

在鍍錫過程中，同軸電纜通過導(dǎo)向壓輪從錫鍋的一端壓入鍍錫槽中的錫液，然后經(jīng)導(dǎo)向輪后離開鍍錫槽．因為在該工藝過程中，電纜進出錫槽都是經(jīng)過錫液上表面，為區(qū)別于文中所提出的工藝方法，稱為水平鍍錫工藝．這種傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝對工藝參數(shù)要求很苛刻，容易出現(xiàn)針孔缺陷和鍍層附著力不足等質(zhì)量問題，因此經(jīng)常需要鍍 2 遍，對內(nèi)部絕緣層的熱損傷嚴(yán)重，而且鍍錫效率低．其中，針孔缺陷是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在．

圖1 同軸電纜水平鍍錫工藝原理Fig.1 Schematic diagram of coaxial cable horizontal tinplating process

實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電纜經(jīng)過高溫錫液時，助焊劑活性成分的分解、殘留溶劑和水分的汽化等原因?qū)е略诰幙椌W(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，形成很高的內(nèi)部氣體壓力，當(dāng)電纜剛剛離開錫液面的瞬間，這些氣體沖破尚未凝固的錫鍍層從而形成針孔，這是產(chǎn)生針孔缺陷的主要原因[5]．因此，為減少針孔缺陷的發(fā)生，需要盡量縮短電纜在錫液中的停留時間以及浸入錫液內(nèi)的長度．

在傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝中，電纜浸入錫液的長度一般超過 400,mm，在錫液中的停留時間超過 6,s，因此容易產(chǎn)生針孔缺陷．為了縮短電纜浸入錫液的長度和縮短在錫液中的停留時間，筆者提出了垂直鍍錫新工藝，并已獲取國家發(fā)明專利授權(quán)[6]．

垂直鍍錫工藝的基本原理是：將經(jīng)過涂覆助焊劑、烘干預(yù)熱等前處理的同軸電纜通過一個位于鍍錫槽底部的導(dǎo)入管從錫液的底部進入并垂直穿過錫液完成鍍錫的，其原理見圖2．

圖2 同軸電纜垂直鍍錫工藝原理Fig.2 Schematic diagram of coaxial cable vertical tinplating process

在該工藝過程中，電纜是從錫液的底部垂直進入錫液然后從其表面穿出離開鍍槽的，本文中稱其為垂直鍍錫工藝．為了控制錫液面的高度，從而控制電纜在錫液中的浸入長度，需要在錫槽上部設(shè)置一個可以升降的空心金屬盒．在非鍍錫狀態(tài)時，該金屬盒從錫液中提出，使錫液面下降到電纜導(dǎo)入管上表面以下，從而避免錫液從導(dǎo)入孔中泄露出來；準(zhǔn)備鍍錫時，首先將待鍍錫電纜穿過導(dǎo)入孔并經(jīng)過牽引機后纏繞到收線機上，然后開啟牽引機進行收線，同時將金屬盒慢慢壓入到已經(jīng)加熱到合適溫度的錫液中，抬升錫液面；當(dāng)錫液面超過導(dǎo)入管的上表面后便浸潤電纜，開始鍍錫．通過調(diào)整金屬盒壓下的深度可以方便地調(diào)節(jié)電纜浸入錫液的長度．很顯然，與傳統(tǒng)的水平鍍錫工藝相比，垂直鍍錫工藝可以大幅度縮短電纜浸入錫液的深度，一般可以控制在 10～100,mm．配合相應(yīng)的牽引速度，電纜在高溫錫液中的停留時間則可以縮短到1.0,s 以下．

在垂直鍍錫過程中，錫液溫度、電纜在錫液內(nèi)的停留時間、電纜浸入錫液的長度以及電纜的送進速度是影響鍍層質(zhì)量的關(guān)鍵工藝參數(shù)．

2 垂直鍍錫過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)

2.1 錫液溫度對鍍層質(zhì)量的影響

為了分析研究錫液溫度對鍍錫層質(zhì)量的影響，分別在240,℃、260,℃和280,℃ 3 個溫度下采用本課題開發(fā)的垂直鍍錫工藝進行了鍍錫實驗．電纜在錫液中的停留時間為 2.0,s，使用自行配制的低發(fā)氣量、無鹵素有機助焊劑．所用的同軸電纜編織密度為 96%、外徑為3.30,mm、型號為STV50-3．

