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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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Heckfenster von Kraftfahrzeugen weisen typischerweise elektrische Einrichtungen wie Enteiser auf, die an dem Glas angeordnet sind. Um elektrische Verbindungen zu den elektrischen Einrichtungen vorzusehen, wird allgemein eine kleine Fläche einer metallischen Beschichtung auf das Glas aufgebracht, um eine metallisierte Oberfläche zu erzielen, die so konfiguriert ist, dass sie elektrisch mit der elektrischen Einrichtung verbunden werden kann, und anschließend kann ein elektrischer Verbinder der elektrischen Einrichtung auf die metallisierte Oberfläche aufgelötet werden.
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Gemäß dem Stand der Technik wird der elektrische Verbinder mit einem Lot, das Blei (Pb) enthält, auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas aufgelötet. Aufgrund der durch Blei verursachten Umweltverschmutzung wird die Verwendung von Blei jedoch immer stärker eingeschränkt, und daher wird begonnen, bei Lötanwendungen ein bleifreies Lot zu verwenden. Beispielsweise wird ein herkömmliches, bleifreies Lot, das einen hohen Gehalt an Zinn (Sn) hat, beispielsweise mehr als 80%, in einigen Industriezweigen verwendet.
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Das Glas ist jedoch spröde, daher neigt das herkömmliche bleifreie Lot mit hohem Zinngehalt dazu, eine Rissbildung des Glases zu verursachen, während die elektrische Einrichtung auf das Glas aufgelötet wird. Außerdem verursacht das Löten zweier Materialen (beispielsweise Glas und Kupfer), deren Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) sehr unterschiedlich ist, entweder während des Abkühlens der Lötverbindung oder während nachfolgender Temperaturschwankungen Spannung an dem Lot. Deshalb muss einerseits eine Lotzusammensetzung, die für ein Löten der elektrischen Einrichtung auf das Glas geeignet ist, einen Schmelzpunkt (d. h. eine Liquidustemperatur) haben, der niedrig genug ist, keine Rissbildung des Fahrzeugglases während des Lötvorgangs zu verursachen, da ein höherer Schmelzpunkt und eine entsprechend höhere Verarbeitungstemperatur die negativen Auswirkungen eines unpassenden WAK erhöht, wodurch während des Abkühlens eine höhere Spannung auf das Lot aufgebracht wird. Daher muss das Lot außerdem eine gute Duktilität haben. Andererseits muss der Schmelzpunkt der Lotzusammensetzung hoch genug sein, so dass das Lot während der üblichen Nutzung des Fahrzeugs nicht schmilzt, wenn beispielsweise das Fahrzeug bei geschlossenen Fenstern in der Sonne steht, oder unter extrem harten Umweltbedingungen.
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Herkömmlich bekannt ist eine bleifreie Lotzusammensetzung mit einer Gewichtsprozentverteilung von 64,35%–65,65% Indium (In), 29,7%–30,3% Zinn (Sn), 4,05%–4,95% Silber (Ag) und 0,25%–0,75% Kupfer (Cu) (im Folgenden als „65-Indium-Lot” bezeichnet).
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Indiumhaltige Lote haben jedoch normalerweise viel niedrigere Schmelzpunkte als andere Lote. Das 65-Indium-Lot hat beispielsweise eine Solidustemperatur von 109°C im Vergleich zu 160°C des Bleilots, und eine Liquidustemperatur von 127°C, im Vergleich zu 224°C des Bleilots. Allgemein verursacht ein höherer Indiumgehalt in dem Lot eine niedrigere Solidustemperatur des Lots. Einige Fahrzeughersteller möchten, dass die Lötverbindung fähig sein sollte, erhöhten Temperaturen standzuhalten, dementsprechend sollte das Indiumhaltige Lot eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C und eine gute Duktilität in einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C haben, ohne dass die Leistung abnimmt.
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Beim Löten einer Vielzahl nah aneinander angeordneter elektrischer Verbinder beeinflusst außerdem das Löten eines elektrischen Verbinders den benachbarten gelöteten elektrischen Verbinder, und daher muss das Lot eine hohe Stabilität und Duktilität haben, andernfalls ist es wahrscheinlich, dass der benachbarte elektrische Verbinder erneut schmilzt und Rissbildung auftritt.
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Zusammenfassung
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine bleifreie Lotzusammensetzung zur Verfügung zu stellen, die Folgendes aufweist: 0,02 Gewichtsprozent bis 6 Gewichtsprozent Antimon, 0,03 Gewichtsprozent bis 3 Gewichtsprozent Kupfer, 0,03 Gewichtsprozent bis 8 Gewichtsprozent Wismut, 42 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent Indium, 0,3 Gewichtsprozent bis 8 Gewichtsprozent Silber, 5 Gewichtsprozent bis 11 Gewichtsprozent Magnesium, 0,8 Gewichtsprozent bis 1,65 Gewichtsprozent Scandium, 0,7 Gewichtsprozent bis 2,4 Gewichtsprozent Rhodium und 10 Gewichtsprozent bis 45 Gewichtsprozent Zinn.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 Gewichtsprozent bis 1,4 Gewichtsprozent Scandium aufweisen.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,4 Gewichtsprozent bis 1,8 Gewichtsprozent Rhodium enthalten.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung kann eine Solidustemperatur im Bereich von 120°C bis 135°C haben.
