DE102006057963A1

DE102006057963A1 - Verfahren und Herstellung einer Lotlegierung oder einer Lotvorlegierung

Info

Publication number: DE102006057963A1
Application number: DE200610057963
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. Scheel; Klaus Prof. Dr. Wittke; Matthias Hutter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2008-06-12

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer Lotlegierung oder einer Lotvorlegierung, bei dem zu einem Basislotmaterial aus einem oder mehreren Elementen wenigstens ein Legierungsmetall beigegeben wird, das mit dem Basislotmaterial eine Legierung bildet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem Legierungsmetall vereinzelte Ionen, Atome und/oder Atomcluster hergestellt werden, und dass die vereinzelten Ionen, Atome und/oder Atomcluster in ausreichender Menge in das Basislotmaterial unter Ausbildung einer Legierung mit nachweisbar veränderten Eigenschaften eingebracht werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Lotlegierung oder einer Lotvorlegierung, bei dem zu einem Basislotmaterial aus einem Element oder mehreren Elementen wenigstens ein Legierungsmetall beigegeben wird, das mit dem Basislotmaterial die Lotlegierung zum Löten oder eine Lotvorlegierung zur Fertigung einer Lotlegierung bildet.
Stand der Technik
Weich- und Hartlote verfügen aufgrund ihrer thermischen Schmelz- und Verfestigungseigenschaften über ein hohes Anwendungspotenzial, so insbesondere die Weichlote in der Elektrotechnik und Elektronik, zur Herstellung fester, mechanisch belastbarer, aber insbesondere elektrisch leitender Verbindungen zwischen einzelnen, zu meinst elektrischen Komponenten. Gängige Bestrebungen auf dem Gebiet der Materialforschung bei der Weiterentwicklung von Weichlötverbindungen zielen auf die Verbesserung ihrer thermomechanischen Eigenschaften. Wünschenswert sind thermomechanische Verbindungseigenschaften, die einen größtmöglich hohen Betriebstemperatur- und damit breiten Einsatzbereich erlauben, deren obere Grenze nicht nur durch die Schmelztemperatur des Lotes, sondern insbesondere durch die Auslöttemperatur als Schmelztemperatur der Korngrenzenphasen der Lötverbindung gegeben ist.
Erwähnenswert sind in diesem Zusammenhang neben den homogenen Fertigloten auch die sogenannten Verbundlote, bei denen in ein aus einem oder mehreren Elementen bestehendes Basislotmaterial Festkörperpartikel, beispielsweise in Form von insbesondere metallischen Körnern oder Fasern, eingebracht werden, um den Verfestigungsvorgang und damit den verfestigten Zustand des beim Löten entstehendes Lötgutes zu verbessern. Mit Hilfe dieser Maßnahmen ist es möglich, den Bereich der zulässigen Betriebstemperaturen der Lötverbindungen relativ zur Auslöttemperatur der Lötverbindungen auszuweiten.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Lotlegierung oder einer Lotvorlegierung, bei dem zu einem Basislotmaterial aus einem Element oder mehreren Elementen wenigstens ein Legierungsmetall beigegeben wird, das mit dem Basislotmaterial eine Legierung bilden kann, derart zu entwickeln, dass damit die Herstellung neuartiger Lotlegierungen und Lotvorlegierungen möglich wird, wobei die Anwendung der Lotlegierungen beim Löten zu Lötverbindungen mit verbesserten thermomechanischen Eigenschaften führt und die Lotvorlegierungen zur Fertigung solcher Lotlegierungen genutzt werden können. Zudem sollen die mit der Herstellung erforderlichen Verfahrensmaßnahmen resourcen- und energieschonend durchgeführt werden können.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Galt es bislang bei der Herstellung von Lotlegierungen oder Lotvorlegierungen in Form von Fertig- oder Verbundloten das Basislotmaterial vollständig in die Schmelze überzuführen, in die zur Herstellung der Lot- bzw. Lotvorlegierung zweckentsprechende Metallpartikel in Form kleinster Granula oder in Pulverform in die Schmelze eingebracht werden, so dass die Metallpartikel letztlich teilweise oder auch vollständig ebenso in Schmelze übergehen, wird lösungsgemäß vorgeschlagen, dass aus dem Legierungsmetall oder aber aus den Metalllegierungen vereinzelte Ionen, Atome und/oder Atomcluster hergestellt werden, die in ausreichender Menge in das Basislotmaterial unter Ausbildung der Lotlegierung oder Lotvorlegierung eingebracht werden, so dass die mit der Lotlegierung gefertigten Weichlötverbindungen nachweisbar verbesserte Eigenschaften besitzen, vorzugsweise im Hinblick auf die thermomechanischen Eigenschaften, die sich beispielsweise in einem sich signifikant verbesserten Kriechwiderstand widerspiegeln, und die Lotvorlegierung zur Fertigung solcher Lotlegierungen verwendet werden kann.
