DE102009039355A1 - solder alloy - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue bleifreie Lotlegierung und deren Verwendung.The present invention relates to a new lead-free solder alloy and its use.

Description

Löten ist eine wichtige Arbeitstechnik zur Herstellung von Bauteilen sowohl in der Serienfertigung als auch des Prototypenbaus von Werkstücken. Löten ist eine ökonomische und die Materialien wenig beanspruchende Arbeitsweise zur Verbindung metallischer Bauteile durch einen metallischen Zusatzstoff, das Lot, welches optional mit Flußmittel, und/oder Schutzgas aufweist. Die Schmelztemperatur des Lotes ist niedriger als die Schmelztemperaturen der zu verbindenden Metalle, welche vom Lot benetzt werden ohne zu schmelzen.Soldering is an important working technique for the production of components both in series production and in the prototyping of workpieces. Soldering is an economical and low-stress working method for joining metallic components by a metallic additive, the solder, which optionally with flux, and / or inert gas. The melting temperature of the solder is lower than the melting temperatures of the metals to be joined, which are wetted by the solder without melting.

Lotmaterialien werden nach ihren Arbeitstemperaturen in Weichlote und Hartlote klassifiziert, wobei Lote mit Arbeitstemperaturen von mehr als 450°C als Hartlote, mit Arbeitstemperaturen von weniger als 450°C als Weichlote bezeichnet werden. Weichlote werden beispielsweise in elektronischen Anwendungen eingesetzt, da zu hohe Temepraturen die verwendete Bauteile beschädigen können.Solder materials are classified according to their working temperatures in soft solders and brazing alloys, with solders with working temperatures of more than 450 ° C being referred to as brazing alloys, with working temperatures of less than 450 ° C. as soft solders. Soft solders are used, for example, in electronic applications, as excessively high temperatures can damage the components used.

Hochminiaturisierte und stark beanspruchte Schaltkreise werden nicht nur in Spezialanwendungen wie Satelliten- und Weltraumtechnik benötigt, sondern auch bei Technologien, wo ein Versagen schwere Unfälle oder teure Schäden hervorrufen kann, z. B. Automobiltechnologien.Highly miniaturized and highly stressed circuits are not only needed in specialized applications such as satellite and space technology, but also in technologies where failure can cause severe accidents or costly damage, such as: B. automotive technologies.

Ablösung nur einer Lötstelle von elektronischen Schaltkreisen oder Piezoaktuatoren in Einspritzpumpen kann zum Versagen einer Baugruppe führen und großen Schaden verursachen. Eine Ursache für derartige Vorkommnisse kann mangelnde Benetzung durch das Lot sein. Eine andere Ursache für derartige Vorkommnisse ist das Ablegieren von Kupfer von Drähten oder Leiterbahnen an elektrischen und elektronischen Bauteilen.Replacement of only one solder joint of electronic circuits or piezo actuators in injection pumps can lead to the failure of an assembly and cause great damage. One cause of such occurrences may be lack of wetting by the solder. Another cause of such occurrences is the depletion of copper from wires or traces on electrical and electronic components.

Herkömmliche Zinn-Blei-Lote sind bekannt für ihre vorzüglichen Benetzungseigenschaften. In der Vergangenheit wurden oft Lote verwendet, die Blei enthielten. Bedingt durch gesetzliche Vorgaben und technische Notwendigkeiten besteht Bedarf an neuen bleifreien Loten.Conventional tin-lead solders are known for their excellent wetting properties. In the past, solders containing lead were often used. Due to legal requirements and technical requirements, there is a need for new, lead-free solders.

JP-B-3027441 beschreibt eine Lotlegierung, welche aus mehr als 3 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% Silber, 0,5 bis 3 Gew.-% Kupfer und ad 100 Gew.-% Zinn besteht. JP-B-3027441 describes a brazing alloy which consists of more than 3% by weight and less than 5% by weight of silver, 0.5 to 3% by weight of copper and ad 100% by weight of tin.

