DD247346A3 - Flussmittel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Flussmittel, insbesondere zur Anwendung bei den verschiedenen Loetaufgaben der Elektro- und elektronischen Industrie. Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Flussmitteln, welche den unterschiedlichen Bedingungen der Loetmontage in der elektronischen Industrie gerecht werden. Aufgabe ist es, Flussmittel zu entwickeln, welche kolophoniumfrei sind, eine gute Temperaturbestaendigkeit und ein gutes Benetzungsvermoegen besitzen und bei ihrer Anwendung entstehende Rueckstaende nicht klebend, transparent und flexibel, nicht leitend und leicht entfernbar sind. Erfindungsgemaess wird dies dadurch erreicht, dass als Flussmittelgrundstoff ein Oligomeres auf der Basis von a-Methylstyren der allgemeinen Strukturformel XCH2(CH3 X(CH2C)nX C6H5worin n eine Zahl von 3 bis 10 und XCOOH, CH2CH2OH, CH2CHCH3OH, C4H8OH, C6H8OH, C8H7OH oder deren Ester ist, mit mindestens einem der Flussmittelmodifikatoren vermischt ist. Als Flussmittelgrundstoff sind mindestens 10 Gew.-% des endstaendig funktionalisierten oligomeren a-Methylstyrens mit mindestens einem der Flussmittelmodifikatoren vermischt.

Description

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worin η eine Zahl von 3 bis 10 und X -COOH₁-CH₂CH₂-OH₁-CH₂-CHCH₃-Oh, -C₄H₈OH, -C₆H₈OH, -C₈H₇OH oder deren Ester ist, mit mindestens einem der Flußmittelmodifikatoren vermischt ist.

2. Flußmittel nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß als Flußmittelgrundstoff mindestens 10Gew.-% des endständig funktionalisierten oligomeren a-Methylstyrens mit mindestens einem der Flußmittelmodifikatoren vermischt ist.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Flußmittel, insbesondere zur Anwendung bei den verschiedenen Lötaufgaben der Elektro- und elektronischen Industrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die DE-AS 2042370 beschreibt einen Lotträgerund eine denselben enthaltende Lötpaste. Dieser flüssige Lotträger läßt sich zur Herstellung siebdruckfähiger Lötpasten verwenden. Der Lotträger besteht aus mindestens 0,01 Gew.-% einer aktiven Wasserstoff enthaltenden Verbindung aus der Gruppe hydroxylsubstituierte, aliphatische Amine, 0-75Gew.-% Kolophonium, 0-75% an organischen Lösungsmitteln und 0-20Gew.-% an thixotropen Mitteln. Die Lötpaste besteht aus dem obengenannten Lotträger und einem darin dispergierten feinpulvrigen Lotanteil. Zur Herstellung des Lotträgers werden die Komponenten bspw. unter Rühren bei Raum-oder erhöhter Temperatur miteinander vermischt. Lot- und Lotträger werden anschließend im gewünschten Verhältnis miteinander gemischt. Die Teilchengröße des Lotpulvers soll dabei unter 0,15mm liegen. Die siebdruckfähigen Lötpasten können dann auf jede zweckentsprechende Unterlage, insbesondere Metallunterlagen zur Bildung eines Lotauftrages aufgebracht werden, worauf man das Lot auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Lot eine Schmelze bildet und eine hochhaftfeste Lotbindung entsteht.

