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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lötpaste, die eine bleifreie Lötzusammensetzung mit hoher Duktilität und ein Lötflussmittel enthält.
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Technischer Hintergrund
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Heckfenster von Kraftfahrzeugen umfassen typischerweise elektrische Vorrichtungen, zum Beispiel Entfrostungsanlagen, die sich auf dem Glas befinden. Um elektrische Verbindungen mit den elektrischen Vorrichtungen bereitzustellen, wird im Allgemeinen ein kleiner Bereich metallischer Beschichtung auf das Glas aufgetragen, um eine metallisierte Oberfläche zu erhalten, die konfiguriert ist, um elektrisch mit der elektrischen Vorrichtung verbunden zu werden, und dann kann ein elektrischer Verbinder der elektrischen Vorrichtung auf die metallisierte Oberfläche gelötet werden.
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Im Stand der Technik wird der elektrische Verbinder auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas mit einem Lötmittel, das Blei (Pb) enthält, gelötet. Infolge der Umweltverschmutzung, die durch Blei verursacht wird, wird die Verwendung von Blei allerdings mehr und mehr beschränkt, und daher wird begonnen, in Lötanwendungen ein bleifreies Lötmittel zu verwenden. Beispielsweise wird ein übliches bleifreies Lötmittel, das einen hohen Zinn(Sb)-Gehalt hat, zum Beispiel mehr als 80%, in einigen Industrien verwendet.
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Darüber hinaus ist Glas spröde, somit tendiert das gängige bleifreie Lötmittel mit hohem Zinngehalt dazu, eine Rissbildung des Glases während eines Lötens der elektrischen Vorrichtung auf das Glas zu verursachen. Darüber hinaus bringt ein Löten von zwei Materialien (zum Beispiel Glas und Kupfer), die sich im Wärmeausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion (CTE)) deutlich unterscheiden, eine Belastung für das Lötmittel entweder während des Abkühlens der Lötverbindung oder während anschließender Temperaturschwankungen mit sich. Daher muss die Lötzusammensetzung, die zum Löten der elektrischen Vorrichtung auf das Glas geeignet ist, einerseits einen Schmelzpunkt (d. h. Liquidus-Temperatur) haben, der niedrig genug ist, damit keine Rissbildung des Kraftfahrzeugglases während des Lötprozesses verursacht wird, da ein höherer Schmelzpunkt und eine entsprechend höhere Verarbeitungstemperatur die nachteiligen Wirkungen von CTE-Nichtübereinstimmung erhöht, was dem Lötmittel während eines Abkühlens eine höhere Beanspruchung auferlegt. Als Resultat wird außerdem gefordert, dass das Lötmittel gute Duktilität hat. Andererseits muss der Schmelzpunkt der Lötzusammensetzung hoch genug sein, so dass das Lötmittel während der normalen Verwendung des Kraftfahrzeugs nicht schmelzen wird, zum Beispiel wenn das Auto bei geschlossenen Fenstern in der Sonne ist oder unter anderen extrem rauen Umgebungsbedingungen steht.
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Bereits herkömmlich offenbart ist eine bleifreie Lötzusammensetzung mit einem Gewichtsprozentgehalt 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 Nachfolgenden als das ”65-Indium-Lötmittel” bezeichnet).
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Lötmittel, die Indium enthalten, haben normalerweise allerdings viel niedrigere Schmelzpunkte als andere Lötmittel. Das 65-Indium-Lötmittel beispielsweise hat eine Solidus-Temperatur von 109°C, im Vergleich zu 160°C des Bleilötmittels, und eine Liquidus-Temperatur von 127°C, im Vergleich zu 224°C des Bleilötmittels. Im Allgemeinen verursacht ein höherer Indium-Gehalt in dem Lötmittel eine niedrige Solidus-Temperatur des Lötmittels. Einige Fahrzeughersteller wünschen, dass die Lötmittelverbindung in der Lage sein sollte, erhöhte Temperaturen zu überleben, dementsprechend sollte das Lötmittel mit einem Indium-Gehalt eine Solidus-Temperatur von nicht niedriger als 120°C haben und eine gute Duktilität in einem Temperaturbereich von –40°C bis 120°C haben, und zwar ohne jede Verschlechterung der Leistung.
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Darüber hinaus wird beim Löten einer Vielzahl elektrischer Verbinder, die eng angeordnet sind, das Löten eines elektrischen Verbinders den angrenzenden gelöteten elektrischen Verbinder beeinträchtigen, und somit muss das Lötmittel hohe Stabilität und Duktilität haben, andernfalls wird wahrscheinlich ein erneutes Schmelzen und eine Rissbildung des angrenzenden elektrischen Leiters auftreten.