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Weiterhin kann die Lotzusammensetzung eine Liquidustemperatur im Bereich von 130°C bis 145°C haben.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 Gewichtsprozent bis 4 Gewichtsprozent Antimon enthalten.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 Gewichtsprozent bis 5 Gewichtsprozent Wismut enthalten.
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Die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung hat eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C, hat eine gute Duktilität und Stabilität, und ist daher zum Löten von elektrischen Verbindern auf eine metallisierte Oberfläche auf Glas geeignet.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Offenbarung wird unten im Einzelnen im Zusammenhang mit einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es wird darauf hingewiesen, dass hier beschriebene besondere Ausführungsformen nur der Erläuterung der vorliegenden Offenbarung dienen und diese nicht einschränken.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine bleifreie Lotzusammensetzung zur Verfügung, die geeignet ist, elektrische Elemente auf Glas zu löten. Ein solches Löten ist zum Beispiel für die Herstellung eines Heckfensters eines Fahrzeugs erforderlich, das einen Fensterenteiser aufweist, der aus Enteisungsstreifen mit elektrischem Widerstand besteht, die in das Heckfenster eingearbeitet oder auf dessen Innenfläche aufgebracht sind. Die Enteisungsstreifen sind elektrisch mit einem Paar elektrischer Kontaktstreifen verbunden (d. h. elektrische Kontaktflächen, auch als Sammelschiene bezeichnet), die an der Innenfläche des Heckfensters angeordnet sind. Die elektrischen Kontaktstreifen können aus einer leitfähigen Beschichtung bestehen, die auf die Innenfläche des Heckfensters aufgebracht ist. Typischerweise sind die elektrischen Kontaktstreifen aus silberhaltigem Material hergestellt.
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Um das Problem des Stands der Technik zu lösen, stellt eine Ausführungsform der Erfindung eine bleifreie Lotzusammensetzung zur Verfügung, die Folgendes aufweist: 0,02 Gewichtsprozent bis 6 Gewichtsprozent Antimon, 0,03 Gewichtsprozent bis 3 Gewichtsprozent Kupfer, 0,03 Gewichtsprozent bis 8 Gewichtsprozent Wismut, 42 Gewichtsprozent bis 70 Gewichtsprozent Indium, 0,3 Gewichtsprozent bis 8 Gewichtsprozent Silber, 5 Gewichtsprozent bis 11 Gewichtsprozent Magnesium, 0,8 Gewichtsprozent bis 1,65 Gewichtsprozent Scandium, 0,7 Gewichtsprozent bis 2,4 Gewichtsprozent Rhodium und 10 Gewichtsprozent bis 45 Gewichtsprozent Zinn.
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Bei der Ausführungsform weist die bleifreie Lotzusammensetzung Scandium und Rhodium auf, von denen Scandium die Wirkung hat, dass es die Korngröße reduziert, und das Merkmal aufweist, dass es die Rekristallisierungstemperatur erhöht und die Duktilität und Stabilität des Lots erhöhen kann, während Rhodium sich durch einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Festigkeit und starke antikorrosive Wirkung auszeichnet, die Festigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und die antikorrosive Wirkung des Lots verstärken und eine Rissbildung der Lötverbindung verhindern kann, und die Solidustemperatur der Lotzusammensetzung auf einen Bereich von 120°C bis 135°C und die Liquidustemperatur der Lotzusammensetzung auf einen Bereich von 130°C bis 145°C erhöht.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 Gewichtsprozent bis 1,4 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt 1,3 Gewichtsprozent Scandium aufweisen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,4 Gewichtsprozent bis 1,8 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt 1,6 Gewichtsprozent Rhodium aufweisen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 bis 4 Gewichtsprozent Antimon und 4 Gewichtsprozent bis 5 Gewichtsprozent Wismut aufweisen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 6 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent, bevorzugt 7 Gewichtsprozent bis 9 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt 8 Gewichtsprozent Magnesium aufweisen. Bei einigen anderen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 8 Gewichtsprozent bis 9 Gewichtsprozent Magnesium aufweisen.
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Wie oben erwähnt hat die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung eine Solidustemperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C und eine Liquidustemperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C. Die Solidustemperatur ist in der Praxis definiert als die Temperatur, bei der eine Legierung zu schmelzen beginnt. Unterhalb der Solidustemperatur ist die Substanz vollständig fest ohne geschmolzene Phase. Die Liquidustemperatur ist die maximale Temperatur, bei der Kristalle (ungeschmolzenes Metall oder ungeschmolzene Legierung) gleichzeitig mit der Schmelze existieren können. Oberhalb der Liquidustemperatur ist das Material homogen und besteht nur aus Schmelze. Die Lotverarbeitungstemperatur ist um eine Gradzahl, die von der Löttechnik bestimmt wird, höher als die Liquidustemperatur.