Die Flußmittelwirkung kolophoniumhaltiger Flußmittel ergibt sich aus der Summe der Einzelwirkungen von Kolophonium selbst und der Art und Menge des eingesetzten Aktivators. Die Wirkung des Kolophoniums ist nicht kalkulierbar, da es ein Naturprodukt ist, dessen chemische Zusammensetzung und damit dessen Säurestärke je nach Herkunftsort und Gewinnungsart stark schwankt. Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Kolophonium in Lötflußmitteln ist seine verhältnismäßige Instabilität bei den üblicherweise in der elektronischen Fertigung angewandten Löttemperaturen. Die Flußmittelrückstände auf den verlöteten Bauteilen enthalten also nach dem Löten Zersetzungsprodukte des Kolophoniums. Dies bedeutet aber ein erhöhtes Risiko im Hinblick auf die Korrosionsgefährdung der Lötstellen. Die Rückstände verspröden oder kristallisieren infolge der in der elektronischen Fertigung auftretenden längeren Lagerzeiten und schaffen somitZutrittswegefürdieumgebendeAtmosphäre zu den unter den Flußmittelrückständen liegenden Kontaktflächen.

Die DE-OS 2725701 betrifft eine kolophoniumfreie Flußmittelzubereitung in fester oder flüssiger Form, die als wesentliche Komponente einen Ester eines Polyhydroxyalkohols, im konkreten Fall Pentaerythrittetrabenzoat, enthält. Der Ester besitzt im geschmolzenen Zustand (also bei Löttemperatur) eine gute thermische Beständigkeit. Eine weitere wesentliche Eigenschaft von Pentaerythrittetrabenzoat besteht darin, daß es nach dem Aufschmelzen und anschließenden Abkühlen nicht wieder auskristallisiert, sondern einen plastischen Film bildet, der bei der Anwendung in Flußmittelkompositionen nach dem Löten als Schutzfilm gegen Oxidation und Sauerstoffpenetration wirken kann.

Die bei kolophoniumhaltigen Flußmitteln auftretenden nachteiligen Wirkungen treten hier nicht auf. Ein entscheidender Nachteil von Pentaerythrittetrabenzoat ist seine geringe Löslichkeit in allen für Lötpasten anwendbaren, hochsiedenden organischen Lösungsmitteln bei Raumtemperatur.

Dadurch macht sich bei gleicher Einsatzmenge ein erhöhter Lösungsmittelanteil notwendig, der einen negativen Einfluß auf die Standstabilität bei der Lagerung von Lötpasten hat.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung von Flußmitteln, welche den unterschiedlichen Bedingungen der Lötmontage in der elektronischen Industrie gerecht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Flußmittel zu entwickeln, welche kolophoniumfrei sind, eine gute Temperaturbeständigkeit und ein gutes Benetzungsvermögen besitzen und bei ihrer Anwendung entstehende Rückstände nicht klebend, transparent und flexibel, nicht leitend und leicht entfernbar sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß als Flußmittelgrundstoff ein Oligomeres auf der Basis von a-Methylstyren der allgemeinen Strukturformel

X^-CH₂ -C

worin η eine Zahl von 3 bis 10 und X-COOH, -CH₂CH₂-OH, -CH₂-CHCH₃-OH, -C₄H₈OH, -C₆H₈OH, -C₈H₇OH oder deren Ester ist, mit mindestens einem der Flußmittelmodifikatoren vermischt ist. Als Flußmittelgrundstoff sind mindestens 10Gew.-%des endständig funktionalisierten oligomeren a-Methylstyrens mit mindestens einem der Flußmittelmodifikatoren vermischt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flußmittel werden dem synthetischen, endständig funktionalisierten oligomeren a-Methylstyren als Flußmittelgrundstoff mindestens ein oder mehrere Flußmittelmodifikatoren, wie bspw. Flußmittelaktivatoren, Viskositätsregulierenden Mitteln, oberflächenaktiven Substanzen öder Lösungsmittel zugemischt. Dabei weist das oiigomere a-Methylstyren die allgemeine Formel

"" " " ~ CH₃

X 4 CH₂ - C -fM

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worin η eine Zahl von 3 bis 10 vorzugsweise von 3-6 darstellt und X-COOH,-CH₂CH₂OH,-CH₂-CHCH₃-OH, -C₄-H₈OH, C₆H₈OH, -C₈H₇OH oder deren Ester ist, auf. ^t.