Im Unterschied zu den bisher bekannten Maßnahmen zur Herstellung von Lotlegierungen oder Lotvorlegierungen, letztere dienen als Halbfabrikat zur Herstellung von Lotlegierungen, erlaubt das lösungsgemäße Verfahren durch das Einbringen von einem in Form von Ionen, Atomen und/oder Atomclustern vorliegenden Legierungsmetall in ein nicht notwendigerweise in Schmelze vorliegendes Basislotmaterial die Herstellung einer Lotlegierung oder Lotvorlegierung vor allem auch im Falle eines in fester Phase vorliegenden Basislotmaterials.
Vorzugsweise werden die Ionen, Atome und/oder Atomcluster aus einem jeweils auszuwählenden Legierungsmetall oder auch aus einer entsprechenden Metalllegierung mittels elektrischer Entladung in einem gasförmigen oder flüssigen Schutzmedium vereinzelt und unmittelbar in-situ, d.h. in status nascendi in das Basislotmaterial eingebracht. In diesem Zustand verfügen die vereinzelten Pikopartikel – dieser Begriff leitet sich von der Größendimension der lateralen Ausdehnung der Atome und Ionen ab, die nach Kenntnissen der Quantentheorie im Bereich von 10^–10 bis 10^–12m liegt – über eine besonders hohe Reaktionsfreudigkeit und führen bereits nach Eindringen in das Basislotmaterial über eine Oberfläche des Materials mit diesem zur Legierungsbildung. Insbesondere die kinetischen Energien der einzelnen, vereinzelten Pikopartikel sind durch geeignete Wahl des bei der elektrischen Entladung gewählten Spannungspotenzials derart hoch, dass die einzelnen Pikopartikel in Form von Ionen, Atome oder Atomcluster nahezu ungehindert über eine Oberfläche des Basislotmaterials in dieses einzudringen vermögen und dies darüber hinaus mit einer großen in das Basislotmaterial hineinreichenden Tiefenwirkung. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich der Legierungsprozess nicht nur in oberflächennahen Schichtbereichen innerhalb des Basislotmaterials einstellt.
Mit Hilfe des lösungsgemäßen Verfahrens ist es somit erstmals möglich, Lotlegierungen oder Lotvorlegierungen herzustellen, ohne dabei das Basislotmaterial zu schmelzen, wobei erst danach das Schmelzen mit geringer Überhitzung zur erforderlichen Durchmischung durchgeführt wird. Dies führt zu vereinfachten und aufwandsarmen technischen Rahmenbedingungen, unter denen das Verfahren anwendbar ist, gilt es doch weder überhitzte Metallschmelzen herzustellen und diese entsprechend zu handhaben, noch den für die Herstellung der Metallschmelze verbundenen Energieaufwand in Kauf nehmen zu müssen, wodurch sich merkliche Kosteneinsparungen realisieren lassen.
