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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie Lotzusammensetzung und insbesondere eine bleifreie Lotzusammensetzung mit hoher Duktilität.
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Technischer Hintergrund
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Heckscheiben von Kraftfahrzeugen umfassen gemeinhin elektrische Vorrichtungen, wie etwa Entfroster, die sich auf dem Glas befinden. Zum Vorsehen von elektrischen Verbindungen mit den elektrischen Vorrichtungen wird im Allgemeinen eine kleine Fläche einer metallischen Beschichtung auf dem Glas aufgebracht, um eine metallisierte Oberfläche zu erhalten, die für elektrisches Verbinden mit der elektrischen Vorrichtung ausgelegt ist, und dann kann ein elektrischer Steckverbinder der elektrischen Vorrichtung auf die metallisierte Oberfläche gelötet werden.
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Im Stand der Technik wird der elektrische Steckverbinder mit einem Lot, das Blei (Pb) enthält, auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas gelötet. Aufgrund von bleibedingter Umweltverschmutzung wird aber die Verwendung von Blei zunehmend eingeschränkt, und somit findet bei Lötanwendungen ein bleifreies Lot allmählich Anwendung. Zum Beispiel wird in manchen Industrien ein übliches bleifreies Lot, das einen hohen Anteil an Zinn (Sn), etwa über 80%, enthält, genutzt.
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Glas ist aber brüchig, so dass das übliche bleifreie Lot mit einem hohen Zinnanteil dazu tendiert, während des Lötens der elektrischen Vorrichtung auf das Glas eine Rissbildung des Glases hervorzurufen. Zudem übt das Löten von zwei Materialien (etwa Glas und Kupfer), die sich erheblich im Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) unterscheiden, entweder während des Abkühlens der Lötverbindung oder während folgenden kurzzeitigen Temperaturabweichungen eine Spannung auf das Lot aus. Daher muss einerseits die Lotzusammensetzung, die für ein Löten der elektrischen Vorrichtung auf das Glas geeignet ist, einen Schmelzpunkt (d. h. eine Liquidustemperatur) aufweisen, die niedrig genug ist, um während des Lötprozesses keine Rissbildung des Glases des Kraftfahrzeugs hervorzurufen, da ein höherer Schmelzpunkt und eine entsprechend höhere Verarbeitungstemperatur die nachteiligen Wirkungen einer CTE-Diskrepanz verstärkt, was während des Abkühlens eine höhere Spannung auf das Lot ausübt. Dadurch muss das Lot weiterhin gute Duktilität aufweisen. Der Schmelzpunkt der Lotzusammensetzung muss andererseits hoch genug sein, so dass das Lot während der normalen Nutzung des Kraftfahrzeugs nicht schmilzt, etwa wenn das Auto bei geschlossenem Fenster in der Sonne steht oder anderen extremen beanspruchenden Umweltbedingungen ausgesetzt ist.
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Herkömmlicherweise ist bereits eine bleifreie Lotzusammensetzung mit einem Gewichtsprozentsatz von 64,35%–65,65% Indium (In), 29,7%–30,03% Zinn (Sn), 4,05%–4,95% Silber (Ag) und 0,25%–0,75% Kupfer (Cu) (nachstehend als ”65-Indium-Lot” bezeichnet) offenbart.
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Lote, die Indium enthalten, weisen jedoch normalerweise viel niedrigere Schmelzpunkte als andere Lote auf. Das 65-Indium-Lot weist zum Beispiel verglichen mit den 160°C des Bleilots eine Solidustemperatur von 109°C und verglichen mit den 224°C des Bleilots eine Liquidustemperatur von 127°C auf. Im Allgemeinen bewirkt ein höherer Indiumanteil in dem Lot eine niedrigere Solidustemperatur des Lots. Manche Fahrzeughersteller möchten, dass die Lötverbindung erhöhten Temperaturen standhalten sollte, demgemäß sollte das Lot mit einem Indiumanteil eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C aufweisen und ohne Leistungseinbuße bei einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C eine gute Duktilität aufweisen.
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Beim Löten von mehreren elektrischen Steckverbindern, die eng angeordnet sind, beeinflusst ferner das Löten eines elektrischen Steckverbinders den benachbarten gelöteten elektrischen Steckverbinder, und somit muss das Lot eine hohe Stabilität und Duktilität aufweisen, ansonsten treten wahrscheinlich erneutes Schmelzen und Rissbildung des benachbarten elektrischen Steckverbinders auf.
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Zusammenfassung
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Demgemäß besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine bleifreie Lotzusammensetzung vorzusehen, welche umfasst: 0,02 Gew.-% bis 6 Gew.-% Stibium, 0,03 Gew.-% bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,03 Gew.-% bis 8 Gew.-% Wismut, 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Indium, 0,3 Gew.-% bis 8 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% bis 11 Gew.-% Magnesium, 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Scandium, 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Niob und 10 Gew.-% bis 45 Gew.-% Zinn.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Scandium umfassen.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,0 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Niob umfassen.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung kann eine Solidustemperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C aufweisen.
