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Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie Lotzusammensetzung, insbesondere eine bleifreie Lotzusammensetzung mit hoher Duktilität.
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Technischer Hintergrund
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Fahrzeugheckscheiben sind häufig mit auf dem Glas angebrachten, elektrischen Geräten, wie beispielsweise Heckscheibenheizungen, ausgestattet. Um elektrische Verbindungen zu den elektrischen Geräten herzustellen, wird standardmäßig eine metallische Beschichtung auf einer kleinen Fläche auf dem Glas aufgebracht, um eine metallisierte Oberfläche zu erhalten, die elektrisch mit dem elektrischen Gerät verbunden wird, so dass dann ein elektrischer Verbinder des elektrischen Geräts auf die metallisierte Oberfläche gelötet werden kann.
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Im Stand der Technik wird der elektrische Verbinder mit einem bleihaltigen (Pb) Lötmittel auf der metallisierten Oberfläche auf dem Glas verlötet. Aufgrund der Umweltschädlichkeit von Blei wird die Verwendung von Blei jedoch immer mehr eingeschränkt, so dass damit begonnen wurde, bleifreies Lot in Lötanwendungen zu verwenden. Zum Beispiel wird in einigen Branchen ein übliches bleifreies Lötmittel mit einem hohen Zinn-(Sn)-Gehalt von mehr als 80% verwendet.
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Glas kann jedoch brechen. Daher neigt das übliche bleifreie Lötmittel mit hohem Zinngehalt dazu, beim Verlöten des elektrischen Gerätes auf dem Glas Risse im Glas zu verursachen. Außerdem wird das Lot beim Löten von zwei Materialien (beispielsweise Glas und Kupfer), die sich grundlegend in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden, sowohl während des Abkühlens der Lötstelle als auch während der nachfolgenden Temperaturausschläge Belastungen ausgesetzt. Daher muss einerseits die zum Verlöten des elektrischen Geräts auf dem Glas geeignete Lotzusammensetzung einen Schmelzpunkt (d. h. Liquidustemperatur) haben, der niedrig genug ist, um eine Rissbildung des Kraftfahrzeugglases während des Lötvorgangs zu verhindern, da ein höherer Schmelzpunkt und eine entsprechend höhere Verarbeitungstemperatur die nachteiligen Auswirkungen des ungleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vergrößern, da eine höhere Belastung auf das Lot während der Abkühlung wirkt. Folglich muss das Lot weiterhin eine gute Duktilität aufweisen. Andererseits muss der Schmelzpunkt der Lotzusammensetzung hoch genug sein, damit das Lot nicht während des normalen Gebrauchs des Kraftfahrzeugs anfängt zu schmelzen, beispielsweise wenn das Auto mit geschlossenen Fenstern der Sonne oder extrem harten Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist.
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Aus dem Stand der Technik ist bereits eine bleifreie Lotzusammensetzung mit einem Gewichtsanteil 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) bekannt.
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Indium enthaltende Lote haben jedoch einen viel niedrigeren Schmelzpunkt als andere Lote. Das „65 Indium-Lot” weist beispielsweise eine Solidustemperatur von 109°C gegenüber 160°C im Falle des bleihaltigen Lots und eine Liquidustemperatur von 127°C gegenüber 224°C im Falle des bleihaltigen Lots auf. Im Allgemeinen ist ein höherer Indiumgehalt im Lot für eine geringere Solidustemperatur verantwortlich. Einige Automobilhersteller haben den Anspruch, dass die Lötstelle erhöhten Temperaturen standhalten können sollte. Dementsprechend sollte ein Lot mit Indiumgehalt eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C sowie eine gute Duktilität in einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C aufweisen, ohne jegliche Leistungsbeeinträchtigung.
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Sofern ferner eine Vielzahl von elektrischen Verbindern nahe nebeneinander liegen, wird sich das Löten eines elektrischen Verbinders auf den benachbarten, gelöteten elektrischen Verbinder auswirken. Daher muss das Lot eine hohe Stabilität und Duktilität aufweisen. Ansonsten wird es wahrscheinlich zu erneutem Schmelzen und Zerbrechen des benachbarten elektrischen Verbinders kommen.
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Zusammenfassung
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Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bleifreie Lotzusammensetzung bereitzustellen, die 0,02 bis 6 Gew.-% Stibium, 0,03 bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,03 bis 8 Gew.-% Bismut, 42 bis 70 Gew.-% Indium, 0,3 bis 8 Gew.-% Silber, 5 bis 11 Gew.-% Magnesium, 0,8 bis 1,6 Gew.-% Scandium, 0,7 bis 2,0 Gew.-% Yttrium und 10 bis 45 Gew.-% Zinn enthält.
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Vorzugsweise kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 bis 1,4 Gew.-% Scandium enthalten.
