DE102006003482A1 - Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat sowie pulverförmiger Lotwerkstoff - Google Patents

Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat sowie pulverförmiger Lotwerkstoff Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots (4) aus einem Aluminium enthaltenden Lotwerkstoff (6) auf ein Substrat (8), bei dem das Lotdepot (4) durch Kaltgasspritzen des pulverförmigen Lotwerkstoffs (6) mit einem Prozessgas auf das Substrat (8) aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft weiter einen pulverförmigen Lotwerkstoff (6). Es ist vorgesehen, dass der Lotwerkstoff (6) pulverförmiges Weichlot und pulverförmiges Aluminium enthält.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen pulverförmigen Lotwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 2004 026 490 A1 ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe bekannt, bei dem Hartlote und insbesondere Fe-, Ni- und Cu- sowie Al- und Zn-Basislote in Form von Legierungen mit verschiedenen Legierungsbestandteilen durch einen thermischen Spritzprozess auf den Grundwerkstoff aufgetragen werden. Ein in der DE 2004 026 490 A1 genannter thermischer Spritzprozess ist das Kaltgasspritzen, bei dem ein vorgewärmtes Prozessgas in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei die Gastemperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Lotwerkstoffs liegt. Der aus der Düse austretende pulverförmige Lotwerkstoff erreicht hohe kinetische und relativ geringe thermische Energien.
  • Aus der DE 103 20 740 A1 ist ein Verfahren zum Verlöten zweier Teile bekannt, bei dem eines der beiden Teile aus einem schwer lötbaren Material besteht und zuerst mit einem Überzug aus einem lötfähigen Material, zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, versehen wird. Auf diesen Überzug wird dann durch Kaltgasspritzen eine Schicht aus Lot aufgebracht, die zum späteren Verlöten mit dem anderen Teil dient.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 102 37 495 A1 einen Aluminium enthaltenden Lotwerkstoff und ein Verfahren zum Ausbilden einer Weichlötverbindung, wobei der als Weichlot ausgebildete Lotwerkstoff einen Aluminiumzusatz von mehr als 0,001 Gew.-% enthält. Mit dem beschriebenen Verfahren kommt es einerseits bei der Herstellung der Lötverbindung in einer Diffusionszone zwischen dem Weichlot und einem das Weichlot tragenden Substrat zu einer erwünschten chemischen Wechselwirkung in Form einer Legierungsbildung, während andererseits eine unerwünschte fortgesetzte chemische Wechselwirkung nach Abschluss des Lötvorgangs verhindert werden kann, weil das im Weichlot enthaltene Aluminium beim Aufschmelzen des Weichlots während des Lötvorgangs an der Grenzfläche zum Substrat eine Barriere- oder Sperrschicht bildet. Diese Barriere- oder Sperrschicht verhindert selbst dann ein späteres Auftreten von Diffusions- und Legierungsvorgängen, wenn das aluminiumhaltige Weichlot infolge erhöhter Betriebstemperaturen der verlöteten Teile erneut stark erwärmt oder gar flüssig wird, was eine Steigerung der Diffusionsgeschwindigkeiten und damit die Ablegierraten zur Folge hat.
