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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung, und insbesondere bezieht sie sich auf eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung mit einer hohen Duktilität.
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Technischer Hintergrund
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Die Heckscheiben von Kraftfahrzeugen weisen typischerweise elektrische Vorrichtungen wie zum Beispiel Scheibenheizungen auf, die auf dem Glas angeordnet sind. Um die elektrische Verbindungen an die elektrischen Vorrichtungen bereitzustellen, wird im Allgemeinen ein kleiner Bereich einer metallischen Beschichtung auf das Glas aufgebracht, um eine metallisierte Oberfläche zu erhalten, die ausgestaltet ist, elektrisch mit der elektrischen Vorrichtung verbunden zu werden, und dann kann ein elektrisches Verbindungsteil der elektrischen Vorrichtungen auf die metallisierte Oberfläche gelötet werden.
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Im Stand der Technik wird das elektrische Verbindungsteil auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas mit einem Lötmittel verlötet, welches ein Blei (Pb) enthält. Jedoch ist aufgrund der Umweltverschmutzung, die durch das Blei verursacht wird, die Verwendung von Blei mehr und mehr eingeschränkt, und daher beginnt es, dass ein bleifreies Lötmittel bei Lötanwendungen verwendet wird. Zum Beispiel kann ein übliches bleifreies Lötmittel verwendet werden, das einen hohen Anteil an Zinn (Sn) von zum Beispiel mehr als 80% bei einigen Branchen enthält.
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Jedoch ist das Glas spröde, so dass das herkömmliche bleifreie Lötmittel, welches einen hohen Zinngehalt aufweist, dazu neigt, eine Rissbildung des Glases zu verursachen, während die elektrische Vorrichtung auf das Glas gelötet wird. Außerdem bringt das Löten von zwei Materialien (wie zum Beispiel Glas und Kupfer), die sich wesentlich in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) unterscheiden, eine Belastung des Lötmittels entweder während des Abkühlens der Lötstelle oder während der nachfolgenden Temperaturausschläge mit sich. Daher ist muss einerseits die Lötmittelzusammensetzung, die für Löten der elektrischen Vorrichtung auf das Glas geeignet ist, einen Schmelzpunkt aufweisen (das heißt eine Liquidus-Temperatur), die niedrig genug ist, um nicht während des Lötprozesses auf dem Automobilglas zu Rissen zu führen, da ein höherer Schmelzpunkt zu einer entsprechend höheren Verarbeitungstemperatur führt und die negativen Auswirkungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten steigert, wodurch dem Lötmittel eine höhere Belastung während der Abkühlung auferlegt wird. Als ein Ergebnis muss das Lot weiterhin eine gute Duktilität aufweisen. Auf der anderen Seite muss der Schmelzpunkt der Lötmittelzusammensetzung hoch genug sein, so dass das Lot nicht während der normalen Verwendung des Automobils schmilzt, wenn zum Beispiel das Fahrzeug sich in der Sonne bei geschlossenem Fenster oder unter anderen extremen rauen Umgebungsbedingungen befindet.
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Herkömmlicherweise ist bereits eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung mit einem Gewichtsanteil von 64,35% bis 65,65 Indium (In), 29,7% bis 30,3% Zinn (Sn), 4,05% bis 4,95% Silber (Ag) und 0,25% bis 0,75% Kupfer (Cu) offenbart (im Folgenden als das ”65 Indiumlot” bezeichnet).