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Ferner kann die Lotzusammensetzung eine Liquidustemperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C aufweisen.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 Gew.-% bis 4 Gew.-% Stibium umfassen.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 Gew.-% bis 5 Gew.-% Wismut umfassen.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung weist eine Solidustemperatur auf, die nicht niedriger als 120°C ist, weist gute Duktilität und Stabilität auf und ist somit zum Löten von elektrischen Steckverbindern auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Offenbarung wird nachstehend in Verbindung mit einigen Ausführungsformen weiter veranschaulicht. Es versteht sich, dass hierin beschriebene bestimmte Ausführungsformen lediglich zum Erläutern der vorliegenden Offenbarung, nicht zum Beschränken der vorliegenden Offenbarung dienen.
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Die vorliegende Offenbarung sieht eine bleifreie Lotzusammensetzung vor, die zum Löten von elektrischen Elementen auf Glas geeignet ist. Zur Verdeutlichung ist ein solches Löten zum Herstellen einer Heckscheibe eines Wagens erforderlich, welcher einen Scheibenentfroster umfasst, der aus elektrisch widerstandsfähigen Entfrostungsleitungen besteht, die in der Innenfläche der Heckscheibe eingebettet oder darauf aufgebracht sind. Die Entfrostungsleitungen sind mit einem Paar von elektrischen Kontaktstreifen (d. h. elektrischen Kontaktflächen, auch als Sammelschienen bezeichnet), die sich auf der Innenfläche der Heckscheibe befinden, elektrisch verbunden. Die elektrischen Kontaktstreifen können aus einer leitenden Beschichtung, die auf der Innenfläche der Heckscheibe aufgebracht ist, bestehen. Gemeinhin sind die elektrischen Kontaktstreifen aus silberhaltigem Material gebildet.
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Zur Lösung des Problems des Stands der Technik sieht eine Ausführungsform der Erfindung eine bleifreie Lotzusammensetzung vor, welche umfasst: 0,02 Gew.-% bis 6 Gew.-% Stibium, 0,03 Gew.-% bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,03 Gew.-% bis 8 Gew.-% Wismut, 40 Gew.-% bis 60 Gew.-% Indium, 0,3 Gew.-% bis 8 Gew.-% Silber, 5 Gew.-% bis 11 Gew.-% Magnesium, 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Scandium, 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Niob und 10 Gew.-% bis 45 Gew.-% Zinn.
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In der Ausführungsform umfasst die bleifreie Lotzusammensetzung Scandium und Niob, von denen Scandium eine Wirkung des Reduzierens einer Korngröße und ein Merkmal des Anhebens einer Rekristallisationstemperatur aufweist und die Duktilität und Stabilität des Lots verbessern kann, während Niob durch hohen Schmelzpunkt, hohe Festigkeit und starken Korrosionsschutz gekennzeichnet ist, die Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und den Korrosionsschutz des Lots verbessern kann, Rissbildung der Lötverbindung vermeiden kann und die Solidustemperatur der Lotzusammensetzung anhebt, so dass sie in einem Bereich von 120°C bis 135°C liegt, und die Liquidustemperatur der Lotzusammensetzung anhebt, so dass sie in einem Bereich von 130°C bis 145°C liegt.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 Gew.-% bis 1,5 Gew.-%, bevorzugter 1,1 Gew.-%, Scandium umfassen.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,0 Gew.-% bis 1,2 Gew.-%, bevorzugter 1,2 Gew.-%, Niob umfassen.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 Gew.-% bis 4 Gew.-%, bevorzugter 4 Gew.-% bis 5 Gew.-%, Wismut umfassen.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 6 Gew.-% bis 10 Gew.-%, bevorzugt 7 Gew.-% bis 9 Gew.-%, bevorzugter 8 Gew.-%, Magnesium umfassen. In manchen anderen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 8 Gew.-% bis 9 Gew.-% Magnesium umfassen.
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Wie vorstehend erwähnt weist die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung eine Solidustemperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C und eine Liquidustemperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C auf. Die Solidustemperatur ist in der Praxis als die Temperatur definiert, bei der eine Legierung zu schmelzen beginnt. Unterhalb der Solidustemperatur ist die Substanz völlig fest, ohne geschmolzene Phase. Die Liquidustemperatur ist die Höchsttemperatur, bei der Kristalle (ungeschmolzenes Metall oder ungeschmolzene Legierung) mit der Schmelze koexistieren können. Oberhalb der Liquidustemperatur ist das Material homogen, wobei es nur aus Schmelze besteht. Die Lotverarbeitungstemperatur ist um einige Grad, welche durch die Löttechnik bestimmt werden, höher als die Liquidustemperatur.
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Die Lotzusammensetzung der Erfindung ist bleifrei und weist eine Arbeitstemperatur auf, die höher als die von anderem Lot der gleichen Art ist, die gemeinhin bei etwa 105°C liegt. Die Lotzusammensetzung der Erfindung weist verglichen mit der bestehenden bleifreien Lotzusammensetzung des Stands der Technik auch eine viel bessere Duktilität und Stabilität auf.