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Ein Lötflussmittel ist ein notwendiges Additiv für das Löten. Für die obige Lötzusammensetzung, wie sie gewünscht wird, ist ein geeignetes Lötflussmittel erforderlich, sodass die Lötpaste, die durch die Lötzusammensetzung und das Lötflussmittel gebildet wird, Klebrigkeit während einer Langzeitlagerung aufrechterhalten kann, keine übermäßige Rückstände durch das Lötflussmittel während des Lötens gebildet werden und die Leiterplatte, die einem Löten unterzogen wird, leicht gereinigt werden kann.
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Zusammenfassung
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Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Lötpaste bereitzustellen, die eine bleifreie Lötzusammensetzung und ein Lötflussmittel umfasst, wobei die bleifreie Lötzusammensetzung umfasst: 0,02–6 Gewichts-% Stibium, 0,03–3 Gewichts-% Kupfer, 0,03–8 Gewichts-% Wismut, 55–68 Gewichts-% Indium, 0,3–8 Gewichts-% Silber, 5–11 Gewichts-% Magnesium, 0,4–1,45 Gewichts-% Scandium, 0,3–1,8 Gewichts-% Palladium und 10–45 Gewichts-% Zinn; und wobei das Lötflussmittel umfasst: 25–32 Gewichts-% Kolophonium, 5–7 Gewichts-% eines Gemisches von Pentandisäure und 2-Fluorbenzoesäure als einen organischen Säureaktivator; 0,2–0,5 Gewichts-% Alkylphenolpolyoxyethylen als ein oberflächenaktives Mittel; 0,7–0,8 Gewichts-% 1-Octylalkohol als ein Entschäumungsmittel; 0,5–0,7 Gewichts-% Hydrochinon als einen Stabilisator und 20–32 Gewichts-% eines Monoalkylpropylenglycol-basierten Lösungsmittels.
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Die bleifreie Lötzusammensetzung der Erfindung hat eine Solidus-Temperatur von nicht niedriger als 120°C, hat gute Duktilität und Stabilität und ist demnach zum Löten elektrischer Verbinder auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet. Darüber hinaus hat das Lötflussmittel eine starke Benetzungskraft für die bleifreien Lötmittel; durch Verwendung des Lötflussmittels werden die Lötmittel gleich-mäßiger verteilt, und Rückstände, die nach Schweißen erzeugt werden, sind in Wasser löslich, sodass die gedruckte Leiterplatte einen hohen Isolierwiderstand hat, nachdem das Lötflussmittel mit Wasser weggereinigt worden ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Offenbarung wird in Einzelheiten nachfolgend in Verbindung mit einigen Ausführungsformen weiter veranschaulicht werden. Es kann verstanden werden, dass hierin beschriebene spezifische Ausführungsformen lediglich zur Erläuterung der vorliegenden Offenbarung, nicht zur Beschränkung der vorliegenden Offenbarung angeführt sind.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine Lötpaste bereit, die eine bleifreie Lötzusammensetzung und ein Lötflussmittel umfasst, welche zum Löten elektrischer Elemente auf Glas geeignet ist. In veranschaulichender Weise ist ein solches Löten zur Herstellung eines Heckfensters eines Autos erforderlich, welches eine Fensterentfrostungsanlage umfasst, die aus elektrisch Ohm'schen Entfrostungsleitungen besteht, die innerhalb der inneren Oberfläche des Heckfensters eingebettet oder auf dieser abgeschieden sind. Die Entfrostungsleitungen sind elektrisch mit einem Paar elektrischer Kontaktstreifen (d. h. elektrischer Kontaktoberflächen, auch als ”buss bars” bezeichnet), die sich an der inneren Oberfläche der Heckscheibe befinden, verbunden. Die elektrischen Kontaktstreifen können aus einer leitfähigen Beschichtung bestehen, die auf der inneren Oberfläche der Heckscheibe abgeschieden ist. Typischerweise sind die elektrischen Kontaktstreifen aus silberhaltigem Material gebildet.