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Die Lötmittel, die Indium enthalten, weisen jedoch in der Regel viel niedrigere Schmelzpunkte als die anderen Lötmittel auf. Zum Beispiel weist das 65 Indiumlot eine Solidus-Temperatur von 109°C auf gegenüber den 160°C bei dem Blei-Lötmittel, und es weist eine Liquidus-Temperatur von 127°C auf gegenüber den 224°C bei dem Blei-Lötmittel. Im Allgemeinen bewirkt ein höherer Indiumgehalt in dem Lötmittel eine niedrigere Solidus-Temperatur des Lötmittels. Einige Automobilhersteller wünschen, dass die Lötstelle geeignet sein sollte, erhöhte Temperaturen zu überleben. Dementsprechend sollte das Lötmittel, welches einen Indiumanteil hat, eine Solidus-Temperatur von nicht niedriger als 120°C haben und es sollte eine gute Duktilität in einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C aufweisen, ohne Verschlechterung des Leistungsvermögens zu zeigen.
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Weiterhin ist eine Vielzahl von elektrischen Verbindungsteilen bei dem Löten dicht angeordnet, das Löten eines elektrischen Verbindungsteiles wird das angrenzende elektrische Verbindungsteil beeinflussen und daher muss das Lötmittel eine hohe Stabilität und eine gute Duktilität aufweisen, sonst ist es wahrscheinlich, dass ein erneutes Schmelzen und eine Rissbildung der angrenzenden elektrischen Verbindungsteils auftreten wird.
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Zusammenfassung
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung bereitzustellen, welche enthält: 0,02 bis 6 Gewichtsprozent Antimon, 0,03 bis 3 Gewichtsprozent Kupfer, 0,03 bis 8 Gewichtsprozent Wismut, 50 bis 75 Gewichtsprozent Indium, 0,3 bis 8 Gewichtsprozent Silber, 5 bis 11 Gewichtsprozent Magnesium, 0,5 bis 1,55 Gewichtsprozent Scandium, 0,5 bis 1,4 Gewichtsprozent Neodym und 10 bis 45 Gewichtsprozent Zinn.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 1,0 bis 1,1 Gewichtsprozent Scandium enthalten.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 0,7 bis 0,8 Gewichtsprozent Neodym enthalten.
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Die bleifreie Lötmittelzusammensetzung kann eine Solidus-Temperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C haben.
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Ferner kann die Lötmittelzusammensetzung eine Liquidus-Temperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C haben.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 3 bis 4 Gewichtsprozent Antimon enthalten.
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Bevorzugt kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 4 bis 5 Gewichtsprozent Wismut enthalten.
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Die bleifreie Lötmittelzusammensetzung der Erfindung weist eine Solidus-Temperatur von nicht weniger als 120°C auf, und sie hat eine gute Duktilität und Stabilität, und sie ist daher zu einem Verlöten von elektrischen Verbindungsteilen auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Die vorliegende Erfindung wird weiter unten im Zusammenhang mit einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es soll verstanden werden, dass die bestimmten Ausführungsbeispiele hier nur beschrieben sind, um die vorliegende Offenbarung zu erläutern, und nicht, um die vorliegenden Offenbarung zu begrenzen
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung bereit, die zum Löten von elektrischen Elementen auf Glas geeignet ist. Veranschaulichend ist ein solches Löten zur Herstellung einer Heckscheibe eines Fahrzeugs erforderlich, welche eine Scheibenheizung enthält, die aus elektrisch resistiven Abtauleitungen besteht, die in die Heckscheibe eingebettet sind oder die auf die innere Oberfläche der Heckscheibe aufgebracht sind. Die Abtauleitungen sind elektrisch mit einem Paar von elektrischen Kontaktleisten (das heißt elektrischen Kontaktflächen, die auch als Stromschienen bezeichnet werden) verbunden, welche sich auf der inneren Oberfläche der Heckscheibe befinden. Die elektrischen Kontaktstreifen können aus einer leitenden Beschichtung bestehen, die auf der inneren Oberfläche des hinteren Fensters abgeschieden worden ist. Typischerweise sind die elektrischen Kontaktstreifen aus einem Material gebildet, welches Silber enthält.