Es ist aber nicht zwingend notwendig das Basislotmaterial während des Einbringens der Ionen, Atome und/oder Atomcluster des jeweiligen Legierungsmetalls ausschließlich in fester Phase bereit zu stellen, da beispielsweise eine zumindest partielle Erweichung oder zumindest lokale Überführung des Basislotmaterials in den viskosen bzw. geschmolzenen Zustand einem erleichterten Eindringen der aus dem Legierungsmaterial bestehenden Pikopartikel in das Basislotmaterial sowie einer verbesserten Durchmischung mit diesem dient.
Sehr gute Legierungsergebnisse konnten bereits erzielt werden bei einem lediglich an der Oberfläche lokal erweichten oder partiell aufgeschmolzenen Basislotmaterial, über die mittels einer elektrischen Entladung in-situ erzeugte Ionen, Atome und/oder Atomcluster in das Basislotmaterial eindringen.
Eine weitere Verfahrensvariante dient einer verbesserten stofflichen Durchmischung des Basislotmaterials mit den Ionen, Atomen und/oder Atomclustern des Legierungsmaterials oder der Metalllegierung, indem das Basislotmaterial in den geschmolzenen Zustand überführt wird und dieses während des Einbringes und/oder nach dem Einbringen der vereinzelten Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls oder der Metalllegierung in das Basislotmaterial als Schmelze vorliegende Gemisch aus Basislotmaterial und Pikopartikeln des Legierungsmaterials oder der Metalllegierung eine durch Magnetfeldinduktion hervorgerufene Durchmischung erfährt, beispielsweise durch Applizierung induktiver Wirbelfelder, die innerhalb des Gemisches Stoffströme hervorruft.
In einer alternativen Verfahrensvariante ist es ebenso denkbar, die Ionen, Atome und/oder Atomcluster eines Legierungsmetalls oder einer Metalllegierung innerhalb des Volumens des Basislotmaterials einzubringen, beispielsweise durch ihre Zuführung in einer im Volumen des Basislötmaterials durch ein gasförmiges Schutzmedium erzeugten Kaverne bis zur Funkenentladung innerhalb des Volumens des Basislotmaterials.
Zur Herstellung der in Form von Ionen, Atome und/oder Atomcluster vorliegenden Pikopartikel eines jeweils gewählten Legierungsmetalls oder einer entsprechend geeigneten Metalllegierung, vorzugsweise unter Verwendung einer elektrischen Entladung, ist es nicht notwendigerweise erforderlich, dass das jeweilige Legierungsmetall bzw. die jeweilige Metalllegierung in fester Form vorliegt, insbesondere draht- oder stabförmig. Gleichfalls ist es möglich, dass das Legierungsmetall oder die Metalllegierung in einem teilweise oder vollständig geschmolzenen Zustand zur weiteren Vereinzelung in Pikopartikel bereitgestellt wird.
Das lösungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl zur Herstellung von Lotlegierungen für die Anwendung bei der Fertigung von Lötverbindungen als auch zur Herstellung von Vorlegierungen für die weitere Verwendung bei der Fertigung solcher zum Löten geeigneter Lotlegierungen einsetzen.
Mit Hilfe des lösungsgemäßen Verfahrens konnte gezeigt werden, dass pikolegierte Lotlegierungen zu Lötverbindungen und insbesondere zu Weichlötverbindungen mit einem deutlich erhöhten Kriechwiderstand führen, was nach den derzeitigen Kenntnisstand auf eine Dispersionsverfestigung des Lötgutes der Lötverbindungen zurückzuführen ist. Besonders gute Werte konnten z. B. mit dem komplexen Einlegieren insbesondere von einer FeCrNi-Legierung in ein konventionelles bleifreies SnAg3,8Cu0,7-Fertiglot erzielt werden, das während des Legierungsvorganges als Schmelze vorlag und in das mittels elektrischer Funkenentladung die entsprechenden Metallionen bzw. Metallatome in das als Fertiglotmaterial vorliegende Basislotmaterial eingebracht worden sind.
