DE10115482A1

DE10115482A1 - Lotzusammensetzung und Verfahren zur Herstellung desselben

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Publication number: DE10115482A1
Application number: DE2001115482
Authority: DE
Inventors: Klaus Wittke; Mathias Nowottnick; Wolfgang Scheel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Beschrieben wird eine Lotzusammensetzung, bestehend aus einer Ausgangslotzusammensetzung und wenigstens einer Legierungskomponente. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Legierungskomponente aus einem Metall oder mehreren Metallen mit einer Schmelztemperatur über 750 DEG C besteht und dass die Ausgangslotzusammensetzung auf der Basis von einem Metall mit einer Schmelztemperatur unter 430 DEG C gebildet ist. In besonderer Weise eignen sich Mangan (Mn) und/oder Eisen (Fe) als Legierungskomponenten.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lotzusammensetzung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung der Lotzusammensetzung.

Stand der Technik

Bei der Fertigung von elektronischen Baugruppen werden Weichlötverbindungen mit verschiedenen Wellen- bzw. Reflowlötverfahren unter Nutzung von quasi-eutektischen Weichloten wie z. B. SnPb-, SnAg- oder SnCu-Lote angewendet. Diese Fügetechnik setzt neben der erforderlichen Werkstoffkompatibilität der Lotzusammensetzung hinsichtlich ihrer Benetzbarkeit und Löslichkeit ebenso eine Begrenzung der maximal zulässigen Löttemperatur voraus, die durch die Temperaturempfindlichkeit der zu lötenden Substratwerkstoffe sowie Bauelemente vorgegeben ist. Die zulässigen Betriebs- bzw. Einsatztemperaturen liegen in der Regel nicht über 80% bis 85% der Schmelztemperatur der entsprechenden Lote. Für diese Anwendung werden heute einerseits relativ niedrigschmelzende Lote wie z. B. SnCu-, SnAg-, SnBi-, SnSb-, SnCuAg-, andererseits aber auch höherschmelzende Lote wie z. B. PbSn-, PbAg- oder SnAu-Lotlegierungen eingesetzt, die oftmals noch zusätzliche Legierungselemente wie z. B. Ni, Bi, Sb, Ge oder In enthalten. Derartige Lotzusammensetzungen können bei entsprechenden Lötverbindungen jedoch nur bis 120°C bzw. 160°C mit ausreichender Sicherheit eingesetzt werden.

Die Anwendung von für diese Betriebstemperaturen geeigneten höherschmelzenden Weichloten ist in der Serien- bzw. Gruppenfertigung aus dem o. a. Grund der Temperaturüberbelastung der elektronischen Komponenten nicht möglich. Zwar werden hierfür selektive Lötverfahren wie z. B. das Kolben- oder Heißgaslöten eingesetzt, doch ist dabei ein erhöhter Fertigungsaufwand verbunden. Ebenso erhöhen sich auch die Kosten für die Elektronikprodukte, was einen weiteren wesentlichen Nachteil der hier beschriebenen Lotvarianten darstellt.

Im folgenden werden einige bekannte Lotzusammensetzungen kurz vorgestellt:
In der russischen Druckschrift SU 1606295 ist ein Sn-Basislot mit 1,8-3,5 Masse-% Ni und 3,6-10,5 Masse-% Ge zum Löten von Ni, Cu bzw. Fe beschrieben. Das Lot hat eine für die hier betrachteten Lotvarianten aufgrund seiner hohen Schmelztemperatur von 235-280°C keine Bedeutung und soll jedoch durch seine Zusammensetzung eine höhere Festigkeit bei Raumtemperatur und ein verbessertes Fließvermögen aufweisen.

Aus der japanischen Druckschrift JP 58-20719 geht eine Lotzusammensetzung hervor, die auf einem Pb-Basislot aufbaut und neben (0,1-1,5) Masse-% Ge auch noch (1-10) Masse-% Sn, (0,5-5) Masse-% Zn und (0,05-0,5) Masse-% Cu enthält. Auch dieses Lot betrifft aufgrund seines hohem Schmelzpunktes nicht das hier vorgesehene Anwendungsgebiet der Verarbeitung elektrischer Bauelemente. Hinzukommt, daß aufgrund des hohen Zn-Gehalt Korrosionsschäden bei den Elektronik-Baugruppen nicht ausgeschlossen werden können.

Das relativ hochschmelzende japanische Pb-Basislot nach der Druckschrift JP 2-75493 mit (0,5-1,5) Masse-% Sn sowie mit (1-2) Masse-% Ag und (0,1-1) Masse-% Ge ist aufgrund seines hohen Pb-Gehalts ebenso nicht geeignet.