  • Die Herstellung eines Lotdepots mit dem in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen Verfahren ist allerdings bisher nur unter Verwendung eines Lotbads oder von Lotkugeln aus einem aluminiumhaltigen Weichlot möglich, in denen das Aluminium während der Verarbeitung und der Herstellung des Lotdepots in einem fein verteilten Zustand gehalten und durch das umgebende Weichlot vor Oxidation geschützt wird. Demgegenüber haben sich andere Lötverfahren bei Versuchen als ungeeignet erwiesen, zum Beispiel die Verwendung einer Lotpaste aus pulverförmigem Weichlot, pulverförmigem Aluminium und einem Flussmittelsystem, da es in der Lotpaste zu einer oberflächlichen Oxidation des pulverförmigen Aluminiums kommt, so dass während der Herstellung der Lötverbindung kein metallisches Aluminium für die Ausbildung der gewünschten Barriere- oder Sperrschicht zugänglich bzw. verfügbar ist. Diese Einschränkung bei der Verarbeitung bedeutet jedoch, dass das wegen seiner Eigenschaften sehr vorteilhafte aluminiumhaltige Weichlot für die meisten Anwendungen der Elektronik, wie z.B. für Schaltungsträger, nicht kommerziell angewandt werden kann.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass man die in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen Eigenschaften eines Aluminium enthaltenden Weichlots auch dann erhalten kann, wenn ein zur Herstellung eines Lotdepots durch Kaltgasspritzen auf ein Substrat aufgebrachter Lotwerkstoff neben pulverförmigem Weichlot pulverförmiges Aluminium enthält.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich, eine Aluminium enthaltende Legierung zu verwenden, um für eine gleichmäßige Verteilung des Aluminiums im Lotwerkstoff zu sorgen, da durch das Kaltgasspritzen selbst bereits eine ausreichende Durchmischung des pulverförmigen Aluminiums mit dem pulverförmigen Weichlot gewährleistet wird. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass eine Oxidation des pulverförmigen Aluminiums in dem beim Kaltgasspritzen verarbeiteten Lotwerkstoff keine merklichen negativen Auswirkungen hat, vermutlich weil sich das pulverförmige Aluminium infolge der hohen Geschwindigkeit beim Aufprall auf das Substrat ausreichend stark verformt, um die zuvor gebildete Oxidschicht an den Oberflächen der Aluminiumpartikel aufzubrechen und das metallische Aluminium freizulegen, so dass es beim späteren Lötvorgang zur Ausbildung einer Barriere- oder Sperrschicht verfügbar ist.
  • Versuche haben gezeigt, dass die in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden können, ohne dass es notwendig ist, den Anteil des Aluminiums im Lotwerkstoff gegenüber den aus der DE 102 37 495 A1 bekannten Lotwerkstoffen zu erhöhen, so dass dieser Anteil vorzugsweise mehr als 0,01 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% beträgt. Insbesondere wurde festgestellt, dass die beim Lötvorgang gebildete Barriere- oder Sperrschicht selbst im Falle eines länger anhaltenden teilweisen Aufschmelzens der Lötverbindung infolge erhöhter Betriebstemperaturen ausreichend ist, um eine weiter anhaltende chemische Wechselwirkung zwischen dem Weichlot und den Verbindungspartnern zu verhindern.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das beim Kaltgasspritzen verwendete Prozessgas ein Inertgas ist, das bei den während des Kaltgasspritzens herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen nicht mit dem Aluminium reagiert und insbesondere eine Oxidation der aufgebrochenen Oberflächen der Aluminiumpartikel verhindert, bis diese durch eine ausreichend dicke Schicht aus Weichlot vor einem Kontakt mit Luftsauerstoff geschützt sind. Die Temperatur des Prozessgases beim Kaltgasspritzen wird so eingestellt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur des Weichlots und damit auch unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums liegt, um ein Aufschmelzen des pulverförmigen Lotwerkstoffs während des Kaltgasspritzens zu vermeiden. Der Zusammenhalt der einzelnen Partikel im Lotdepot wird auch ohne ein Aufschmelzen erreicht, weil die Partikel beim Aufprall bedingt durch Mikroreibung lokal erwärmt werden, was an den Reibungspunkten zu einer Mikroverschweißung benachbarter Partikel führt. Dies reicht aus, um den Lotwerkstoff bis zum späteren Aufschmelzen während der Herstellung der Lotverbindung am Substrat festzuhalten und für eine ausreichende Haftung der Partikel untereinander zu sorgen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen das pulverförmige Aluminium und das pulverförmige Weichlot eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm auf, wobei sie vorteilhafterweise eine ähnliche Korngrößenverteilung besitzen, um eine möglichst homogene Durchmischung des Lotwerkstoffs zu erzielen bzw. diese bei einer eventuellen Umlenkung des Pulvergemischs innerhalb der Düse beim Zuführen des Lotwerkstoffs in das Prozessgas aufrecht zu erhalten.
  • Als Weichlot können beliebige handelsübliche Weichlote verwendet werden, jedoch finden zweckmäßig vor allem Weichlote in Form von PbSn-Legierungen, BiSn-Legierungen, SnAg-Legierungen oder SnAgCu-Legierungen Verwendung.