Das lösungsgemäße Verfahren erlaubt es nach Lotlegierungen zu suchen, mit denen Lötverbindungen mit deutlich verbesserten thermo-mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können, indem u. a. alle auf dem Markt verfügbaren Legierungen für das elektrische Pikolegieren, wie vorstehend beschrieben, angewendet werden. Dazu zählen z.B. neben den Stählen, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen als auch solche Legierungen wie
Ni-Legierungen (z.B. NiCU-, NiFe-, NiFeCr-, NiCr-, NiMoCr- oder NiCrCo-Legierungen);
Mn-Legierungen (z.B. CuMn(Ni)- oder AlMn-Legierungen);
Co-Legierungen (z.B. CoCrMo- oder CoCrMoW-Legierungen);
Ti-Legierungen (z.B. TiAlV-, TiMoZrSn- oder TiAlNb-Legierungen);
Widerstandslegierungen (z. B. CuMn12Ni-, CuMn7Sn- oder NiCr20AlSi-Legierungen);
Thermolegierungen (z.B. NiCr-, NiMnAlSi-, CuNiMn-, CuNiMnFe-, CuNiMn-, NiSiCr- oder NiMnFe-Legierungen).
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Schematische Darstellung eines lösungsgemäßen Legierens eines Basislotmaterials mittels Funkenentladung in einem Schutzgas und
2 Schematische Darstellung eines lösungsgemäßen Legierens eines Basislotmaterials mittels Funkenentladung in einer dielektrischen Flüssigkeit/Schmelze.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist eine Anordnung zur Durchführung des lösungsgemäßen Verfahrens ersichtlich, bei der in einem Gefäß 1 ein Basislotmaterial 2 als Schmelze vorliegt. Das Gefäß 1 ist an seiner oberen Öffnungsseite durch einen Gefäßdeckel 3 abgeschlossen, der wenigstens zwei Öffnungen 4, 5 vorsieht, durch deren Öffnung 4 Schutzgas S zur Vermeidung von Oberflächenoxidationen im Oberflächenbereich des in Schmelze vorliegenden Basislotmaterials 2 zugeführt wird. Geeignete Schutzgase sind beispielsweise Edelgase, bspw. Ar. Durch die Öffnung 5 innerhalb des Gefäßdeckels 3 wird eine aus einem Legierungsmetall 6 bestehende und als Anode ausgebildete Elektrode durchgeführt. Der Gehäusedeckel 3 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitendem Material, bspw. Graphit, ausgebildet und mit dem Kathodenpotenzial 7 verbunden, so dass im Bereich des Legierungsmetalls 6, der in die Öffnung 5 hineinragt eine Funkenentladung erfolgt, durch die vermittels Stoßwellenbildung Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls 6 in die Schmelze 2 eingebracht werden. Im Falle von Carbitbildenden Legierungsmetallen, wie beispielsweise Fe, Cr oder Ti, kann der als Kathode 7 dienende Gehäusedeckel 3 aus einer elektrisch leitfähigen Keramik, wie beispielsweise SiC gefertigt sein.
Eine außerhalb des Gefäßes 1 vorgesehene elektrische Spulenanordnung 8 sorgt vermittels magnetischer Induktion für eine intensive Badbewegung innerhalb der Schmelze 2, die einem ausreichenden Konzentrationsausgleich sowie einer Homogenisierung der Schmelze dient.
Nicht notwendigerweise ist es erforderlich, dass das Basislotmaterial 6 in einer vollständigen Schmelze vorliegt. Das lösungsgemäße Verfahren lässt sich durchaus auch an festen Basislotmaterialien einsetzen, deren Oberflächenbereiche sich durch eine lokale Induktionserwärmung in einem viskosen oder flüssigen Zustand befinden, wobei nach Abschluss des Einlegierens der Pikopartikel ein vollständiges Schmelzen bei gleichzeitigem Konzentrationsaugleich und Homogenisieren erfolgt.