液態(tài)金屬的黏度和表面張力一般都是隨著溫度的升高而變小[7-8]．因此，溫度越低，錫液的黏度越高，表面張力越大，錫液的流動性和滲透能力也就越低，從而影響在整體鍍錫過程中向金屬編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透作用．首先，為觀察錫液的滲透情況，將鍍錫后的編織網(wǎng)用剪刀剪開，從內(nèi)部觀察了錫液的滲入效果，結(jié)果如圖3 所示．

圖3 不同溫度下錫液向編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透結(jié)果Fig.3 Penetration effect of molten tin to the inner side of braids at different temperatures

由圖 3(a)可以發(fā)現(xiàn)，在 240,℃時，編織網(wǎng)內(nèi)側(cè)很干凈，幾乎看不到錫液滲入的跡象．260,℃時，可以發(fā)現(xiàn)有大量的錫液滲透進了編織網(wǎng)的內(nèi)部，凝固后將編織網(wǎng)牢固地連接成一個整體，如圖3(b)所示．隨著錫液溫度繼續(xù)升高到280,℃時，可以看到滲入到編織網(wǎng)內(nèi)部的錫量又有所減少，如圖 3(c)所示．通過上述實驗現(xiàn)象可以知道，溫度對錫液向編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透能力有重要的影響．對上述結(jié)果分析如下：錫液溫度過低時(240,℃，僅僅超過其熔點 8,℃)，一方面錫液的黏度太高，其通過毛細作用向內(nèi)滲透的能力不足；另一方面，這個溫度下液態(tài)錫與編織線之間的界面冶金反應(yīng)較慢，其通過界面冶金反應(yīng)驅(qū)動(反應(yīng)潤濕)向內(nèi)部滲透的能力也不足．這兩方面的原因使得其不能有效地滲透到編織網(wǎng)的內(nèi)部．這種情況下，鍍錫層只是附著在了編織網(wǎng)的外表面，其結(jié)合強度不足，特別是在折彎過程中，錫層很容易發(fā)生開裂和剝落現(xiàn)象．當(dāng)溫度過高時(280,℃)，錫液的黏度大大下降，流動性增強，這有利于通過毛細作用向內(nèi)部的滲透；但是這個溫度下，助焊劑的多個有效成分分解嚴(yán)重，在編織網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣體并形成很高的內(nèi)部氣壓，氣體壓力會阻礙液體釬料向內(nèi)部的滲入，而且容易形成針孔缺陷．這兩方面作用的綜合結(jié)果是溫度過高時，錫液的滲透能力有所下降．因此，要獲得足夠的滲透能力，必須有一個合適的溫度，過高或過低都會導(dǎo)致錫液的滲透能力下降甚至不能滲透到編織網(wǎng)的內(nèi)部去．

錫液溫度還對鍍錫層厚度和氣孔缺陷有著重要的影響．為了觀察錫層的厚度及內(nèi)部氣孔情況，對上述3 種溫度下焊接的試樣的橫截面進行了金相分析，其金相圖片如圖4 所示，表1 則給出了鍍錫前后電纜直徑的變化情況．

圖4 不同溫度下鍍錫外導(dǎo)體橫截面金相圖Fig.4 Cross-section metallographs of outer conductors after tin-plating at different temperatures

表1 不同溫度下同軸電纜鍍錫后直徑變化Tab.1 Change of diameters of coaxial cable after tinplating at different temperatures

由圖 4(a)可以看出，當(dāng)鍍錫溫度為 240,℃時，其鍍錫層明顯偏厚，超過了300,μm．而且錫釬料只黏附在編織網(wǎng)外層的銅線上，內(nèi)層銅線多數(shù)處在游離狀態(tài)，沒被釬料包覆住，這與圖 3(a)從內(nèi)側(cè)看不到鍍錫層的結(jié)果是一致的．當(dāng)鍍錫溫度為 260,℃時，根據(jù)圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，錫釬料已經(jīng)完全填滿了編織網(wǎng)銅線的所有縫隙，將整個編織網(wǎng)固化為一體，鍍層密實，內(nèi)部基本沒有氣孔缺陷，其厚度約為 100,μm，從外觀上看鍍層光亮、均勻、飽滿．如果將鍍錫溫度提高到280,℃，可以發(fā)現(xiàn)鍍錫層進一步變薄，大部分地方的厚度在 20,μm 以下．從外觀上看，錫層不飽滿，未能填平銅線的間隙．在鍍層內(nèi)部還可以發(fā)現(xiàn)有很多的氣孔存在，這主要是由釬劑分解產(chǎn)生的氣體所形成的．根據(jù)表 1 的統(tǒng)計結(jié)果可以知道：從錫層的厚度和氣孔缺陷的角度來講，錫液溫度過高和過低都會產(chǎn)生不良影響，260,℃左右是一個理想的溫度，在該溫度下獲得的鍍層厚度適中，內(nèi)部密實，沒有氣孔缺陷．