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Vorzugsweise kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,4 bis 1,8 Gew.-% Yttrium enthalten.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung kann eine Solidustemperatur im Bereich von 120°C bis 135°C haben.
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Ferner kann die bleifreie Lotzusammensetzung eine Liquidustemperatur im Bereich von 130°C bis 145°C haben.
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Vorzugsweise kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 bis 4 Gew.-% Stibium enthalten.
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Vorzugsweise kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 bis 5 Gew.-% Bismut enthalten.
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Die bleifreie Lotzusammensetzung der vorliegenden Erfindung hat eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C, weist eine gute Duktilität und Stabilität auf und ist daher zum Verlöten elektrischer Verbinder auf der metallisierten Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es sollte verstanden werden, dass die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele lediglich der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, diese aber nicht einschränken.
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Die vorliegende Erfindung offenbart eine bleifreie Lotzusammensetzung, die zum Löten von elektrischen Elementen auf Glas geeignet ist. Veranschaulichend kommt ein solches Löten bei der Herstellung von Heckscheiben eines Autos zur Anwendung, wobei eine Scheibenheizung bestehend aus elektrisch widerstandsfähigen Heizleitungen entweder in die Heckscheibe eingebettet oder auf der Innenseite der Heckscheibe angebracht wird. Die Heizleitungen sind elektrisch mit einem Paar elektrischer Kontaktleisten (d. h. elektrische Kontaktflächen, auch Stromschienen genannt) verbunden, die sich auf der Innenseite der Heckscheibe befinden. Die elektrischen Kontaktleisten können eine leitfähige Beschichtung auf der Innenseite der Heckscheibe aufweisen. Üblicherweise bestehen die elektrischen Kontaktleisten aus silberhaltigem Material.
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Um das Problem im Stand der Technik zu überwinden, sieht eine Ausführungsform der Erfindung eine bleifreie Lotzusammensetzung vor, die 0,02 bis 6 Gew.-% Stibium, 0,03 bis 3 Gew.-% Kupfer, 0,03 bis 8 Gew.-% Bismut, 42 bis 70 Gew.-% Indium, 0,3 bis 8 Gew.-% Silber, 5 bis 11 Gew.-% Magnesium, 0,8 bis 1,6 Gew.-% Scandium, 0,7 bis 2,0 Gew.-% Yttrium und 10 bis 45 Gew.-% Zinn enthält.
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In der Ausführungsform enthält die bleifreie Lotzusammensetzung Scandium und Yttrium, wobei Scandium den Effekt hat, Korngrößen zu verringern sowie die Rekristallisierungstemperatur anzuheben. Ferner kann es die Duktilität und Stabilität des Lots verbessern, während Yttrium sich durch einen hohen Schmelzpunkt, hohe Festigkeit und starke Korrosionsbeständigkeit auszeichnet und die Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Lots verbessern kann. Ferner kann es eine Rissbildung an der Lötstelle verhindern und die Solidustemperatur der Lotzusammensetzung erhöhen, so dass diese in einem Bereich von 120°C bis 135°C und die Liquidustemperatur der Lotzusammensetzung in einem Bereich von 130°C bis 145°C liegt.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,2 bis 1,4 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,3 Gew.-% Scandium enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 1,4 bis 1,8 Gew.-%, besonders bevorzugt 1,6 Gew.-% Yttrium enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 bis 4 Gew.-% Stibium und 4 bis 5 Gew.-% Bismut enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 6 bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 7 bis 9 Gew.-%, besonders bevorzugt 8 Gew.-% Magnesium enthalten. In einigen anderen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 8 bis 9 Gew.-% Magnesium enthalten.
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Wie oben erwähnt, weist die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung eine Solidustemperatur im Bereich von 120°C bis 135°C und eine Liquidustemperatur im Bereich von 130°C bis 145°C auf. Die Solidustemperatur wird praktisch als die Temperatur definiert, bei welcher eine Legierung zu schmelzen beginnt. Unterhalb der Solidustemperatur ist die Substanz vollständig fest, ohne Schmelzphase. Die Liquidustemperatur ist die maximale Temperatur, bei der Kristalle (ungeschmolzenes Metall oder eine Legierung) mit der Schmelze koexistieren können. Oberhalb der Liquidustemperatur ist das Material homogen, besteht nur aus Schmelze. Die Verarbeitungstemperatur des Lotes ist um eine Anzahl von Graden, die durch die Löttechnik bestimmt wird, höher als die Liquidustemperatur.
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Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung ist bleifrei und hat eine Arbeitstemperatur, die höher ist als diejenige anderer Lote der gleichen Art, welche üblicherweise bei 105°C liegt. Außerdem hat die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung eine viel bessere Duktilität und Stabilität im Vergleich zu der im Stand der Technik vorhanden bleifreien Lotzusammensetzung.