Nachteilig bei dieser Lotlegierung ist die hohe Ablegierung von Kupfer, wenn kupferhaltige Oberflächen wie Leiterbahnen oder Drähte gelötet werden.A disadvantage of this solder alloy is the high degree of copper alloying when soldering copper-containing surfaces such as printed conductors or wires.

WO 2004/096484 adressiert dieses Problem mit einer Lotlegierung aus 10 Gew.-% oder weniger Silber, 10 Gew.-% oder weniger Wismut, 10 Gew.-% oder weniger Antimon, 3 Gew.-% oder weniger Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Nickel und ad 100 Gew.-% Zinn enthält. Nachteilig ist die komplexe Zusammensetzung und der hohe Anteil an Edel- und Halbedelmetallen. Davon abgesehen weist auch Antimon eine gewisse Toxizität auf. WO 2004/096484 addresses this problem with a solder alloy of 10 wt% or less of silver, 10 wt% or less of bismuth, 10 wt% or less of antimony, 3 wt% or less of copper, 1 wt% or less Contains nickel and ad 100 wt .-% tin. A disadvantage is the complex composition and the high proportion of precious and semi-precious metals. Apart from that, antimony also has some toxicity.

Es bestand daher die Aufgabe, ein einfach herstellbares Lot mit geringer Ablegierung von Kupfer bereit zu stellen, welches kein oder wenig Blei enthält und daher ökologisch unbedenklich ist.It was therefore an object to provide a simple producible solder with little Ablegierung of copper, which contains little or no lead and therefore is ecologically safe.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lotlegierung bestehend aus 2,5 bis 3,5 Gew.-% Silber, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Kupfer, 0,06 bis 0,17 Gew.-% Kobalt und ad 100 Gew.-% Zinn, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen.This object is achieved by a solder alloy consisting of 2.5 to 3.5 wt .-% silver, 0.4 to 0.6 wt .-% copper, 0.06 to 0.17 wt .-% cobalt and ad 100 Wt .-% tin, and unavoidable impurities.

Die Lotlegierung der Erfindung kann auch 2,7 bis 3,3 Gew.-%, oder 2,8 bis 3,1 Gew.-% Silber enthalten.The solder alloy of the invention may also contain from 2.7 to 3.3% by weight, or from 2.8 to 3.1% by weight of silver.

Die Lotlegierung der Erfindung kann auch 0,45 bis 0,55 Gew.-% Kupfer enthalten.The solder alloy of the invention may also contain from 0.45 to 0.55% by weight of copper.

Die Lotlegierung der Erfindung kann auch 0,08 bis 0,14 Gew.-%, oder 0,09 bis 0,13 Gew.-% Kobalt enthalten.The solder alloy of the invention may also contain 0.08 to 0.14 wt%, or 0.09 to 0.13 wt% cobalt.

Die Lotlegierung der Erfindung enthält ad 100 Gew.-% Zinn, d. H. zusätzlich zu den eingesetzten Mengen an Silber, Kupfer und Cobalt wird Zinn in einer solchen Menge eingesetzt, dass sich die Mengen zu insgesamt 100 Gew.-% addieren.The solder alloy of the invention contains ad 100 wt% tin, i. H. In addition to the amounts of silver, copper and cobalt used, tin is used in such an amount that the amounts add up to a total of 100 wt .-%.

Zusätzlich zu den oben angegebenen essentiellen Legierungebestandteilen kann die Lotlegierung der Erfindung auch sonstige Elemente in Spuren oder als unvermeidliche Verunreinigungen enthalten, sofern sie die Eigenschaften der Lotlegierung gemäß der Erfindung nicht beeinflussen. Derartige Stoffe können in Mengen von bis zu 0,01 Gew.-% vorhanden sein.In addition to the above-mentioned essential alloy components, the solder alloy of the invention may also contain other elements in trace amounts or as unavoidable impurities insofar as they do not affect the properties of the solder alloy according to the invention. Such substances may be present in amounts of up to 0.01% by weight.