    •
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Spritzdüse zum Aufbringen eines Lotdepots aus aluminiumhaltigem Weichlot durch Kaltgasspritzen;
  • 2: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufgelöteten elektronischen Bauteils;
  • 3: eine Seitenansicht eines mit aluminiumhaltigem Weichlot zwischen flächige Kontakte eines Schaltungsträgers gelöteten elektronischen Bauteils;
  • 4: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines anderen, mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufgelöteten elektronischen Bauteils;
  • 5: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines noch anderen, mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufgelöteten elektronischen Bauteils.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Die in 1 dargestellte Spritzdüse 2 dient dazu, durch Kaltgasspritzen mindestens ein Lotdepot 4 aus einem pulverförmigen Lotwerkstoff 6 auf ein Substrat 8 aufzubringen, zum Beispiel auf einen elektrischen Kontakt 10 eines in den 2 bis 4 dargestellten Schaltungsträgers 12, der anschließend durch Aufschmelzen des Lotde pots 4 und Anpressen von einem oder mehreren metallischen Anschlüssen 14 eines elektrischen oder elektronischen Bauteils 16 mit dem Bauteil 16 verlötet wird.
  • Wie in 1 dargestellt, umschließt die langgestreckte Spritzdüse 2 einen inneren Hohlraum 18 mit einer zur Längsachse der Spritzdüse 2 koaxialen Längsachse. Der Hohlraum 18 weist einen vom Substrat 8 abgewandten erweiterten hinteren Kammerteil 20 und einen langgestreckten Düsenteil 22 auf, der sich in Richtung eines dem Substrat 8 zugewandten vorderen Stirnendes 24 der Spritzdüse 2 mit einem kleinen Konuswinkel zuerst verjüngt und von einer maximalen Einschnürung 26 an bis zu einer Düsenaustrittsöffnung 28 am vorderen Stirnende 24 wieder etwas erweitert. Vom hinteren Stirnende 30 der Spritzdüse 2 aus ragt ein Injektorrohr 32 in den Hohlraum 18, das außerhalb der Spritzdüse 2 in einen Vorratsbehälter (nicht dargestellt) für den pulverförmigen Lotwerkstoff 6 mündet und dessen Austrittsöffnung 34 innerhalb des Hohlraums 18 am vorderen Ende eines mit einem größeren Konuswinkel verjüngten Übergangsbereichs 36 zwischen dem Kammerteil 20 und dem Düsenteil 22 angeordnet ist. Der Kammerteil 20 ist durch eine seitliche Gaszufuhröffnung 38 in der Nähe des hinteren Stirnendes 30 der Spritzdüse 2 mit einem unter Druck stehenden Prozessgas (Pfeil P) aus einer geeigneten Druckgasquelle beaufschlagbar, das von der Gaszufuhröffnung 38 aus durch Öffnungen 40 eines im Kammerteil 22 angeordneten Heizelements 42 und dann an der Austrittsöffnung 34 des Injektorrohrs 32 vorbei durch den Düsenteil 22 strömt, wobei es infolge der konischen Verjüngung des Übergangsteils 36 und des Düsenteils 22 stark beschleunigt wird. Dadurch wird an der Austrittsöffnung 34 des Injektorrohrs 32 ein Unterdruck erzeugt, so dass der pulverförmige Lotwerkstoff 6 durch das Injektorrohr 32 aus dem Vorratsbehälter angesaugt, durch die Austrittsöffnung 34 in das am Injektorrohr 32 vorbei strömende Prozessgas eingetragen und vor seinem Austritt durch die Öffnung 28 innerhalb des Düsenteils 22 homogen mit dem Prozessgas vermischt wird.