In 2 ist eine ähnliche Schemazeichnung gemäß 1 dargestellt. Jedoch handelt es sich hier nicht um ein Schutzgas, sondern um eine dielektische Flüssigkeit 11, in die die aus Legierungsmetall gefertigte Anode 6 eintaucht. Gleichsam der Schemadarstellung in 1 kann auch in 2 die Anode 6 mit einer Isolierung 10 gegenüber dem flüssigen Dielektrikum abgetrennt sein. Zur Erzeugung einer Funkenentladung ist innerhalb der Lösung 11 eine leitfähige Kathode 7 aus dem Basislotmaterial eingebracht, wodurch sich gleichfalls durch den Materialabtrag an der Spitze der Anode 6 in Form von Ionen, Atomen und/oder Atomclustern das Auflegieren des Basislotmaterials ergibt.

1: Gefäß
2: Basislotmaterial in Schmelze
3: Gefäßdeckel
4, 5: Öffnung
6: Legierungsmetall
7: Kathode
8: Elektrische Spulenanordnung
9: Isolierung
10: flüssiges Dielektrikum

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lotlegierung oder einer Lotvorlegierung, bei dem zu einem Basislotmaterial aus einem oder mehreren Elementen wenigstens ein Legierungsmetall beigegeben wird, das mit dem Basislotmaterial eine Legierung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Legierungsmetall vereinzelte Ionen, Atome und/oder Atomcluster hergestellt werden, und dass die vereinzelten Ionen, Atome und/oder Atomcluster in ausreichender Menge in das Basislotmaterial unter Ausbildung einer Legierung mit nachweisbar veränderten Eigenschaften eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls mittels elektrischer Entladung aus dem Legierungsmetall vereinzelt werden und unmittelbar in-situ, d.h. in status nascendi, in das Basislotmaterial eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Basislotmaterial während des Einbringens der vereinzelten Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls in einem festen, viskosen, teilweise geschmolzenen oder einem vollständig geschmolzenen Zustand vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das feste, viskose oder teilweise geschmolzene und bereits auflegierte Basislotmaterial zur stofflichen Durchmischung mit den Ionen, Atomen und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls vollständig geschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls über eine der Oberflächen des Basislotmaterials erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Ionen, Atome und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls unter einer Oberfläche, d. h. im Volumen des Basislotmaterials in einer durch Schutzgas gebildeten Kaverne erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungsmetall in einem festen, viskosen, teilweise geschmolzenen oder einem vollständig geschmolzenen Zustand vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungsmetall zur Herstellung der Ionen, Atome und/oder Atomcluster einer elektrischen Entladung in einem Schutzmedium unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzmedium aus einem gasförmigen, flüssigen oder geschmolzenen Stoff besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das feste, viskose oder teilweise geschmolzene und mit den Ionen, Atomen und/oder Atomcluster des Legierungsmetalls bereits auflegierte Basislotmaterial zur stofflichen Durchmischung und Homogenisierung bekannterweise mittels Induktionspulen sowie einer zweckentsprechenden Stromquelle durch das entstehende elektrische Wechselfeld vollständig geschmolzen und durchmischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Basislotmaterial ein Metall verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Basislotmaterial eine Lotvorlegierung aus mindestens zwei Elementen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Atomcluster des Legierungsmetalles in Form eines festen oder losen Verbundes einzelner Atome oder Ionen vorliegen, die beim Eindringen im Basislotmaterial in Form von vereinzelten Atomen oder Ionen in Lösung gehen und damit zur Legierungsbildung im Basislotmaterial führen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Ionen, Arome und/oder Atomcluster des Legierungselementes als Schutzmedium eine dielektrische Flüssigkeit vorgesehen wird, in der eine Kathode eingebracht ist, und dass das Legierungsmetall mit elektrischem Anodenpotenzial in der Flüssigkeit oder Schmelze durch eine Funkenentladung lokal mit der Kathode in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungselement aus einem einzelnen Metall, einer einzelnen Metalllegierung oder aus nebeneinander angeordneten Metallen und/oder Metalllegierungen besteht.