Besonders vorteilhaft ist eine Lotlegierung bestehend aus 2,9 Gew.-% Silber, 0,55 Gew.-% Kupfer, 0,12 Gew.-% Kobalt und ad 100 Gew.-% Zinn, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen. Particularly advantageous is a solder alloy consisting of 2.9 wt .-% silver, 0.55 wt .-% copper, 0.12 wt .-% cobalt and ad 100 wt .-% tin, and unavoidable impurities.

Ganz besonders vorteilhaft ist eine Lotlegierung bestehend aus 3 Gew.-% Silber, 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 Gew.-% Kobalt und ad 100 Gew.-% Zinn, sowie unvermeidbaren Verunreinigungen.Especially advantageous is a solder alloy consisting of 3% by weight of silver, 0.5% by weight of copper, 0.1% by weight of cobalt and 100% by weight of tin, as well as unavoidable impurities.

Es wurde überraschend gefunden, dass eine nur geringe Veränderung des Silbergehaltes und das Zufügen von Kobalt als weiterem Legierungsbestandteil die Ablegiereigenschaften in Bezug auf Kupfer signifikant verbessert. Dies kann damit erklärt werden, dass sich das Kobalt beim Löten an der Grenzfläche zum Kupfer ausbildet und somit eine Barriereschicht aus Kobalt bildet. Diese Schicht wurde bei Untersuchungen mit wellenlängendispersiver Röntgenanalyse (WDX) gefunden.It has surprisingly been found that only a small change in the silver content and the addition of cobalt as a further alloying component significantly improves the deposition properties with respect to copper. This can be explained by the fact that the cobalt forms on soldering at the interface to the copper and thus forms a barrier layer of cobalt. This layer was found in studies using wavelength-dispersive X-ray analysis (WDX).

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ebenfalls ein Weichlot mit geringem Ablegieren von Kupfer, was beim Lötvorgang eine Barriereschicht an der Grenzfläche zwischen dem Lot und dem Lötgut ausbildet und somit das Ablegieren von Kupfer behindert.The present invention therefore also relates to a soft solder with little alloying of copper, which forms a barrier layer at the interface between the solder and the solder during the soldering process and thus hinders the alloying of copper.

Die Lotlegierungen gemäß der Erfindung können prinzipiell in jeder beliebigen Form vorliegen, beispielsweise als Pulver oder geformte Gegenstände, wie Draht, Stangen, Bänder, Scheiben, Folien, Granulat, Kugeln, gestanzten Teilen oder deren Kombinationen.The solder alloys according to the invention may, in principle, be in any desired form, for example as powders or shaped articles, such as wire, rods, ribbons, discs, foils, granules, spheres, stamped parts or combinations thereof.

Außerdem kann die Lotlegierung in Form von Partikeln auch durch Compoundieren mit einem Flußmittel zur Herstellung von Lötpasten verwendet werden, welche die Lotlegierung gemäß der Erfindung und Flußmittel enthält, sowie gegebenenfalls weitere Bestandteile und Hilfsstoffe.In addition, the solder alloy in the form of particles can also be used by compounding with a flux for the preparation of solder pastes containing the solder alloy according to the invention and flux, and optionally further constituents and auxiliaries.

Diese können vorteilhaft zum Löten kupferhaltiger Oberfächen verwendet werden, insbesondere von kupferhaltigen Oberflächen von Leiterbahnen oder Oberflächen von Piezoaktuatoren.These can be advantageously used for soldering copper-containing surfaces, in particular of copper-containing surfaces of printed conductors or surfaces of piezo actuators.

Die Lotlegierungen gemäß der Erfindung sind besonders geeignet, um in Form von Lotband in der großtechnischen Fertigung von elektrischen Bauteilen wie kupferhaltigen Piezoaktuatoren verwendet zu werden.The solder alloys according to the invention are particularly suitable for being used in the form of solder tape in the large-scale production of electrical components such as copper-containing piezoactuators.

