DE102021103360A1

DE102021103360A1 - Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung und derartige Vorverzinnungsanordnung

Info

Publication number: DE102021103360A1
Application number: DE102021103360.8A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Niemann; David Roger
Original assignee: FEW Fahrzeugelektrikwerk GmbH and Co KG
Current assignee: FEW Fahrzeugelektrikwerk GmbH and Co KG
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2022-08-11
Also published as: CN114850609A; US20220256714A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung auf einer leitfähigen Oberfläche, wobei für einen zeitlich und/oder räumlich nachgeordneten Lötprozess eine Lötzinnpreform oder eine Lötzinnronde, welche eine vorgegebene dreidimensionale Gestalt aufweist, mit der leitfähigen Oberfläche unverlierbar und transportstabil verbunden wird. Hierfür wird die Lötzinnpreform oder Lötzinnronde mittels eines Heftlotes auf der leitfähigen Oberfläche fixiert, wobei die Schmelztemperatur des Heftlotes unter der Schmelztemperatur der Lötzinnpreform oder der Lötzinnronde liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung auf einer leitfähigen Oberfläche, wobei für einen zeitlich und/oder räumlich nachgeordneten Lötprozess eine Lötzinnpreform oder eine Lötzinnronde, welche eine vorgegebene dreidimensionale Gestalt aufweist, mit der leitfähigen Oberfläche unverlierbar und transportstabil verbunden wird, gemäß Anspruch 1, sowie eine Vorverzinnungsanordnung, aufgebracht auf einer leitfähigen Oberfläche gemäß Anspruch 9.
Aus der EP 2 760 613 B1 ist ein Schichtverbund aus einem elektronischen Substrat und einer Schichtanordnung, umfassend ein Reaktionslot, vorbekannt. Zur Anbindung von elektronischen oder elektrischen Komponenten, beispielsweise auf ein Trägersubstrat, mittels einer Verbindungsschicht kommen üblicherweise Lotverbindungen zum Einsatz.
Üblicherweise werden hier Weichlote eingesetzt, welche Zinn-Silber- oder Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen aufweisen. Bei Temperaturen nahe der Schmelztemperatur zeigen derartige Verbindungsschichten schwindende elektrische und mechanische Eigenschaften, die zu einem Ausfall entsprechender Baugruppen führen können.
Bleihaltige Lotverbindungen sind bei höheren Einsatztemperaturen als Weichlotverbindungen einsetzbar, jedoch durch gesetzliche Bestimmungen aus Gründen des Umweltschutzes in ihren technischen Anwendungen stark beschränkt.
Alternativ bietet sich für den Einsatz bei erhöhten oder hohen Temperaturen, insbesondere über 200°C, der Einsatz bleifreier Hartlote an. Bei Verwendung von Hartlot zur Ausbildung einer Verbindungsschicht kommen jedoch nur wenige elektrische oder elektronische Komponenten als Fügepartner in Frage, die den diesbezüglichen hohen Temperaturen beim Schmelzen der Hartlote standhalten können.
Diesbezüglich wird oftmals auf die sogenannte Niedertemperaturverbindungstechnologie zurückgegriffen, bei der silberhaltige Sinterverbindungen bei bereits wesentlich geringeren Temperaturen als der Schmelztemperatur erzeugt werden können. Hier ist es bekannt, anstelle eines Lots eine Paste einzusetzen, die chemisch stabilisierte Silberpartikel und/oder Silberverbindungen enthält.
Die EP 2 760 613 B1 zielt auf einen Schichtverbund, umfassend mindestens ein elektronisches Substrat und eine Schichtanordnung aus zumindest einer ersten Schicht eines ersten Metalls und/oder einer ersten Metalllegierung und aus einer, an diese erste Schicht angrenzenden, zweiten Schicht eines zweiten Metalls und/oder einer zweiten Metalllegierung, wobei die Schmelztemperaturen der ersten und der zweiten Schicht unterschiedlich sind, und wobei nach einer Temperaturbehandlung der Schichtanordnung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ein Bereich mit mindestens einer intermetallischen Phase ausgebildet wird.
Konkret wird auf eine AgX-, CuX- oder NiX-Legierung zurückgegriffen, welche eine Schmelztemperatur aufweist, die größer als die Schmelztemperatur eines Basislots ist.