In der WO 94/20257 ist eine robuste Metall-Lot-Legierung beschrieben, die neben (0,8-7) Masse-% Ge und Ag, neben Pb auch noch (30-70) Masse-% Sn, (0-3) Masse-% Bi und (0-2,5) Masse-% In aufweist. Dieses komplex legierte Lot hat zwar eine ausreichend geringe Schmelztemperatur, ist aber aufgrund eben dieser komplexen Zusammensetzung sehr kostenaufwendig.

Ähnliches gilt auch für die russische Druckschrift SU 1512741, in der ein Lot beschrieben ist, das mit einer Liquidustemperatur von 223-228°C neben Pb auch (35-37) Masse-% Sn, (3-5) Masse-% In, (0,10,3) Masse-% Ce-Mischmetall und (0,7-0,9) Masse-% Ge enthält. Außerdem ist dieses Lot für das Weichlöten von Vakuumarmaturen bestimmt und zeichnet sich insbesondere durch die hohe Vakuumdichtheit und Korrosionsbeständigkeit der Lötverbindungen aus. Die angegebene erhöhte Temperaturbeständigkeit ist in dieser Druckschrift nicht ausgewiesen.

Genau so kostenaufwendig ist das Sn-Basislot nach der russischen Druckschrift SU 1606294 mit einem Schmelzbereich von 70-154°C. Es enthält neben Pb die Legierungselemente Bi, In und (0,5-1,0) Masse-% Ge. Aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur kann dieses Lot im Elektronikbereich nicht zuverlässig eingesetzt werden, zumal im Normalbetrieb von Elektronikbauteilen Betriebstemperaturen erreicht werden, die an die Schmelztemperatur der Lotzusammensetzung reichen bzw. darüber liegen.

Das im Patent SU 1479250 beschriebene Sn-Basislot ist mit (34-35) Masse-% In, (11-12) Masse-% Cu, (5-6) Masse-% Co und (0,8-1) Masse-% Ge legiert. Neben den aufgrund des großen In-Anteiles relativ hohen Kosten hat dieses Lot ein unzulässig großes Schmelzintervall von (113-350)°C, wodurch die Anwendung im Elektronikbereich als problematisch angesehen werden muß. Dieses Lot ist insbesondere als Reparaturlot für die Produkte der Chemieindustrie entwickelt worden.

Ferner geht aus der JP 61-273 296 A eine Sn-Lotzusammensetzung hervor, die 0,05-1 Gew.-% Ge sowie 0,01-0,05 Gew.-% Ni enthält und zusätzlich noch Pb, Cu sowie Ag aufweist. Ebenso wird die Verwendung von Nickel und Germanium in der SU 16 06 295 A vorgeschlagen. Der Schmelzpunkt derartiger Lote liegt jedoch bereits in Bereichen (235-280°C), die für elektronische Bauelemente kritisch sind:

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine vorzugsweise auf Sn-Basis aufbauende Lotzusammensetzung, die vorzusgweise wenigstens eines der weiteren Legierungselemente Pb, Cu oder Ag aufweist, derart weiterzuentwickeln, daß die Schmelztemperatur der Lotzusammensetzung in einem Temperaturbereich liegt, bei dem die zu verbindenden und zu fixierenden elektronischen Bauelemente keinen Schaden nehmen. Insbesondere soll die Lotzusammensetzung eine verbesserte Temperaturbeständigkeit, Festigkeit sowie über bessere Kriecheigenschaften verfügen als es bei bekannten Lotwerkstoffen der Fall ist.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Lotzusammensetzung bestehend aus einer Ausgangslotzusammensetzung und wenigstens einer Legierungskomponente, derart weitergebildet, dass die Legierungskomponente aus einem Metall oder mehreren Metallen mit einer Schmelztemperatur über 750°C besteht, und dass die Ausgangslotzusammensetzung auf der Basis von einem Metall mit einer Schmelztemperatur unter 430°C gebildet ist.

Vorzugsweise wird als Ausgangslotzusammensetzung eine auf Sn-Basis aufbauende Lotzusammensetzung verwendet, der Mn und/oder Fe als zusätzliche Legierungskomponenten zugegeben sind. Neben den genannten Legierungskomponenten kann die an sich bekannte Sn-Ausgangslot zusammensetzung weitere Bestandteile vorzugsweise Ag, Cu, Au, Pb, Cd, Bi, Ga, In, Zn, Sb, Pd, Ti, Ni, Ge, Cs, Mg, Co, P, Ce, Se, Tl, Li, Ba, Na, Ca, Te, Si, La, Be, Zr und/oder Al enthalten.