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Die Kombination von Bismut und Kupfer mit anderen Elementen verbessert die Gesamtleistung der Lotzusammensetzung, einschließlich einer erwarteten Erhöhung der Arbeitstemperatur des Lotes und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Lotes unter bestimmten Bedingungen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung eine Solidustemperatur im Bereich von 120°C bis 135°C aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung ferner eine Liquidustemperatur im Bereich von 130°C bis 145°C aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 3 bis 4 Gew.-% Stibium enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lotzusammensetzung 4 bis 5 Gew.-% Bismut enthalten.
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Die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung weist eine Solidustemperatur von nicht weniger als 120°C auf, hat eine gute Duktilität und Stabilität und ist somit zum Verlöten von elektrischen Verbindern auf einer metallisierten Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Im Folgenden wird nunmehr die Fähigkeit der erfindungsgemäßen bleifreien Lotzusammensetzung, Rissbildung an der Lötstelle zu vermeiden, durch Gegenüberstellung der Ausführungsformen der Erfindung und einigen Vergleichsbeispielen, siehe Tabelle 1 unten, näher beschrieben. Tabelle 1
| | Ausführungsform 1 | Ausführungsform 2 | Ausführungsform 3 | Ausführungsform 4 | Ausführungsform 5 | Vergleichsbeispiel 1 | Vergleichsbeispiel 2 |
| Inhalt (in Gew.-%) | Stibium | 1 | 2,3 | 4 | 4,3 | 5 | 4 | 5 |
| Kupfer | 0,1 | 0,5 | 1 | 1,4 | 2 | 1 | 2 |
| Bismut | 0,5 | 1,5 | 3 | 5 | 7 | 3 | 5 |
| Indium | 42 | 50 | 55 | 60 | 70 | 45 | 60 |
| Silver | 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 | 1,6 | 0,5 | 1,8 |
| Yttrium | 0,7 | 0,9 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 0,5 | 2,9 |
| Zinn | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 30 | 40 |
| Rissbildung | √ | √ | √ | √ | √ | × | × |
| Duktilität | gut | gut | gut | gut | gut | mangelhaft | mangelhaft |
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Bemerkung:
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- √: Rissbildung an angrenzender Lötstelle tritt während des Lötens NICHT auf
- ×: Rissbildung an angrenzender Lötstelle tritt während des Lötens auf
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Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, wenn Scandium in einer Menge von 0,8 bis 1,6 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, kann Rissbildung an der durch die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung gebildeten Lötstelle in den nachfolgenden Prozessen vermieden werden. Wenn Scandium jedoch in einer Menge von weniger als 0,8 Gew.-% oder mehr als 1,6 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, ist die Fähigkeit, Rissbildung zu vermeiden, herabgesetzt. Wenn zusätzlich Yttrium in einer Menge von 0,7 bis 2,0 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, hat die durch die erfindungsgemäße bleifreie Lotzusammensetzung gebildete Lötstelle eine gute Duktilität. Wenn Yttrium jedoch in einer Menge von weniger als 0,7 Gew.-% oder mehr als 2,0 Gew.-% in der Lotzusammensetzung enthalten ist, ist die Duktilitätsleistung des Lotes herabgesetzt.
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Hochtemperaturlagertest
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Die Duktilitätsleistung des bleifreien Lots der Ausführungsformen der Erfindung wird durch einen Hochtemperaturlagertest getestet. In diesem Test wurde die Temperatur einer Klimakammer bei konstant 120°C gehalten. Ein elektrischer Verbinder und eine metallisierte Oberfläche, auf welcher der elektrische Verbinder mit Hilfe des erfindungsgemäßen Lotes verlötet wurde, wurden in die Klimakammer gelegt und ein Gewicht von 6 Newton wurde für 24 Stunden an den elektrischen Verbinder gehängt. Nach Ablauf der 24 Stunden wurde an dem elektrischen Verbinder mit einer Kraft von 50 N mit Hilfe eines digitalen Kraftmessers 3 Sekunden lang (bei Raumtemperatur) gezogen. Während des Tests trat keine Trennung des elektrischen Verbinders in Form von Rissbildung auf.
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Es wird angemerkt, dass die bevorzugten Ausführungsformen und die angewandten Technologieprinzipien der vorliegenden Erfindung oben lediglich beschrieben werden. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte, hierin beschriebene Ausführungsformen beschränkt ist. Verschiedene offensichtliche Abänderungen, Anpassungen und Alternativen können durch Fachleute vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Daher ist die vorliegende Erfindung, obwohl diese detailliert in den obigen Ausführungsformen beschrieben ist, nicht ausschließlich auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann ferner mehrere andere äquivalente Ausführungsformen umfassen, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung unterliegt den beigefügten Patentansprüchen.