  • Der im Vorratsbehälter enthaltene Lotwerkstoff 6 besteht aus einem pulverförmigen Weichlot, zum Beispiel einer Wismut-Zinn-Legierung, sowie aus pulverförmigem Aluminium, wobei die Korngröße der Pulverpartikel 44 der beiden metallischen Werkstoffe jeweils zwischen etwa 10 μm und etwa 50 μm liegt und eine ähnliche Korngrößenverteilung aufweist. Der Anteil des Weichlotpulvers beträgt etwa 99 Gew.-%, während der Anteil des Aluminiumpulvers etwa 1 % beträgt, jeweils bezogen auf das Gewicht des gesamten Lotwerkstoffs 6. Innerhalb der Weichlot-Legierung beträgt der Wismutanteil 56 Gew.-% und der Zinnanteil 44 Gew.-%, jedoch können auch Weichlot-Legierungen mit anderen Zusammensetzungen verwendet werden.
  • Das in den Hohlraum 18 zugeführte Prozessgas besteht aus einem Schutz- oder Inertgas, vorzugsweise Stickstoff oder Helium, dessen Temperatur und Druck, zum Beispiel zwischen 15 und 35 bar, so gewählt werden, dass die in den Gasstrom zugeführten Pulverpartikel 44 nicht aufgeschmolzen werden, jedoch bereits vor ihrem Aufprall auf das Substrat 8 eine erhöhte Temperatur besitzen. Durch die erhöhte Temperatur der Partikel 44 wird bewirkt, dass sich diese beim Aufprall auf das Substrat 8 stärker verformen, so dass eine zuvor durch Kontakt der Aluminiumpartikel mit Luftsauerstoff entstandene oberflächliche Oxidhaut auf den Aluminiumpartikeln leichter aufreißt, was eine anschließende lokale Verschmelzung von Aluminium und Weichlot benachbarter Weichlotpartikel infolge von Mikro reibung begünstigt. Gleichzeitig bewirkt die Anströmung des Substrats mit dem Schutz- oder Inertgas eine Verdrängung der Umgebungsluft aus dem Bereich des Lotdepots 4, wodurch eine erneute Oxidation des Aluminiumpartikel verhindert und dadurch ebenfalls eine lokale Verschmelzung von Aluminium und Weichlot gefördert wird.
  • Da auch die Weichlotpartikel vom Prozessgas erwärmt werden und beim Aufprall auf das Substrat 8 durch Mikroreibung oberflächlich erwärmt und lokal mit dem Substrat 8 bzw. den unmittelbar zuvor aufgespritzten Weichlotpartikeln verschmolzen werden, wird ein fest am Substrat 8 haftendes schichtförmiges Lotdepot 4 erzeugt, in dem die Aluminiumpartikel homogen verteilt sind und in metallischem Kontakt mit den Weichlotpartikeln stehen. Auf diese Weise kann das Aluminium beim Herstellen einer Lötverbindung 46 zwischen dem Substrat 8 und einem anderen metallischen Bauteil in das beim Verlöten aufgeschmolzene Weichlot eindiffundieren. Dadurch wird nach dem Erstarren des Lots eine Barriere- oder Sperrschicht gebildet, die fortschreitende Legierungs- oder Diffusionsvorgänge oder unerwünschte chemische Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und den benachbarten metallischen Bauteilen sicher verhindert.
  • Wenn das Substrat 8, zum Beispiel der in den 2 bis 5 dargestellte Schaltungsträger 12, mit dem durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Lotdepot 4 mit einem anderen metallischen Bauteil, zum Beispiel dem in den 2 bis 5 dargestellten elektrischen oder elektronischen Bauteil 16, verlötet werden soll, wird das Lotdepot 4 über den Schmelzpunkt des Weichlots hinaus erhitzt, während das andere metallische Bauteil 16 im Bereich des Lotdepots 4 gegen das Substrat 8 angepresst wird. Dazu besitzt das andere Bauteil 16 zweckmäßig eine dem Lotdepot 4 gegenüberliegende Oberfläche aus einem gut lötbaren Material, wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, kann jedoch an dieser Stelle auch mit einer Beschichtung aus einem aluminiumhaltigen Weichlot oder einem anderen Weichlot versehen werden, so dass es möglich wird, das aluminiumhaltige Weichlot als Verbindungselement in elektrischen Schaltungen und Schalteinrichtungen zu nutzen.