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Die Kombination aus Wismut und Kupfer mit anderen Elementen verbessert die Gesamtleistung der Lotzusammensetzung, einschließlich eines erwarteten Anstiegs der Arbeitstemperatur des Lots und einer Verbesserung der mechanischen Leistung des Lots unter bestimmten Bedingungen.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung kann in manchen Ausführungsformen eine Solidustemperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C aufweisen.
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Ferner kann die Lotzusammensetzung in manchen Ausführungsformen eine Liquidustemperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C aufweisen.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 Gew.-% bis 4 Gew.-% Stibium umfassen.
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In manchen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 Gew.-% bis 5 Gew.-% Wismut umfassen.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung weist eine Solidustemperatur auf, die nicht niedriger als 120°C ist, weist gute Duktilität und Stabilität auf und ist somit zum Löten von elektrischen Steckverbindern auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Nun wird nachstehend mit einem Vergleich zwischen den Ausführungsformen der Erfindung und einigen Vergleichsbeispielen wie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt die risshemmende Leistung der durch die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung gebildeten Lötverbindung beschrieben. Tabelle 1
| | Ausführung 1 | Ausführung 2 | Ausführung 3 | Ausführung 4 | Ausführung 5 | Vergl.-beispiel 1 | Vergl.-beispiel 2 |
| Anteil (Gew.-%) | Stibium | 1 | 2,3 | 4 | 4,3 | 5 | 4 | 5 |
| Kupfer | 0,1 | 0,5 | 1 | 1,4 | 2 | 1 | 2 |
| Wismut | 0,5 | 1,5 | 3 | 5 | 7 | 3 | 5 |
| Indium | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 45 | 50 |
| Silber | 0,5 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 2,5 | 4 |
| Magnesium | 5 | 7 | 8 | 9 | 10 | 8 | 9 |
| Scandium | 0,1 | 0,5 | 1 | 1,2 | 2,5 | 0,05 | 2,8 |
| Niob | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,1 | 1,5 | 0,05 | 2 |
| Zinn | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 30 | 40 |
| Rissbildung | √ | √ | √ | √ | √ | × | × |
| Duktilität | Gut | Gut | Gut | Gut | Gut | Mangelhaft | Mangelhaft |
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Hinweis:
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- √: während des Lötens tritt KEINE Rissbildung an benachbarten Lötverbindungen auf
- ×: während des Lötens tritt Rissbildung an benachbarten Lötverbindungen auf
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Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich ist, kann, wenn Scandium in der Lotzusammensetzung in einer Menge in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% enthalten ist, die Rissbildung der durch die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung gebildeten Lötverbindung in den folgenden Prozessen vermieden werden. Wenn jedoch Scandium in einer Menge von unter 0,1 Gew.-% oder über 2,5 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, wird die Antirissbildungsleistung des Lots verschlechtert. Wenn ferner Niob in einer Menge in einem Bereich von 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, weist die durch die bleifreie Lotzusammensetzung der Erfindung gebildete Lötverbindung gute Duktilität auf. Wenn jedoch Niob in einer Menge von unter 0,4 Gew.-% oder über 1,5 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, wird die Duktilitätsleistung des Lots verschlechtert.
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Hochtemperaturlagertest
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Die Duktilitätsleistung des bleifreien Lots der Ausführungsformen der Erfindung wird durch einen Hochtemperaturlagertest getestet. Bei diesem Test wurde die Temperatur einer klimatisierten Kammer bei konstanten 120°C gehalten, ein elektrischer Steckverbinder und eine metallisierte Oberfläche, auf die der elektrische Steckverbinder durch das Lot der Erfindung aufgelötet war, wurden in die klimatisierte Kammer gegeben und es wurde ein Gewicht von 6 Newton 24 Stunden lang an den elektrischen Steckverbinder gehängt. Nach Ende der 24 Stunden wurde der elektrische Steckverbinder (bei Umgebungstemperatur) mit einer Kraft von 50 N 3 Sekunden lang von einem digitalen Kraftmesser gezogen, und während dieses Tests trat kein Rissbildungsablösen von dem elektrischen Steckverbinder auf.
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Zu beachten ist, dass die bevorzugten Ausführungsformen und die genutzten technologischen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lediglich wie vorstehend beschrieben sind. Es versteht sich, dass für Fachleute des Gebiets die vorliegende Offenbarung nicht auf hierin beschriebene bestimmte Ausführungsformen beschränkt ist. Von Fachleuten des Gebiets können verschiedene offensichtliche Änderungen, Rejustierungen und Alternativen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Auch wenn die vorliegende Offenbarung durch die vorstehenden Ausführungsformen im Detail gezeigt wird, ist die vorliegende Offenbarung daher nicht allein auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann ferner weitere andere äquivalente Ausführungsformen umfassen, ohne vom Konzept der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung unterliegt den beigefügten Ansprüchen.