Wie im Weiteren im einzelnen ausgeführt wird, zeigt sich durch die Beimischung von Mn und/oder Fe zu einem Sn-Ausgangslot, wie es in einer Vielzahl von Varianten einleitend beispielhaft genannt ist, dass die Standfestigkeit der Lotzusammensetzung bei unveränderter Betriebstemperatur gegenüber bekannten Loten verbessert ist und dass in einigen Fällen die Standfestigkeit auch bei höheren Betriebstemperaturen zumindest unverändert bleibt. Somit können solche mechanischen Kurzzeiteigenschaften, wie der Gleitmodul (G) und die Wiederaufschmelztemperatur (T_schmelz), sowie die thermo-mechanischen Langzeiteigenschaften der Lötverbindungen, wie z. B. der Kriechwiderstand (KW), positiv beeinflusst werden.

Die Beimengung von Mn und/oder Fe zur Ausgangslotzusammensetzung, die vorzugsweise eine Sn-Lotzusammensetzung ist, erfolgt derart, dass sich insbesondere intermetallische Phasen aus mindestens je einem Metall der Legierungskomponente und der Ausgangszusammensetzung ausbilden, und dass die Ausgangslotzusammensetzung lediglich in dem Maße mit Mangan und/oder Eisen legiert wird, dass sich die Schmelztemperatur der sich dabei ergebenden Lotlegierung nicht mehr als um 1% erhöht, wobei der Mindestgehalt an Mn und/oder Fe in der jeweiligen Lotzusammensetzung jeweils 0,001 Gew.-% beträgt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung können die zu der Ausgangslotzusammensetzung hinzuzufügenden Legierungskomponenten Mn und/oder Fe in verschiedenen Ausgangsformen vorliegen, bspw. in Form von sich bei Erwärmung zersetzenden anorganischen und/oder organischen chemischen Verbindungen, von festem Metall oder Vorlegierungen und insbesondere von festem Metall- bzw. Vorlegierungspulver sowie auch von Metalldampf und/oder Metallionen.

Die in vorstehenden alternativen Ausgangsformen vorliegenden Legierungskomponenten werden der Ausgangslotzusammensetzung, die als Legierung oder aber als Reinmetall oder Metallverbindung vorliegt, bspw. zeitlich vor dem Auftrags- und/oder Verbindungslöten oder aber während des Auftrags- und/oder Verbindungslötens zugegeben, wobei sich eine Legierung zwischen der Ausgangslotzusammensetzung und den Legierungskomponenten Mn und/oder Fe ergibt.

Wird der Legierungsprozess vor dem Auftrags- und/oder Verbindungslötens durchgeführt, so erfolgt der Legierungsvorgang vorzugsweise in sauerstoffarmen, flüssigen bzw. geschmolzenen oder gasförmigen Medien und/oder in Vakuum bei Temperaturen über den jeweiligen Zersetzungstemperaturen der chemischen Verbindungen, in denen die Legierungskomponente Mn und Fe vorliegen, aber unterhalb der Schmelztemperaturen von Mn bzw. Fe.

Wird hingegen der Legierungsvorgang während des Auftrag- und/oder Verbindungslötens durchgeführt, so wird der Legierungsprozess bei Löttemperatur durchgeführt.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung pulverisiert und zu einer Lotpaste oder zu Lotformteilen verarbeitet. Ebenso ist es möglich die Lotzusammensetzung zum Wellenlöten zu verwenden.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit 1. Beispiel

Sn wurde als Lotmetall erfindungsgemäß mit Mn-Pulver als Legierungselement in einem reduzierendem Schutzgas bei 910°C mit einer Haltedauer von 20 min zusammengeschmolzen. Nach Abkühlung der SnMn-Legierung wurde das so legierte SnMn-Lot über Schmelztemperatur erwärmt. Das entstandene Lotbad wurde zur Vorbelotung von Torsionsproben aus Cu genutzt. Anschließend erfolgte das manuelle Flammlöten von vier Lötverbindungen in jeweils drei Torsionsproben. Danach wurden die gelöteten Torsionsproben bei 150°C mit einer Scherspannung von 1,5 N/mm² konstant belastet und die Kriechverformung über die Prüfdauer erfaßt.