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Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung ist bleifrei und hat eine Arbeitstemperatur, die höher als die von anderem Lot desselben Typs ist, die typischerweise bei 105°C liegt. Außerdem hat die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung eine viel bessere Duktilität und Stabilität im Vergleich zu der herkömmlichen bleifreien Lotzusammensetzung nach dem Stand der Technik.
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Die Kombination von 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 spezifischen Bedingungen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung eine Solidustemperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C haben.
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Weiterhin kann bei einigen Ausführungsformen die Lotzusammensetzung eine Liquidustemperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C haben.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 Gewichtsprozent bis 4 Gewichtsprozent Antimon aufweisen.
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Bei einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 Gewichtsprozent bis 5 Gewichtsprozent Wismut aufweisen.
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Die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung hat eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C, hat eine gute Duktilität und Stabilität und ist daher geeignet, um elektrische Verbinder auf eine metallisierte Oberfläche auf Glas zu löten.
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Im Folgenden wird die Rissbildungswiderstandsleistung der Lötverbindung beschrieben, die von der erfindungsgemäßen bleifreien Lotzusammensetzung gebildet wird, wobei die Ausführungsformen der Erfindung und einige Vergleichsbeispiele vergleichend beschrieben werden, wie in Tabelle 1 unten gezeigt wird. Tabelle 1
| | Ausführungsform 1 | Ausführungsform 2 | Ausführungsform 3 | Ausführungsform 4 | Ausführungsform 5 | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 |
| Gehalt (Gew.-%) | Antimon | 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 | 42 | 50 | 55 | 60 | 70 | 45 | 60 |
| Silber | 0,5 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 2,5 | 4 |
| Magnesium | 5 | 7 | 8 | 9 | 10 | 8 | 9 |
| Scandium | 0,8 | 0,9 | 1,2 | 1,4 | 1,65 | 0,5 | 1,8 |
| Rhodium | 0,7 | 0,9 | 1,6 | 1,8 | 2,4 | 0,5 | 2,9 |
| Zinn | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 30 | 40 |
| Rissbildung | √ | √ | √ | √ | √ | x | x |
| Duktilität | gut | gut | gut | gut | gut | schlecht | schlecht |
Anmerkung:
- √:
- Rissbildung tritt NICHT an benachbarten Lötverbindungen während des Lötens auf
- x:
- Rissbildung tritt an benachbarten Lötverbindungen während des Lötens auf
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Wie aus der obenstehenden Tabelle ersichtlich ist, kann eine Rissbildung der Lötverbindung, die von der erfindungsgemäßen bleifreien Lotzusammensetzung gebildet wird, in dem nachfolgenden Vorgang verhindert werden, wenn Scandium in einer Menge im Bereich von 0,8 Gewichtsprozent bis 1,65 Gewichtsprozent in der Lotzusammensetzung enthalten ist. Wenn jedoch Scandium in einer Menge von weniger als 0,8 Gewichtsprozent oder mehr als 1,65 Gewichtsprozent in der Lotzusammensetzung enthalten ist, verschlechtert sich die rissbildungsverhindernde Leistung des Lots. Wenn zusätzlich Rhodium in einer Menge im Bereich von 0,7 Gewichtsprozent bis 2,4 Gewichtsprozent in der Lotzusammensetzung enthalten ist, hat die von der erfindungsgemäßen bleifreien Lotzusammensetzung gebildete Lötverbindung eine gute Duktilität. Wenn jedoch Rhodium in einer Menge von weniger als 0,7 Gewichtsprozent oder mehr als 2,4 Gewichtsprozent in der Lotzusammensetzung enthalten ist, verschlechtert sich die Duktilitätsleistung des Lots.
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Lagerungstest bei hohen Temperaturen
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Die Duktilitätsleistung des bleifreien Lots gemäß den erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird durch einen Lagerungstest bei hohen Temperaturen geprüft. Bei diesem Test wurde die Temperatur in einem klimatisierten Raum konstant bei 120°C gehalten, ein elektrischer Verbinder und eine metallisierte Oberfläche, auf die der elektrische Verbinder mit dem erfindungsgemäßen Lot gelötet wurde, wurden in dem klimatisierten Raum platziert, und ein Gewicht von 6 Newton wurde 24 Stunden lang an den elektrischen Verbinder gehängt. Nach dem Ende der 24 Stunden wurde der elektrische Verbinder (bei Umgebungstemperatur) mit einer Kraft von 50 N durch einen digitalen Kraftmesser 3 Sekunden lang gezogen, und an dem elektrischen Verbinder trat während dieses Tests keine Trennung durch Rissbildung auf.
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Es ist zu beachten, dass die bevorzugten Ausführungsformen und die angewandten technischen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung nur wie oben beschrieben sind. Dem Fachmann wird klar sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Viele offensichtliche Änderungen, Einstellungen und Alternativen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Obgleich die vorliegende Offenbarung im Einzelnen durch die oben genannten Ausführungsformen dargestellt ist, ist die vorliegende Offenbarung deshalb nicht nur auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann weitere äquivalente Ausführungsformen umfassen, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.