BeispieleExamples

Herstellung der LotlegierungProduction of the solder alloy

Alle Legierungselemente werden in einer Reinheit von 4N eingesetzt, also mit einem Gehalt an Verunreinigungen von weniger als 0,01 Gew.-%. Die Komponenten wurden in Chargen von 400 g eingewogen und in einem Kammerofen unter Argonatmosphäre auf 1500°C aufgeschmolzen. Die Schmelze wurde abgekühlt und bei einer Temperatur von etwa 450°C in eine kalte Stahlform zu Barren gegossen (40 mm × 10 mm × 110 mm) und anschließend kalt zu Band einer Dicke von 1,5 mm gewalzt.All alloying elements are used in a purity of 4N, that is to say with an impurity content of less than 0.01% by weight. The components were weighed in batches of 400 g and melted in a chamber furnace under argon atmosphere at 1500 ° C. The melt was cooled and cast into ingots (40mm x 10mm x 110mm) at a temperature of about 450 ° C in a cold steel mold, and then cold rolled to a 1.5mm thick strip.

Die Bestimmung der Ablegiereigenschaften wird durch eine Analyse des Lotgefüges nach dem Lötvorgang durchgeführt. Die Einreicherung des Lots mit Kupfer wird durch die Ablegiereigenschaften getriggert. Eine Untersuchung der Elementverteilung-Kupfer oberhalb der Diffusionszone im Lot ermöglicht eine quantitative Auswertung der aus dem Kupfersubstrate eindiffundierten Kupfermenge, was durch per wellenlängendispersive Röntgenanalyse (WDX) durchgeführt wurde.The determination of the Ablegiereigenschaften is performed by an analysis of the solder structure after the soldering process. Enrichment of the solder with copper is triggered by the alloying properties. An investigation of the element distribution copper above the diffusion zone in the solder allows a quantitative evaluation of the amount of copper diffused from the copper substrate, which was carried out by wavelength dispersive X-ray analysis (WDX).

Beispiel 1example 1

Eine Lotlegierung wurde wie oben beschrieben aus 3 Gew.-% Silber, 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 Gew.-% Kobalt und ad 100 Gew.-% Zinn hergestellt.A solder alloy was prepared as described above from 3% by weight of silver, 0.5% by weight of copper, 0.1% by weight of cobalt and 100% by weight of tin.

Vergleichsbeispiel 2Comparative Example 2

Eine Lotlegierung wurde wie oben beschrieben aus 3 Gew.-% Silber, 0,5 Gew.-% Kupfer und ad 100 Gew.-% Zinn hergestellt.A solder alloy was prepared as described above from 3% by weight of silver, 0.5% by weight of copper and 100% by weight of tin.

1 zeigt im Vergleich die Verteilung des Cu-Gehalts (bestimmt per WDX) im Lotbereich oberhalb der Diffusionszone nach dem Löten bei 270°C Peaktemperatur und 60 Sekunden Haltezeit. Dies ist eine Worst-Case-Betrachtung hinsichtlich der Kupferdiffusion aufgrund der höheren thermischen Belastung als in vielen Anwendungen. Selbst unter derart herausfordernden Bedingungen hat das Lot gemäß dem Beispiel der Erfindung (SnAg3Cu0,5Co0,1) weniger Kupfer aufgenommen als das Vergleichsbeispiel (SnAg3Cu0,5). Die Mengen an Kupfer sind in Gewichtsprozent im Meßfeld angegeben, jeder Balken gibt einen Mittelwert aus je 4 Meßfeldern an. 1 shows in comparison the distribution of the Cu content (determined by WDX) in the solder region above the diffusion zone after soldering at 270 ° C peak temperature and 60 seconds hold time. This is a worst-case view of copper diffusion due to the higher thermal load than many Applications. Even under such challenging conditions, the solder according to the example of the invention (SnAg3Cu0.5Co0.1) has absorbed less copper than the comparative example (SnAg3Cu0.5). The amounts of copper are given in percent by weight in the measuring field, each bar indicates an average of 4 measuring fields.

und sind 1 zeigt das überraschende Ergebnis, dass eine nur geringe Veränderung des Silbergehaltes und das Zufügen von Kobalt als weiterem Legierungsbestandteil die Ablegiereigenschaften in Bezug auf Kupfer signifikant verbessert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 unten zusammengefasst.and are 1 shows the surprising result that only a small change in the silver content and the addition of cobalt as a further alloying component significantly improves the deposition properties with respect to copper. The results are summarized in Table 1 below.