Bei einem entsprechenden Verfahren zur Ausbildung des Schichtverbundes aus Basislot und Reaktionslot findet im Ergebnis einer Temperaturbehandlung der Schichtanordnung bzw. des Rohschichtverbundes eine Interdiffusion der Metalle und/oder Metalllegierung in der ersten und/oder der zweiten Schicht statt. Im Ergebnis entsteht eine intermetallische Phase zwischen der ersten und der zweiten Schicht. Das Basislot ist ausgewählt aus der Gruppe Sn, Cu, SnAg, SnAu, SnBi, SnNi, SnZn, SnIn, CuIn, CuAg, AgBi oder ZnAI bzw. InGa.
Durch den Lösungsansatz nach EP 2 760 613 B1 werden Verbindungen geschaffen, die Anwendungstemperaturen nahe der Schmelztemperatur des eingesetzten Lotes widerstehen.
Die WO 2013/142335 A1 und die US 9 801 285 B2 offenbaren eine Lötpaste, die auf ein elektronisches Substrat aufgebracht wird, um ein Lotpastendeposit zu schaffen. Danach wird eine Niedrigtemperatur-Preform in dem Lötpastendeposit angeordnet. Anschließend wird die so gebildete Anordnung einem Reflow-Lötprozess unterzogen.
Hierdurch entsteht eine quasi neue Legierung mit einem tieferen Schmelzpunkt. Als Lötpaste wird SAC305 beispielhaft eingesetzt. Die Preform besteht aus einer Zinn-Wismut-Legierung.
In einer weiteren Ausführungsform wird erläutert, eine Niedrigtemperaturlötpaste, zum Beispiel Sn42Bi58, auf einer Leiterplatte aufzubringen, um entsprechende Deposits zu erhalten. Danach werden Preforms mit höherer Schmelztemperatur aufgebracht, zum Beispiel SAC305-Preforms.
Die sich so ergebende Kombination wird ebenfalls einer Reflow-Temperatur ausgesetzt, wodurch sich die Hochtemperatur-Preform mit der Paste vermengt, mit dem Ergebnis einer Reduzierung der Schmelztemperatur der sich einstellenden Mischung.
In eine ähnliche Richtung zur Schaffung eines Mischlotes geht die Lehre der EP 2 908 612 B1 .
Bekannte Konnektoren, die in zum Beispiel Fahrzeugscheiben einlaminiert werden, können aus (Flach)leiter bestehen, die aus einem ca. 0,1 mm dicken Kupferband gefertigt sind.
Üblicherweise erfolgt eine Vorverzinnung dieser Flachleiter an den Anschlüssen mittels Zinnpreforms bzw. Zinnronden.
Nach dem bekannten Stand der Technik werden die Preforms induktiv oder mit einem Lötkolben thermisch auf das Kupferband aufgelötet. Hierbei wird das Lötzinn der Preforms flüssig und verliert seine Form.
Infolge der Oberflächen- und Grenzflächenspannungen entstehen hierbei tropfenähnliche Geometrien mit äußerst unebenen Oberflächen.
Es hat sich im Ergebnis umfangreicher Erprobungen und Untersuchungen herausgestellt, dass derartige tropfenähnliche, unebene Oberflächengeometrien für den nachfolgenden eigentlichen Lötprozess von erheblichem Nachteil sind.
Insbesondere bei dem nachfolgenden Lötprozess mittels induktiven Lötverfahren sind bezüglich der Preforms oder Ronden genau reproduzierbare Schichtdicken erforderlich. Ebenso sind bei Mehrfachronden die Abstände zwischen den Ronden und die Höhenabmessungen für den Löterfolg maßgeblich.
Wünschenswert sind hierbei Höhendifferenzen der Ronden in sich bzw. zwischen benachbarten Ronden in einem Bereich von ca. 10 µm.
Diese Gleichmäßigkeit der Preforms oder Ronden weist den Vorteil einer gleichmäßigen Übertragung der Wärme auf, was zu einer gleichmäßigeren Erwärmung eines Substrates führt und entstehende, ausdehnungsbedingte thermische Spannungen vermeidet.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung auf einer leitfähigen Oberfläche unter Nutzung von Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden anzugeben, welches es gestattet, die Preformen oder Ronden so auf der leitfähigen Oberfläche unverlierbar und transportstabil zu fixieren, dass eine Veränderung der dreidimensionalen Gestalt der Preformen oder Ronden ausgeschlossen ist.
Das diesbezüglich vorgefertigte Produkt soll dann mit der gewonnenen geometrischen Stabilität vom Endkunden einem üblichen Lötprozess mit optimaler Qualität und Langzeitstabilität als Ergebnis des Lötens unterzogen werden. Bei dem Fixieren der Lötpreforms oder Ronden soll die Ausbildung von intermetallischen Phasen verhindert werden.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einer Lehre nach Patentanspruch 1 sowie hinsichtlich der Anordnung mit einer Lösung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 9.