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Um das Problem im Stand der Technik zu überwinden, stellt eine Ausführungsform der Erfindung eine Lötpaste bereit, die eine bleifreie Lötzusammensetzung und ein Lötflussmittel enthält, und wobei die bleifreie Lötzusammensetzung umfasst: 0,02–6 Gewichts-% Stibium, 0,03–3 Gewichts-% Kupfer, 0,03–8 Gewichts-% Wismut, 55–68 Gewichts-% Indium, 0,3–8 Gewichts-% Silber, 5–11 Gewichts-% Magnesium, 0,4–1,45 Gewichts-% Scandium, 0,3–1,8 Gewichts-% Palladium und 10–45 Gewichts-% Zinn. Das Lötflussmittel umfasst: 25–32 Gewichts-% Kolophonium, 5–7 Gewichts-% eines Gemisches von Pentandisäure und 2-Fluorbenzoesäure als einen organischen Säureaktivator; 0,2–0,5 Gewichts-% Alkylphenolpolyoxyethylen als ein oberflächenaktives Mittel; 0,7–0,8 Gewichts-% 1-Octylalkohol als ein Entschäumungsmittel; 0,5–0,7 Gewichts-% Hydrochinon als einen Stabilisator und 20–32 Gewichts-% eines Monoalkylpropylenglycol-basierten Lösungsmittels.
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In der Ausführungsform umfasst die bleifreie Lötzusammensetzung Scandium und Palladium, von denen Scandium eine Wirkung zur Reduzierung der Korngröße und ein Merkmal zur Erhöhung der Umkristallisationstemperatur hat und die Duktilität und Stabilität des Lötmittels erhöhen kann, während Palladium durch einen hohen Schmelzpunkt, hohe Festigkeit und starke Antikorrosion gekennzeichnet ist, Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Antikorrosion des Lötmittels erhöhen kann, eine Rissbildung der Lötverbindung vermeiden kann und die Solidus-Temperatur der Lötzusammensetzung derart erhöht, dass sie in einem Bereich von 120°C bis 135°C liegt, und die Liquidus-Temperatur der Lötzusammensetzung derart erhöht, dass sie innerhalb eines Bereichs von 130°C bis 145°C liegt.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 1,0–1,1 Gewichts-%, bevorzugter 1,04 Gewichts-% Scandium umfassen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 0,7–0,8 Gewichts-%, bevorzugter 0,75 Gewichts-% Palladium umfassen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 3–4 Gewichts-% Stibium und 4–5 Gewichts-% Wismut umfassen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 6–10 Gewichts-%, vorzugsweise 7–9 Gewichts-%, bevorzugter 8 Gewichts-% Magnesium umfassen. In anderen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 8–9 Gewichts-% Magnesium umfassen.
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Das Monoalkylpropylenglycol-basierte Lösungsmittel kann Butylpropylentriglycol oder Butylpropylendiglycol sein und kann die Reaktion des Aktivators mit Metall, das in der Lötlegierung enthalten ist, hemmen, wodurch die Bildung von Metallsalz verhindert wird.
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Wie oben erwähnt wurde, hat die bleifreie Lötzusammensetzung in der Lötpaste der Erfindung eine Solidus-Temperatur innerhalb eines Bereichs von 120°C bis 135°C und eine Liquidus-Temperatur innerhalb eines Bereichs von 130°C bis 145°C. Die Solidus-Temperatur ist praktisch als die Temperatur definiert, bei der eine Legierung zu schmelzen beginnt. Unter der Solidus-Temperatur ist die Substanz vollständig fest, ohne geschmolzene Phase. Die Liquidus-Temperatur ist die Maximumtemperatur, bei der Kristalle (ungeschmolzenes Metall oder ungeschmolzene Legierung) mit der Schmelze koexistieren können. Oberhalb der Liquidus-Temperatur ist das Material homogen, besteht nur aus Schmelze. Die Lötverfahrenstemperatur ist höher als die Liquidus-Temperatur, und zwar um eine Gradzahl, die durch die Löttechnik bestimmt wird.
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Die Lötzusammensetzung der Erfindung ist frei von Blei und hat eine Verarbeitungstemperatur, die höher ist als die eines anderen Lötmittels desselben Typs, die typischerweise etwa 105°C ist. Die Lötzusammensetzung der Erfindung hat im Vergleich zu der existierenden bleifreien Lötzusammensetzung im Stand der Technik viel bessere Duktilität und Stabilität.
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Die Kombination von Wismut und Kupfer mit anderen Elementen verbessert die Gesamtleistungsfähigkeit der Lötzusammensetzung, einschließlich einer erwarteten Erhöhung der Verarbeitungstemperatur des Lötmittels und einer Erhöhung der mechanischen Leistungsfähigkeit des Lötmittels unter spezifischen Bedingungen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung eine Solidus-Temperatur im Bereich von 120°C bis 135°C haben.
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Ferner kann die Lötzusammensetzung in einigen Ausführungsformen eine Liquidus-Temperatur im Bereich von 130°C bis 145°C haben.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 3–4 Gewichts-% Stibium umfassen.
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In einigen Ausführungsformen kann die bleifreie Lötzusammensetzung 4–5 Gewichts-% Wismut umfassen.