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Um das Problem im Stand der Technik zu überwinden, stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine bleifreie Lötmittelzusammensetzung, welche enthält: 0,02 bis 6 Gewichtsprozent Antimon, 0,03 bis 3 Gewichtsprozent Kupfer, 0,03 bis 8 Gewichtsprozent Wismut, 50 bis 75 Gewichtsprozent Indium, 0,3 bis 8 Gewichtsprozent Silber, 5 bis 11 Gewichtsprozent Magnesium, 0,5 bis 1,55 Gewichtsprozent Scandium, 0,5 bis 1,4 Gewichtsprozent Neodym und 10 bis 45 Gewichtsprozent Zinn.
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Bei dem Ausführungsbeispiel enthält die bleifreie Lötmittelzusammensetzung ein Scandium und ein Neodym, von denen das Scandium einen Effekt der Verringerung einer Korngröße aufweist und es eine Funktion des Anhebens einer Rekristallisationstemperatur aufweist und es die Duktilität und die Stabilität des Lötmittels verbessern kann, während das Neodym durch einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Festigkeit und eine starke Antikorrosion gekennzeichnet ist und es die Festigkeit, die hohe Temperaturbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Lötmittels verbessern kann, während es an der Lötstelle eine Rissbildung vermeiden kann und es die Solidus-Temperatur der Lötmittelzusammensetzung erhöht, um in einem Bereich von 120°C bis 135°C zu sein, und es die Liquidus-Temperatur der Lötmittelzusammensetzung erhöht, um in einem Bereich von 130°C bis 145°C zu sein.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 1 bis 1,1 Gewichtsprozent Scandium enthalten, und besonders bevorzugt kann sie 1,05 Gewichtsprozent Scandium enthalten.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 0,7 bis 0,8 Gewichtsprozent Neodym enthalten, und besonders bevorzugt kann sie 0,75 Gewichtsprozent Neodym enthalten.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 3 bis 4 Gewichtsprozent Antimon und 4 bis 5 Gewichtsprozent Wismut enthalten.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 6 bis 10 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, bevorzugt kann sie 7 bis 9 Gewichtsprozent Magnesium enthalten und besonders bevorzugt kann sie 8 Gewichtsprozent Magnesium enthalten. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 8 bis 9 Gewichtsprozent Magnesium enthalten
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Wie oben erwähnt ist, weist die bleifreie Lötmittelzusammensetzung der Erfindung eine Solidus-Temperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C und eine Liquidus-Temperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C auf. Die Solidus-Temperatur ist praktisch als die Temperatur definiert, bei der eine Legierung zu schmelzen beginnt. Unterhalb der Solidus-Temperatur ist die Substanz vollständig fest, ohne eine geschmolzene Phase aufzuweisen. Die Liquidus-Temperatur ist die maximale Temperatur, bei welcher die Kristalle (nicht geschmolzenes Metall oder nicht geschmolzene Legierung) mit der Schmelze koexistieren können. Oberhalb der Liquidus-Temperatur ist das Material homogen und besteht nur aus der Schmelze. Die Verarbeitungstemperatur des Lötmittels ist, um eine Anzahl von Graden, die durch die Löttechnik bestimmt wird, höher als die Liquidus-Temperatur.
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Die Lötmittelzusammensetzung der Erfindung ist frei von Blei und sie weist eine Arbeitstemperatur auf, welche höher als die von anderen Lötmitteln desselben Typs ist, die typischerweise etwa 105°C ist. Auch weist die Lötmittelzusammensetzung der Erfindung eine viel bessere Duktilität und Stabilität im Vergleich mit der bestehenden bleifreien Lötmittelzusammensetzung nach dem Stand der Technik auf.
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Die Kombination von Wismut und Kupfer mit anderen Elementen verbessert das gesamte Leistungsvermögen der Lötmittelzusammensetzung, einschließlich einer erwarteten Erhöhung der Arbeitstemperatur des Lötmittels und einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Lötmittels unter bestimmten Bedingungen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung eine Solidus-Temperatur in einem Bereich von 120°C bis 135°C aufweisen.