Das endständig funktionalisierte oiigomere a-Methylstyren muß dabei in der Flußmittelzubereitung mindestens in einer Menge von 10Gew.-% mit mindestens einem der Flußmittelmodifikatoren vermischt sein. Vorzugsweise handelt es sich beim a-Methylstyren, das ein Molekulargewicht von mindestens 490, insbesondere aber im Bereich von 600 bis 800 hat und das bei Raumtemperatur fest ist, um das Hydroxy-a-methylstyren. Des weiteren kann es das Carboxy-a-methylstyren sein. Der erste Flußmittelmodifikator zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flußmittels ist ein Flußmittelaktivator. Aufgabe des Flußmittelaktivators ist es, dem Flußmittelgemisch eine ausreichende, aber definierte Acidität zu verleihen, um löthemmende, vorzugsweise oxidische Schichten auf der Lötoberfläche und den Oberflächen der zu verlötenden Bauteile aufzulösen. Die Flußmittelaktivatoren müssen bei den Schmelztemperaturen derfür den Lötprozeß verwendeten Weichlotlegierungen wirksam sein. Die Anwendung der Flußmittelaktivatoren erhöht die Geschwindigkeit des Aufschmelzens der Lotlegierungen. Diese Flußmittelaktivatoren sind an sich bekannt und können aus der Gruppe der organischen Säuren, wie bspw. Salizylsäure, Adipinsäure, Weinsäure, Stearinsäure, Sulfonsäuren und der Gruppe der aliphatischen und aromatischen Amine und deren Hydrohalogenide ausgewählt werden. Die Menge des in der Flußmittelzubereitung enthaltenen Aktivators sollte 15Gew.-% der gesamten Zubereitung nicht überschreiten. Vorzugsweise liegt der Gehalt des Aktivators zwischen 1 und 5Gew.-%. In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird als Flußmittelaktivator das oiigomere Carboxy-a-methylstyren selbst verwendet. Die Menge des dabei in der Flußmittelzubereitung enthaltenen oligomeren Carboxy-a-methylstyrens kann bis zu 30Gew.-% betragen, ohne daß ein Risiko im Hinblick auf die Korrosionsrückstände nach dem Löten zu beobachten ist.

Ein weiterer Flußmittelmodifikator sind Viskositätsregulierende Mittel. Aufgabe dieser Mittel ist die Einstellung einer für den Verarbeitungsprozeß der erfindungsgemäß flüssigen Lötflußmittel vorteilhaften Viskosität. So können diese Mittel sowohl die Viskosität bis hin zur pastenförmigen Konsistenz beeinflussen und/oder dem Lötflußmittel ein thixotropes Verhalten verleihen. Ein wesentlicher Aspekt der Verwendung der Viskositätsregulierenden Mittel in Flußmitteln für Lötpasten ist die Verhinderung von Absetzerscheinungen des im Flußmittel dispergierten pulverförmigen Lotmetalls während der Lagerung der Lötpasten. Geeignete Viskositätsregulierende Mitte sind bspw. höhermolekulare Polyethylenglykole, Polyethylenoxid, Cellulosederivate usw. Die Viskositätsregulierenden Verbindungen werden der Flußmittelkomposition in einer Menge bis zu 10Gew.-% zugesetzt. Vorzugsweise beträgt ihr Anteil am Flußmittelgemisch bis zu 2Gew.-%.

Oberflächenaktive Substanzen sind ebenfalls Flußmittelmodifikatoren. Aufgabe dieser oberflächenaktiven Mittel ist es, die Lotbenetzung und das Fließen des flüssigen Lotes während des Lötprozesses positiv zu beeinflussen. Geeignete Verbindungen sind bekannt und in der Literatur beschrieben. Ein bevorzugtes oberflächenaktives Mittel ist Triethanolamin. Die oberflächenaktiven Mittel können im Flußmittel in einer Menge bis 20Gew.-% vorliegen.