Es wird demnach von einem Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung auf einer leitfähigen Oberfläche, zum Beispiel einem Kupferband, ausgegangen, wobei für einen zeitlich und/oder räumlich nachgeordneten Lötprozess mindestens eine oder mehrere Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden, welche ein vorgegebene dreidimensionale Gestalt aufweisen, mit der leitfähigen Oberfläche unverlierbar und transportstabil verbunden werden.
Entgegen den bisherigen Maßnahmen des Standes der Technik, bei denen die Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden durch Ausschmelzen selbiger mit der leitfähigen Oberfläche verbunden werden, werden erfindungsgemäß die Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden mittels eines Heftlotes auf der leitfähigen Oberfläche fixiert, wobei die Schmelztemperatur des Heftlotes derart unter der Schmelztemperatur der betreffenden Lötzinnpreform oder Lötzinnronde liegt, dass eine Formveränderung ihrer dreidimensionalen Gestalt während des Heftlötens weitgehend unterbunden ist oder gänzlich unterbleibt.
Beispielsweise liegt hierfür die Schmelztemperatur des Heftlotes im Bereich zwischen 35°C und ca. 90°C unterhalb der Schmelztemperatur der Lötzinnpreformlegierung bzw. der Legierung der Lötzinnronde.
Als Heftlot kommt beispielsweise Sn42Bi47Ag1 oder eine Indium oder Bismut enthaltende Legierung zum Einsatz.
Als Legierungsmaterial für die Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden wird beispielsweise SAC305, Sn62Pb36Ag2 oder Sn98Ag2 eingesetzt.
Die Auswahl des Heftlotes erfolgt unter dem Gesichtspunkt zu der Vermeidung des Ausbildens unerwünschter intermetallischer Verbindungen beim Heftlötschritt. Insofern wird also das Heftlöten mit einer minimalen Energieeintragsmenge vorgenommen. Hierbei ist lediglich sicherzustellen, dass die eigentlichen Lötpreformen oder Lötronden bis zum Verlöten beim Endkunden unverlierbar mit der entsprechenden leitfähigen Oberfläche verbunden bleiben.
Die jeweilige Lötzinnpreform kann aus Einzel- oder Mehrfachronden bestehen, wobei nach dem Heftlötschritt die Höhe oder die Schichtdicke ihrer dreidimensionalen Gestalt erhalten bleibt und Schichtdicken- oder Höhendifferenzen von Ronde zu Ronde vermieden werden.
Bevorzugt kann das Heftlot in Pastenform auf die leitfähige Oberfläche oder auf die Rückseite der Lötzinnpreform bzw. entsprechenden Ronden aufgebracht werden.
Die leitfähige Oberfläche kann durch eine Kupferfolie oder ein Kupferband gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Vorverzinnungsanordnung ist auf einer leitfähigen Oberfläche aufgebracht und basiert auf einer oder mehreren dreidimensional gestalteten Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden.
Zur Verbindung der Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden mit der leitfähigen Oberfläche verfügt letztere über eine Heftlotschicht.
Die Schmelztemperatur der Heftlotschicht liegt unter derjenigen der Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden.
Die Schmelztemperatur der Lötzinnpreformen liegt je nach ausgewählter Legierung im Bereich zwischen 100°C und 170°C bis 250°C.
Die Schmelztemperatur eines bevorzugt eingesetzten Heftlotes, zum Beispiel Sn42Bi47Ag1, liegt bei ca. 139°C.
Es ist ersichtlich, dass bei dieser Temperaturdifferenz zwischen den Schmelzpunkten beim Fixieren des Heftlotes ein Aufschmelzen oder Durchschmelzen der Lötzinnpreformen vermieden wird, dennoch eine sichere Haftung erreichbar ist.
Der vorgeschlagene Heftlötprozess wird grundsätzlich so ausgeführt, dass die eingesetzten Lötronden bzw. Lötpreformen formstabil bleiben. Dies führt zu dem weiteren Vorteil, dass zumindest der größte Teil der entsprechenden Lötronde in seiner Legierung unverändert bleibt.
Nachteile, die sich bei einem ersten Aufschmelzen des Preform- oder Rondenmaterials ergeben und welche die Schmelzeigenschaften verändern, bleiben hierdurch aus, so dass alle gewünschten Eigenschaften der Lötzinnpreform-Legierung bis zu deren aktiven Einsatz bei einem kundenseitigen Lötvorgang erhalten bleiben.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur näher erläutert werden.