2 zeigt die per WDX bestimmte Verteilung des Kobalts an der Grenzfläche zwischen Lot und Kupferträger. Deutlich erkennbar ist die Struktur der Kobaltschicht, die die Migration vom Kupfer ins Lot verhindert. Tabelle 1: Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 2 Zinn Ad 100 Gew.-% Ad 100 Gew.-% Silber 3 Gew.-% 3 Gew.-% Kupfer 0,5 Gew.-% 0,5 Gew.-% Kobalt 0,1 Gew.-% 0 Gew.-% Schmelztemperatur 270°C 270°C Ablegiereigenschaften Gut Schlechter Bemerkungen Ähnlich JP-B-3027441 2 shows the WDX distribution of cobalt at the interface between solder and copper carrier. Clearly recognizable is the structure of the cobalt layer, which prevents migration from copper to solder. Table 1: example 1 Comparative Example 2 tin Ad 100% by weight Ad 100% by weight silver 3% by weight 3% by weight copper 0.5% by weight 0.5% by weight cobalt 0.1% by weight 0% by weight melting temperature 270 ° C 270 ° C Able greed properties Well worse Remarks Similar JP-B-3027441

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2004/096484 [0008] WO 2004/096484 [0008]

Claims (12)

Lotlegierung bestehend aus 2,5 bis 3,5 Gew.-% Silber, 0,4 bis 0,6 Gew.-% Kupfer, 0,06 bis 0,17 Gew.-% Kobalt und ad 100 Gew.-% Zinn, sowie unvermeidbare Verunreinigungen.Solder alloy consisting of 2.5 to 3.5% by weight of silver, 0.4 to 0.6% by weight of copper, 0.06 to 0.17% by weight of cobalt and ad 100% by weight of tin, as well as unavoidable impurities. Lotlegierung nach Anspruch 1, enthaltend 2,7 bis 3,3 Gew.-% Silber.Solder alloy according to claim 1, containing 2.7 to 3.3% by weight of silver. Lotlegierung nach Anspruch 1 oder 2, enthaltend 0,45 bis 0,55 Gew.-% Kupfer.A solder alloy as claimed in claim 1 or 2, containing 0.45 to 0.55% by weight of copper. Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend 0,08 bis 0,14 Gew.-% Kobalt.Solder alloy according to one or more of claims 1 to 3, containing 0.08 to 0.14 wt .-% of cobalt. Eine Lötverbindung enthaltend eine Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.A solder joint containing a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4. Lötpaste enthaltend eine Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.Solder paste containing a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4. Lötpaste nach Anspruch 6 enthaltend Partikel einer Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 sowie Flußmittel.Solder paste according to claim 6 containing particles of a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4 and flux. Lotband bestehend aus einer Lotlegierung nach Anspruch 1.Lotband consisting of a solder alloy according to claim 1. Ein geformter Gegenstand, enthaltend eine Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4.A molded article containing a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4. Verwendung einer Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, Lotband nach Anspruch 8 oder einer Lötpaste nach Anspruch 6 oder 7 zum Löten von kupferhaltigen Oberflächen.Use of a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4, solder tape according to claim 8 or a solder paste according to claim 6 or 7 for soldering copper-containing surfaces. Verwendung nach Anspruch 4, wobei die kupferhaltigen Oberflächen Leiterbahnen oder Oberflächen von Piezoaktuatoren sind.Use according to claim 4, wherein the copper-containing surfaces are printed conductors or surfaces of piezoactuators. Verwendung einer Lotlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 als Weichlot.Use of a solder alloy according to one or more of claims 1 to 4 as a soft solder.
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