Mit dieser Prüfung konnten neben dem Kriechwiderstand (KW) auch der systemspezifische Gleitmodul (G) und die systemspezifische Wiederaufschmelztemperatur (Tschmelz) bestimmt werden.

Die Ergebnisse zeigt die folgende Tabelle im Vergleich zum konventionellen SnCu- Lot.

2. Beispiel

Eine Paste aus SnAg3,5 als Lotlegierung wurde erfindungsgemäß mit C₂FeO₄-Pulver als chemische Fe-Verbindung mit einer Zersetzungstemperatur von ca. 190°C versetzt und anschließend bei 240°C mit einer Haltedauer von 2 min bzw. 30 min in einer Dampfphasenlötanlage zur Fertigung der o. a. vier Lötverbindungen in jeweils drei Torsionsproben genutzt. Die Prüfung erfolgte wie oben beschrieben.

Die Ergebnisse zeigt die folgende Tabelle im Vergleich zum konventionellen SnAg3,5-Lot.

3. Beispiel

SnAg3,8Cu0,7 wurde als Lotmetall erfindungsgemäß mit Mn als Legierungselement im Vakuum (10^-6 Torr) bei 910°C bei einer Haltedauer von 20 min bedampft. Nach Abkühlung der SnAgCuMn-Legierung wurde das so legierte SnAgCuMn-Lot über Schmelztemperatur erwärmt. Das entstandene Lotbad wurde zur Vorbelotung von Torsionsproben aus Cu genutzt. Anschließend erfolgte das manuelle Flammlöten von vier Lötverbindungen in jeweils drei Torsionsproben. Die Prüfung erfolgte wie oben beschrieben.

Die Ergebnisse zeigt die folgende Tafel im Vergleich zum konventionellen SnAg3,8Cu0,7-Lot.

Claims

1. Lotzusammensetzung bestehend aus einer Ausgangslotzusammensetzung und wenigstens einer Legierungskomponente,
dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungskomponente aus einem Metall oder mehreren Metallen mit einer Schmelztemperatur über 750°C besteht, und
dass die Ausgangslotzusammensetzung auf der Basis von einem Metall mit einer Schmelztemperatur unter 430°C gebildet ist.

2. Lotzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangslotzusammensetzung nur soviel Anteile der Legierungskomponente zugesetzt sind, daß die Schmelz- bzw. Solidustemperatur der Ausgangslotzusammensetzung sich um maximal 5% erhöht.

3. Lotzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotzusammensetzung einen Mindestgehalt der Legierungskomponente von 0,001 Gew.-% aufweist.

4. Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierungskomponente Mangan (Mn) und/oder Eisen (Fe) der Ausgangslotzusammensetzung beigemengt ist.

5. Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslotzusammensetzung auf der Basis von Zinn (Sn) gebildet ist.

6. Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslotzusammensetzung weitere Bestandteile wie Ag, Cu, Au, Pb, Cd, Bi, Ga, In, Zn, Sb, Pd, Ti, Ni, Ge, Cs, Mg, Co, P, Ce, Se, Tl, Li, Ba, Na, Ca, Te, Si, La, Be, Zr und/oder Al enthält.

7. Verfahren zur Herstellung der Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsvorgang durch metallurgische Wechselwirkung zwischen der Ausgangslotzusammensetzung mit wenigstens einer der Legierungskomponenten vor oder während einem Auftrag- und/oder Verbindungslöten durchgeführt wird.

8. Verfahren zur Herstellung der Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsvorgang durch metallurgische Wechselwirkung zwischen der Ausgangslotzusammensetzung mit wenigstens einer der Legierungskomponenten in einem sauerstoffarmen flüssigen bzw. geschmolzenen oder gasförmigen Medium und/oder im Vakuum bei Temperaturen über der Schmelztemperatur der Ausgangslotzusammensetzung und bei Anwendung von chemischen Verbindungen auch über den jeweiligen Zersetzungs und/oder Reduktionstemperaturen der chemischen Verbindungen durchgeführt wird.

9. Verfahren zur Herstellung der Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsvorgang in an sich bekannten Lötatmosphären bei Löttemperatur durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierungsvorgang derart durchgeführt wird, dass zumindest ein Metall der Ausgangslotzusammensetzung mit zumindest einem Metall der Legierungskomponte intermetallische Phasen bildet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungskomponente in Form von festem, flüssigem, dampfförmigem und/oder ionisiertem Metall und/oder zersetzbaren und/oder reduzierbaren chemischen Verbindungen der Ausgangslotzusammensetzung zugesetzt wird.