  • Bei den so hergestellten Lötverbindungen 46 treten nach dem Lötvorgang keine chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und dem Substrat 8 bzw. dem anderen metallischen Bauteil 16 auf. Die Werkstoffe dieser beiden löttechnisch verbundenen metallischen Teile 8, 16 und das Weichlot werden nach dem Lötvorgang selbst dann nicht mehr durch eine chemische Wechselwirkung beeinflusst, wenn die Teile 8, 16 im Betrieb erhöhten Betriebstemperaturen ausgesetzt sind oder gar erneut aufgeschmolzen werden. Dies wiederum verhindert irreversible Veränderungen der mechanischen, elektrischen und thermischen Funktion der Lötverbindung 46 und der Verbindungspartner 8, 16 unter Temperaturbelastung.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lötverbindung 46, bei der ein Schaltungsträger 12 mit einem elektrischen oder elektronischen Bauteil 16 verlötet worden ist, wobei ein durch Kaltgasspritzen auf einen von drei ebenen metallischen Kontakten 10 des Schaltungsträgers 12 aufgebrachtes Lotdepot 4 aus aluminiumhaltigem Weichlot mit seiner entgegengesetzten Breitseitenfläche flächig mit einem von zwei metallischen Anschlüssen 14 an den entgegengesetzten Breitseitenflächen des Bauteils 16 verlötet ist. Der andere Anschluss 14 ist durch zwei Bonddrähte 48 mit den beiden anderen metallischen Kontakten 10 verbunden.
  • 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden metallischen Anschlüsse 14 an den entgegengesetzten Breitseitenflächen eines ähnlichen elektrischen oder elektronischen Bauteils 16 jeweils mit einem gegenüberliegenden metallischen Kontakt 10 des Schaltungsträgers 12 verlötet sind. Wie bei dem vorangehenden Beispiel besteht jede Lötverbindung 46 aus einem aluminiumhaltigen Weichlot, das als Lotdepot 4 durch Kaltgasspritzen auf die Kontakte 10 aufgebracht worden ist.
  • Der Schaltungsträger 12 bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist an seiner Oberseite zwei im Abstand angeordnete metallische Kontakte 10 auf. Auf jeden dieser Kontakte 10 ist einer der beiden als Anschlussbein 50 ausgebildeten Anschlüsse 14 des Bauteils 16 aufgelötet, wobei die Lötverbindungen 46 ebenfalls mit Hilfe eines zuvor durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Lotdepots 4 aus einem Aluminium enthaltenden Weichlot hergestellt werden.
  • Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden metallischen Kontakte 10 an der Oberseite des Schaltungsträgers 10 jeweils durch eine kugelförmige Lötverbindung 46 mit einem gegenüberliegenden metallischen Anschluss 14 an der Unterseite des Bauteils 16 verbunden. Die Lötverbindung 46 besteht erneut aus einem Aluminium enthaltenden Weichlot.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots aus einem Aluminium enthaltenden Lotwerkstoff auf ein Substrat, bei dem das Lotdepot durch Kaltgasspritzen des pulverförmigen Lotwerkstoffs mit einem Prozessgas auf das Substrat aufgebracht wird, dadurch ge kennzeichnet, dass der Lotwerkstoff pulverförmiges Weichlot und pulverförmiges Aluminium enthält.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Aluminiums im Lotwerkstoff mehr als 0,001 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Weichlots im Lotwerkstoff mehr als 95 Gew.-% beträgt und weniger als 99,99 Gew.-% beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Aluminium eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Weichlot eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Weichlot und das pulverförmige Aluminium eine ähnliche Korngrößenverteilung aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer PbSn-Legierung besteht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer BiSn-Legierung besteht.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer SnAg-Legierung besteht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer SnAgCu-Legierung besteht.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Inertgas ist.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Prozessgases beim Kaltgasspritzen unterhalb der Schmelztemperatur des Weichlots liegt.
  13. Pulverförmiger Lotwerkstoff, insbesondere zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff (6) pulverförmiges Weichlot und pulverförmiges Aluminium enthält.
  14. Lotwerkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Aluminiums mehr als 0,001 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% beträgt, bezogen auf das Gewicht des Lotwerkstoffs (6).
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