經(jīng)過反復(fù)實驗，鍍錫溫度一般控制在 255～265,℃，能得到對內(nèi)層編織網(wǎng)滲透良好、厚度均勻適中、表面光亮飽滿、內(nèi)部密實無氣孔的優(yōu)良鍍層．

2.2 電纜的浸錫長度和送進速度對鍍錫質(zhì)量的影響

電纜在錫液中的停留時間(t)取決于電纜浸入錫液中的長度(L)和電纜的送進速度(v)二者的配合．三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

為了研究電纜的浸錫長度和停留時間對鍍錫質(zhì)量的影響規(guī)律，設(shè)計了如表 2 所示的工藝實驗方案．錫液溫度為 260,℃，采用自制的低發(fā)氣量專用助焊劑．對鍍完錫的電纜截面制成金相試樣觀察錫層內(nèi)部的質(zhì)量，結(jié)果如圖5 所示．

表2 浸錫長度、停留時間對鍍錫層質(zhì)量影響的工藝實驗方案Tab.2 Experimental scheme about effects of immerg-ing length and time on the coating qualities

從圖5 中可以看出，當(dāng)電纜在錫液中的停留時間超過1.2,s 時，鍍錫層明顯變薄，內(nèi)部氣孔缺陷顯著增多，同時編織網(wǎng)內(nèi)側(cè)的銅線上很少有錫液滲入，說明鍍錫速度過低或者在錫液中停留時間過長都會降低錫液對編織網(wǎng)內(nèi)部的滲透能力，如圖 5(a)～(b)所示．當(dāng)停留時間在 0.5～0.8,s 范圍內(nèi)時，從圖 5(c)～(e)可以看出，鍍錫層內(nèi)部氣孔缺陷很少，鍍錫層厚度適中，表面光滑，同時對內(nèi)層編織網(wǎng)有良好的滲透效果，整個編織網(wǎng)被鍍錫層固化為一體，具有優(yōu)良的綜合性能．進一步縮短在錫液中的停留時間或者提高電纜的送進速度，錫鍍層內(nèi)氣孔缺陷很少，錫液對編織網(wǎng)的滲透作用也很強，但是鍍錫層厚度會明顯增加，如圖 5(f)所示．這主要是因為當(dāng)送進速度太高時，當(dāng)電纜離開錫液面時表面會黏附帶走更多的錫液，這些錫液凝固后就使鍍層厚度增加，而且鍍層的厚度也不均勻，這既造成錫釬料的浪費，同時也會導(dǎo)致鍍錫后電纜重量的增加，生產(chǎn)中一般是不允許的．

圖5 不同工藝參數(shù)的鍍錫層金相圖片(具體工藝參數(shù)見表2)Fig.5 Metallographs of tin coating at different tin-plating parameters(shown in Tab.2)

綜上所述，電纜在錫液中的停留時間是決定錫鍍層質(zhì)量的一個關(guān)鍵參數(shù)，合適的停留時間可以有效消除鍍錫層上的氣孔缺陷，同時提高鍍層的整體質(zhì)量．更進一步，在保證鍍錫時間的前提下，對電纜的送進速度也有一定的范圍限制．送進速度不能太快，在本實驗條件下，如果超過了 8,m/min，鍍錫層厚度將顯著增加．

綜合考慮，為了獲得高質(zhì)量的整體鍍錫層，電纜在錫液中的停留時間控制在 0.5～1.0,s，電纜送進速度在4～6,m/min，浸入深度在40～80,mm 之間，采用本文提出的垂直鍍錫工藝一遍即可獲得無氣孔缺陷、組織致密、表面光滑的整體鍍錫層．

3 結(jié) 論

(1) 本文提出的垂直鍍錫新工藝將同軸電纜浸入錫液的長度縮短至 10～100,mm，停留時間減少到1.0,s 以下，顯著減少了氣孔缺陷的發(fā)生，同時提高了鍍錫層的附著強度和生產(chǎn)效率．

(2) 當(dāng)錫液溫度在 255～265,℃，電纜在錫液內(nèi)的停留時間為 0.5～1.0,s，電纜浸入錫液的長度在40～80,mm，電纜的送進速度為 4～6,m/min 時，采用垂直鍍錫工藝一遍即可獲得無氣孔缺陷、組織致密、厚度適中、表面光滑的整體鍍錫層．

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