Die Figur zeigt hierbei eine fotorealistische Darstellung eines Vergleiches von auf einem, teilweise abgedeckten Kupferband aufgebrachten Lötpreforms mit doppelten Ronden.
Rechtsseitig ist in der Figur eine Anordnung von Preforms 1 mit quasi randscharfen Ronden 2 zu erkennen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren über ein Heftlot auf dem in der Figur nicht erkennbaren leitfähigen Kupferband fixiert wurden. Im Vergleich hierzu ist linksseitig die Ausbildung von Preforms 1 gemäß dem Stand der Technik erkennbar.
Die Ronden 2 sind komplett verlaufen und bilden eine Tropfenstruktur mit unregelmäßiger Oberfläche und unregelmäßigen Dicken- bzw. Höhenabmessungen.
Beispielhaft kommen für die Preforms Legierungen wie SAC305, Sn62Pb36Ag2 oder Sn98Ag2 zum Einsatz.
Der Schmelzpunkt von SAC305 liegt bei 217°C, der Schmelzpunkt von Sn62Pb36Ag2 bei ca. 179°C und der Schmelzpunkt von Sn98Ag2 im Bereich zwischen 221°C und 226°C.
Die Druckpaste, eingesetzt als Heftlot, besteht aus einer Sn42Bi47Ag1 Legierung und weist einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt von ca. 139°C auf.
Es liegt im Sinne der Erfindung, auch ähnliche Legierungen als Heftlot einzusetzen, beispielsweise Legierungen mit einem Indium-Bestandteil. Maßgeblich ist hier der niedrigere Schmelzpunkt des Heftlotes bezogen auf den Schmelzpunkt der Preforms bzw. der Ronden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2760613 B1 [0002, 0007, 0010]
WO 2013/142335 A1 [0011]
US 9801285 B2 [0011]
EP 2908612 B1 [0015]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung auf einer leitfähigen Oberfläche, wobei für einen zeitlich und/oder räumlich nachgeordneten Lötprozess eine Lötzinnpreform oder eine Lötzinnronde (1; 2), welche eine vorgegebene dreidimensionale Gestalt aufweist, mit der leitfähigen Oberfläche unverlierbar und transportstabil verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötzinnpreform oder Lötzinnronde (1; 2) mittels eines Heftlotes auf der leitfähigen Oberfläche fixiert wird, wobei die Schmelztemperatur des Heftlotes derart unter der Schmelztemperatur der Lötzinnpreform oder Lötzinnronde (1; 2) liegt, dass eine Formveränderung ihrer dreidimensionalen Gestalt während des Heftlötschrittes weitgehend unterbunden ist oder gänzlich unterbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Heftlotes im Bereich zwischen 35°C und 90°C unterhalb der Schmelztemperatur der Lötzinnpreform oder Lötzinnronde (1; 2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Heftlot Sn42Bi47Ag1 oder eine Indium oder Bismut enthaltende Legierung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lötzinnpreform- oder Lötzinnrondenlegierung SAC305, Sn62Pb36Ag2 oder Sn98Ag2 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Heftlotes unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung des Ausbildens unerwünschter intermetallischer Verbindungen beim Heftlötschritt vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Lötzinnpreform aus Einzel- oder Mehrfachronden besteht, wobei nach dem Heftlötschritt die Höhe oder die Schichtdicke ihrer dreidimensionalen Gestalt erhalten bleibt und Schichtdicken- oder Höhendifferenzen von Ronde zu Ronde vermieden werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heftlot in Pastenform auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Oberfläche durch eine Kupferfolie oder ein Kupferband gebildet ist.
Vorverzinnungsanordnung, aufgebracht auf einer leitfähigen Oberfläche, auf der Basis einer oder mehrerer dreidimensional gestalteter Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden (1; 2), dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden (1; 2) mit der leitfähigen Oberfläche diese über eine Heftlotschicht verfügt und die Schmelztemperatur der Heftlotschicht unter derjenigen der Lötzinnpreformen oder Lötzinnronden (1; 2) liegt.
Vorverzinnungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötzinnpreformen aus einer Legierung wie SAC305, Sn62Pb36Ag2 oder Sn98Ag2 mit Schmelzpunkten zwischen 217°C und 179°C und das Heftlot beispielhaft aus Sn42Bi47Ag1 mit einem Schmelzpunkt von ca. 139°C besteht.