Weitere Flußmittelmodifikatoren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flußmittels sind organische Lösungsmittel, wobei diese Lösungsmittel im Flußmittel in einer Menge bis zu 90Gew.-% vorliegen können. Aufgabe der Lösungsmittel ist es, dem Flußmittel die für den späteren Anwendungsfall zweckmäßige Konsistenz zu verleihen. Bei einer speziellen Ausführungsform kann der Zusatz von Lösungsmitteln so weit minimiert werden oder sogar entfallen, daß bei Raumtemperatur feste Flußmittelzubereitungen resultieren, die dann in Form einer Flußmittelseele mit einem Weichlothohldraht kombiniert werden. Es sind alle üblichen organischen Lösungsmittel verwendbar. Zu typischen Lösungsmitteln gehören aromatische Verbindungen, wie Benzen, Toluen, Xylen, aliphatische Alkohole, Ketone, wie Aceton, Methylethylketon, Terpentinöle bzw. Terpentinersatzstoffe, Terpene, wie isomere Terpineole, Glykole, Glyzerin und Mischungen der genannten Lösungsmittel. Die erfindungsgemäßen Flußmittel können in flüssiger, pastenförmiger oder fester Form hergestellt werden. Zur Herstellung der flüssigen und pastenförmigen Flußmittel vermischt man einfach die Komponenten miteinander bzw. löst die eine Komponente in einer anderen bei Raumtemperatur bzw. Temperaturen bis 55°C. Dabei sind alle bekannten Techniken zur Herstellung eines Flüssigkeitssystems anwendbar.

Zur Herstellung der festen Flußmittel werden die Komponenten bei einer Temperatur bis maximal 100⁰C, vorzugsweise zwischen 80⁰C und 90⁰C, miteinander vermischt. Nach dem Erkalten liegt ein festes gebrauchsfertiges Flußmittel vor. Die Erfindung soll nun an konkreten Ausführungsbeispielen noch etwas näher erläutert werden, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt ist.

Beispiel 1:

Es wird ein festes Lötflußmittel hergestellt durch homogenes Mischen folgender Bestandteile bei einer Temperatur von 85⁰C: 89Gew.-% oligomeres Hydroxy-a-methylstyren mit einer mittleren Molmasse von 700 9Gew.-% oligomeres Carboxy-a-methylstyren mit einer mittleren Molmasse von 690 bis 800 2Gew.-% Adipinsäure.

Die Kombination dieses so hergestellten Flußmittels mit einer Weichlotlegierung erfolgt zweckmäßig in Form eines Weichlotdrahtes mit Flußmittelseele. Der Weichlotdraht mit Flußmittelseele kann durch Extrudieren des Weichlotdrahtes in Röhrenform und gleichzeitiger Füllung der Röhre mit Flußmittel erfolgen. Der Durchmesser des extrudierten Drahtes kann durch Ziehen verringert werden. Bei der Weichlotlegierung kann es sich bspw. um eine Legierung aus 63% Zinn und 37% Blei handeln. Der auf die beschriebene Weise hergestellte Weichlotdraht mit Flußmittelseele wurde zum Verlöten elektronischer Bauteile auf gedruckten Schaltungsplatten mittels Lötkolben bei einerTemperatur von 26O⁰C verwendet. Estrat im Gegensatzzu Lötdrähten mit Flußmittelseele auf Kolophoniumbasis keine Dunkelfärbung der Flußmittelrückstände auf. Darüber hinaus war während des Lötprozesses eine stark verminderte Rauchbildung festzustellen.