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Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen die Lötmittelzusammensetzung eine Liquidus-Temperatur in einem Bereich von 130°C bis 145°C aufweisen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 3 bis 4 Gewichtsprozent Antimon enthalten.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die bleifreie Lötmittelzusammensetzung 4 bis 5 Gewichtsprozent Wismut enthalten.
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Die bleifreie Lötmittelzusammensetzung der Erfindung weist eine Solidus-Temperatur von nicht weniger als 120°C auf, und sie weist eine gute Duktilität und Stabilität auf. Daher ist sie zum Verlöten von elektrischen Verbindungsteilen auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Nun wird das Leistungsvermögen gegen die Rissbildung der Lötstelle, welche durch die bleifreie Lötmittelzusammensetzung der Erfindung gebildet worden ist, nachfolgend im Vergleich zwischen den Ausführungsbeispielen der Erfindung und einigen Vergleichsbeispielen beschrieben, wie in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt ist.
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Wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist, kann, wenn das Scandium in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 1,55 Gewichtsprozent in der Lötmittelzusammensetzung enthalten ist, die Rissbildung der Lötstelle durch die bleifreie Lötmittelzusammensetzung nach der Erfindung bei den nachfolgenden Prozessen vermieden werden. Wenn jedoch das Scandium in einer Menge von weniger als 0,5 Gewichtsprozent oder mehr als 1,55 Gewichtsprozent in der Lötmittelzusammensetzung enthalten ist, wird das Leistungsvermögen des Lötmittels gegen die Rissbildung verschlechtert. Zusätzlich weist, wenn das Neodym in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 1,4 Gewichtsprozent in der Lötmittelzusammensetzung enthalten ist, die Lötverbindung, welche durch die bleifreie Lötmittelzusammensetzung der Erfindung gebildet worden ist, ein gute Duktilität auf. Wenn jedoch das Neodym in einer Menge enthalten ist, die weniger als 0,5 Gewichtsprozent oder mehr als 1,4 Gewichtsprozent in der Lötmittelzusammensetzung beträgt, wird das Leistungsvermögen der Duktilität des Lötmittels verschlechtert.
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Lagerungstest bei hohen Temperaturen
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Das Leistungsvermögen der Duktilität des bleifreien Lötmittels der Ausführungsbeispiele der Erfindung wird durch einen Lagerungstest bei hohen Temperaturen geprüft. Bei diesem Test wurde die Temperatur in einer Klimakammer bei konstant 120°C gehalten, ein elektrisches Verbindungsteil und eine metallisierte Oberfläche, auf welche das elektrische Verbindungsteil mit dem Lötmittel der Erfindung gelötet worden ist, wurden in die Klimakammer gelegt, und ein Gewicht von 6 Newton wurde an dem elektrischen Verbindungsteil für 24 Stunden aufgehängt. Nach dem Ablauf der 24 Stunden wurde das elektrische Verbindungsteil (bei Raumtemperatur) mit einer Kraft von 50 N von einem digitalen Kraftmesser für 3 Sekunden gezogen und keine Trennung einer Rissbildung von dem elektrischen Verbindungsteil trat bei diesem Test auf.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die bevorzugten Ausführungsbeispiele und die angewandten Herstellungsverfahren lediglich Prinzipien der vorliegenden Offenbarung sind, wie oben beschrieben wurden. Es sollte für den Fachmann verständlich sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die hier beschrieben wurden. Verschiedene offensichtliche Veränderungen und alternative spätere Anpassungen können von dem Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher ist, obwohl die vorliegende Offenbarung im Detail durch die obigen Ausführungsbeispielen dargestellt worden ist, die vorliegende Offenbarung nicht nur auf die obigen Ausführungsbeispielen beschränkt und sie kann ferner mehr andere äquivalente Ausführungsbeispiele umfassen, ohne von der Konzeption der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf die beigefügten Ansprüche.