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Die bleifreie Lötzusammensetzung der Erfindung hat eine Solidus-Temperatur von nicht niedriger als 120°C, hat gute Duktilität und Stabilität und ist somit zum Löten elektrischer Verbinder auf die metallisierte Oberfläche auf dem Glas geeignet.
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Nun wird die Anti-Rissbildungs-Leistungsfähigkeit der Lötverbindung, die durch die Lötpaste der Erfindung gebildet wurde, mit einem Vergleich zwischen den Ausführungsformen der Erfindung und einigen Vergleichsbeispielen beschrieben, wie es in Tabelle 1 unten gezeigt ist. Tabelle 1
| Ausführungsform 1 | Ausführungsform 2 | Ausführungsform 3 | Ausführungsform 4 | Ausführungsform 5 | Vergl.-Beispiel 1 | Vergl.-Beispiel 2 |
Gehalt (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 | 55 | 57 | 60 | 65 | 68 | 57 | 60 |
Silber | 0,5 | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 2,5 | 4 |
Magnesium | 5 | 7 | 8 | 9 | 10 | 8 | 9 |
Scandium | 0,4 | 0,6 | 1,1 | 1,2 | 1,45 | 0,2 | 1,8 |
Palladium | 0,3 | 0,6 | 1,0 | 1,2 | 1,8 | 0,05 | 2,0 |
Zinn | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 | 30 | 40 |
Rissbildung | v | v | v | v | v | x | x |
Duktilität | gut | gut | gut | gut | gut | schlecht | schlecht |
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Anmerkung:
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- v:
- Während des Lötens tritt keine Rissbildung an benachbarten Lötverbindungen auf.
- x:
- Während des Lötens tritt Rissbildung an benachbarten Lötverbindungen auf.
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Wie aus der obigen Tabelle gesehen werden kann, kann, wenn Scandium in einer Menge in einem Bereich von 0,4 bis 1,45 Gew.-% in der Lötzusammensetzung enthalten ist, die Rissbildung der Lötverbindung, die durch die bleifreie Lötzusammensetzung der Erfindung gebildet wurde, in den nachfolgenden Verfahren vermieden werden. Wenn allerdings Scandium in einer Menge von kleiner als 0,4 Gew.-% oder größer als 1,45 Gew.-% in der Lötzusammensetzung enthalten ist, ist die Anti-Rissbildungs-Leistungsfähigkeit des Lötmittels verschlechtert. Wenn Palladium in einer Menge in einem Bereich von 0,3 bis 1,8 Gew.-% in der Lötzusammensetzung enthalten ist, hat die Lötverbindung, die durch die bleifreie Lötzusammensetzung gebildet wurde, außerdem gute Duktilität. Wenn allerdings Palladium in einer Menge von kleiner als 0,3 Gew.-% oder größer als 1,8 Gew.-% in der Lötzusammensetzung enthalten ist, ist die Duktilitäts-Leistungsfähigkeit des Lötmittels verschlechtert.
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Hochtemperaturlagerungstest
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Die Duktilitäts-Leistungsfähigkeit der Lötpaste der Ausführungsformen der Erfindung wird durch einen Hochtemperaturlagerungstest untersucht. In diesem Test wurde die Temperatur einer Klimakammer konstant bei 120°C gehalten, ein elektrischer Verbinder und eine metallisierte Oberfläche, auf die der elektrische Verbinder mittels des Lötmittels der Erfindung gelötet worden war, wurden in die Klimakammer gelegt und ein Gewicht von 6 Newton wurde für 24 Stunden von dem elektrischen Verbinder hängen gelassen. Am Ende der 24 Stunden wurde der elektrische Verbinder mit einer Kraft von 50 N durch einen digitalen Kraftmesser für 3 Sekunden gezogen (bei Umgebungstemperatur), und es trat keine Unterbrechung durch Risse des elektrischen Verbinders während dieses Tests auf.
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Es wird betont, dass die vorteilhaften Ausführungsformen und die angewandten Technologieprinzipien der vorliegenden Offenbarung lediglich wie oben beschrieben werden. Es sollte dem Fachmann klar sein, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf bestimmte hierin beschriebene Ausführungsformen beschränkt wird. Verschiedene offensichtliche Änderungen, Neueinstellungen und Alternativen können von dem Fachmann durchgeführt werden, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Obgleich die vorliegende Offenbarung durch die obigen Ausführungsformen in Einzelheiten erläutert wird, ist die vorliegende Offenbarung nicht lediglich auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und kann außerdem mehrere andere äquivalente Ausführungsformen umfassen, ohne das Konzept der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.