Beispiel 2:

55,5 Gew.-% Aceton

40,0Gew.-% oligomeres Hydroxy-a-methylstyren (analog Beispiel 1)

1,5Gew.-% Polyethylenglykol eines mittleren Molekulargewichtes von ca. 400 3,0Gew.-% Salizylsäure

Dieses so hergestellte Lötflußmittel in flüssiger Form kann zweckmäßig beim Schwallöten von gedruckten Schaltungen angewandt werden, wobei das Flußmittel bspw. durch Tauchen, Sprühen oder Walzen auf die Lötseite der gedruckten Schaltung aufgetragen und anschließend getrocknet wird. Dabei entsteht ein klarer, flexibler Flußmittelfilm. Diese so vorbehandelten, gedruckten Schaltungen können entweder sofort oder nach längerer Lagerzeit über eine konventionelle Lotwelle gezogen werden, wobei die Leiterbahnen mit einem gleichmäßigen Lotüberzug versehen und die Bauelemente verlötet werden. Über den verlöteten Flächen bildet sich ein flexibler und klarer Film von Flußmittelrückständen, der nicht entfernt werden muß, da er als Schutzfilm gegen Korrosionserscheinungen an den darunterliegenden Lötstellen wirken kann. Im Unterschied zu Leiterplatten mit Flußmittelrückständen auf Kolophoniumbasis verändern sich die Übergangswiderstände zwischen zwei benachbarten Leiterzügen auch bei längerer Lagerung der Leiterplatten in feuchtwarmer Atmosphäre nicht.

Beispiel 3:

Es wird ein Flußmittel für Lötpasten durch Mischen folgender Bestandteile bei 80⁰C hergestellt:

41 Gew.-% oligomeres Hydroxy-a-methylstyren mit einer mittleren Molmasse von 750

42 Gew.-% eines Isomerengemisches aus a,/3,y-Terpineol 12Gew.-% Triethanolamin

2Gew.-% Polyethylenglykol eines mittleren Molekulargewichtes von ca. 400 3Gew.-% Adipinsäure

Zur Herstellung einer gebrauchsfertigen Lötpaste werden 1 000 g Weichlotpulver einer 62/36/2-Zinn-Blei-Silberlegierung mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 25μηη mit 100g des beschriebenen Flußmittels vermischt und homogenisiert. Die so hergestellte Lötpaste kann mittels verschiedener Techniken (z. B. Düsenapplikation, Siebdruck, Schablonendruck, Stempeidruck) auf die zu verlötende Unterlage aufgetragen und anschließend aufgeschmolzen werden. Die verbleibenden Flußmittelrückstände sind nicht klebend, farblos, transparent und flexibel. Des weiteren sind sie nicht leitend und führen auch bei

längerer Lagerung in feuchtwarmer Atmosphäre nicht zu Korrosionserscheinungen an den Lötstellen. Gegebenenfalls ist eine Entfernung der Flußmittelrückstände in milden, die Bauelemente nicht schädigenden Reinigungsmedien (z. B. Alkohol-Fluorkohlenwasserstoffgemische) leicht möglich. Die erfindungsgemäßen Flußmittel sind weiter kolophoniumfrei, besitzen eine gute Temperaturbeständigkeit und ein gutes Benetzungsvermögen. Insgesamt wurden Flußmittel geschaffen, welche den unterschiedlichen Bedingungen der Lötmontage in der Elektro- und elektronischen Industrie gerecht werden. Die mit diesen Flußmitteln hergestellten Lötpasten weisen eine hohe Standstabilität auf.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   ^l. Flußmittel, insbesondere zur Anwendung bei den verschiedenen Lötaufgaben der Elektro- und elektronischen Industrie, bestehend aus einem Flußmittelgrundstoff und mindestens einem oder mehreren Flußmittelmodifikatoren, wie bspw. Flußmittelaktivatoren, Viskositätsregulierenden Mitteln, oberflächenaktiven Substanzen oder Lösungsmitteln, gekennzeichnet dadurch, daß als Flußmittelgrundstoff ein Oligomeres auf der Basis von a-Methylstyren der allgemeinen Strukturformel,

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