DE10237495A1 - Lotmaterial und Verfahren zum Ausbilden einer Weichlötverbindung - Google Patents
Lotmaterial und Verfahren zum Ausbilden einer WeichlötverbindungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lotmaterial zum Weichlöten sowie ein Verfahren zum Ausbilden von Weichlötverbindungen zwischen zwei lötbaren Oberflächenabschnitten, wobei das Lotmaterial einen Gewichtsprozentanteil Aluminium von >= 0,01% (Gew./Gew.) aufweist. Das Lotmaterial kann sowohl zum Ausbilden von Lötverbindungen als auch zum Beschichten von metallischen Anschlüssen genutzt werden.
Description
- Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Weichlötens.
- Die Erfindung entstand im Rahmen von Arbeiten im Zusammenhang mit dem BMBF-Förderprojekt 02PP2040.
- Nach der europäischen Norm EN 29453 (Fassung November 1993) ist ein Weichlot ein metallischer Zusatzwerkstoff, der benutzt wird, um metallische Teile miteinander zu verbinden, dessen Schmelzpunkt unterhalb desjenigen der zu verbindenden Teile - üblicherweise unterhalb von 450°C liegt. Das Weichlot benetzt beim Ausbilden die Grundwerkstoffe, aus denen die zu lötenden metallischen Teile gebildet sind. Als Verbindungspartner kommen in der Regel metallische Teile aus hochschmelzenden Werkstoffen, wie Kupfer, Eisen, Nickel oder dergleichen zum Einsatz.
- Die metallischen Teile können mit dünnen Schichten aus organischen oder anorganischen Materialien versehen sein. Eine Legierungsbildung zwischen dem Weichlot, dem zur Schichtbildung verwendeten Schichtwerkstoff und/oder dem Grundwerkstoff der metallischen Teile ist während des Lötvorgangs erwünscht. Nicht erwünscht sind hingegen fortschreitende Legierungs- und Diffusionsvorgänge, die sich bei der nachfolgenden Nutzung oder der Lagerung der verlöteten Teile im Bereich der Lötverbindung ergeben. Diese Art chemischer Wechselwirkungen der an der Lötverbindung beteiligten Verbindungspartner beeinflußt die thermischen und die chemischen Eigenschaften des Gesamtaufbaus der Lötverbindung nachteilig. Häufig treten hierbei irreversible Veränderungen auf, die die mechanische, die elektrische und/oder die thermische Funktionalität der Lötverbindung und der Verbindungspartner beeinflussen. Zur Minderung der Wirkung der nachteiligen chemischen Wechselwirkungen werden Barriereschichten eingesetzt, die die chemische Wechselwirkung unterbinden sollen. Eine solche Maßnahme ist jedoch für den typischen Einsatzfall von Weichlötverbindungen, der Montage elektrischer/elektronischer Bauelemente, problematisch, da hierbei zahlreiche werkstofftechnisch verschiedene Verbindungselemente zu verbinden sind. Nicht für alle der Verbindungselemente werden geeignete Sperr- bzw. Barrierenschichten eingesetzt.
- Bei der herkömmlichen Weichlöttechnik wird die thermische und die chemische Stabilität der Lötverbindungen dadurch erreicht, daß großvolumige Lötverbindungsstellen und metallische Teile zum Einsatz kommen, die ein ausreichendes Materialvolumen bereitstellen. Auf diese Weise wird nach dem Stand der Technik sichergestellt, daß im Temperaturbereich bis 100°C innerhalb der Lebensdauer des Gesamtsystems, welches die Weichlötverbindung umfaßt, ein ausreichendes Materialvolumen zur Verfügung steht, das beim Betrieb und der Lagerung gering beeinflußt und ausreichend stabil bleibt.
- Bei höheren Temperaturen und/oder kleiner ausgebildeten Lotvolumina werden Diffusionssperrschichten als Barriereschichten eingesetzt. Diese Sperr- bzw. Barriereschichten sollen eine fortschreitende chemische Wechselwirkung der Verbindungspartner mittels der ihnen eigenen Barrierefunktion behindern. Die Diffusionssperrschichten bestehen aus einer dünnen Metallschicht. Die Barrierewirkung einzelner Metalle wurde meist empirisch ermittelt. Ein typischer Anwendungsfall sind Diffusionssperrschichten in der "Flip-Chip"-Technik (vgl. J. Lau, Flip Chip Technologies, MacGraw Hill, 1995). Als Diffusionssperrschicht auf Schaltungsträgern elektronischer Baugruppen wird häufig Nickel eingesetzt (vgl. N. Hannemann et al., Lötbare Oberflächen für Leiterplatten, Eigenverlag: TGBZ D. Zajitschek, Steinheim/Main, 1999).
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Lotmaterial und ein verbessertes Verfahren zum Weichlöten anzugeben, bei dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden sind.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lotmaterial nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 3 gelöst.
- Die Erfindung umfaßt als wesentlichen Gedanken, bei Lotmaterialien zum Weichlöten einen Gewichtsprozentanteil von Aluminium von ≥ 0,01% (Gew./Gew.) vorzusehen. Im Unterschied dazu weisen bekannte Weichlote gemäß der europäischen Norm EN 29453 Aluminium lediglich als Verunreinigung auf, wobei die Verunreinigung nicht größer als 0,001% (Gew./Gew.) sein darf.
- Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß Lötverbindungen, die mit Hilfe des Lotmaterials mit dem erhöhten Aluminiumanteil hergestellt werden, keine nachteiligen chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und den verlöteten metallischen Teilen aufweisen. Die Grundwerkstoffe der löttechnisch verbundenen metallischen Teile und das Weichlot werden nach dem Lötvorgang bei Temperaturbelastungen nicht durch chemische Wechselwirkungen in unzulässiger Weise beeinflußt. Auch oberhalb der Schmelztemperatur des Weichlots treten keine nachteiligen chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und den metallischen Teilen auf, die die Funktion der Lötverbindung beeinträchtigen. Der Zusatz von Aluminium in dem Lotmaterial führt zu keiner signifikanten Veränderung der Schmelztemperatur des Lotmaterials. Auf diese Weise ergeben sich kostengünstige Möglichkeiten für die Herstellung und das Betreiben von Lötverbindungen mit kleinen Volumina der Verbindungsstellen und der Verbindungselemente und/oder bei Belastungen aufgrund erhöhter Temperaturen.
- Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es auf einfache Weise möglich ist, das flüssige Lot aus dem neuen Lotmaterial als Verbindungselement in elektrischen Schaltungen und Schalteinrichtungen zu nutzen. Fortschreitende Diffusions- und Legierungsvorgänge an metallischen Kontakten, zwischen denen das flüssige Lotmaterial eine elektrische und/oder thermische Verbindung herstellt, sind reduziert.
- Der Gewichtsprozentanteil von Aluminium an dem Lotmaterial ist zweckmäßig ≤ 5% (Gew./Gew.).
- Der Vorteil einer reduzierten Wechselwirkung zwischen dem Weichlot und den Werkstoffen der Verbindungsteile entfaltet dann besondere Wirkung, wenn die lötbaren Oberflächenabschnitte elektrisch leitend sind und die Weichlötverbindung als elektrisch leitende Verbindung gebildet wird. Mit Hilfe des neuen Lotmaterials wird erreicht, daß die elektrische Verbindung dauerhaft die notwendigen Qualitätsanforderungen erfüllt.
- Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß die Weichlötverbindung bei der Montage elektrischer/elektronischer Bauelemente mittels einer "Flip-Chip"-Technologie gebildet wird.
- Eine Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, daß die Weichlötverbindung mit Hilfe des zumindest temporären Schmelzens des Lotmaterials gebildet wird. Hierdurch wird die Nutzung des neuen Lotmaterials im Zusammenhang mit modernen Verbindungstechnologien zur Montage von elektrischen/elektronischen Bauelementen ermöglicht. Das neue Lotmaterial reduziert Diffusions- und Legierungsvorgänge an metallischen Kontakten, zwischen denen mittels des Lotmaterials eine Lötverbindung geschaffen ist.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauteils, das mittels metallischen Anschlüssen auf einem Schaltungsträger montiert ist; und
- Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektronischen Bauteils, das mit Hilfe des Schmelzens von Lotkugeln auf einem Schaltungsträger montiert wird.
- Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen/elektronischen Bauteils 1 mit metallischen Anschlüssen 2. Ein von dem elektrischen/elektronischen Bauteil 1 entferntes Ende 3 der metallischen Anschlüsse 2 ist mit Hilfe einer Weichlötverbindung 4 auf einem elektrischen Kontakt 5 befestigt. Der elektrische Kontakt 5 ist auf einer Oberfläche 6 eines Schaltungsträgers 7 angeordnet. Die Weichlötverbindung 4 ist aus einem Weichlot mit einem Gewichtsprozentanteil Aluminium von ≥ 0,01% (Gew./Gew.), vorzugsweise mit einem Gewichtsprozentanteil Aluminium von ≤ 5% (Gew./Gew.).
- Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung, bei der ein elektrisches/elektronisches Bauteil 20 mittels Lotkugeln 21 auf metallischen Kontakten 22 eines Schaltungsträgers 23 montiert ist. Die Lotkugeln 21 sind aus einem Weichlot mit einem Gewichtsprozentanteil Aluminium von 0,01% (Gew./Gew.). Vorzugsweise ist der Gewichtsprozentanteil Aluminium ≤ 5% (Gew./Gew.).
- Mit Hilfe der Lotkugeln 21 wird eine Weichlötverbindung zwischen den metallischen Kontakten 22 des Schaltungsträgers 23 und Metallanschlüssen 24 des elektrischen/elektronischen Bauteils 20 gebildet. Das elektrische/elektronische Bauteil 20 wird gemäß Fig. 2 in Übereinstimmung mit der "Flip-Chip"- Technologie umgekehrt auf dem Schaltungsträger 23 montiert.
- Sowohl die Lötverbindung 4 als auch die mit Hilfe der Lotkugeln 21 auszubildende Lötverbindung sind elektrisch leitende Verbindungen. Das verwendete Lotmaterial mit dem oben genannten Aluminiumzusatz ermöglicht das Kontaktieren des elektrischen/elektronischen Bauteils 1 bzw. 20. Hierbei entsteht im Verlauf des Weichlötens in einer Diffusionszone eine gewünschte chemische Wechselwirkung, während eine weitergehende chemische Wechselwirkung nach Abschluß des Weichlötens verhindert bzw. behindert ist. Es findet somit keine störende Veränderung der Verbindungsqualität aufgrund chemischer Wechselwirkungen zwischen dem Lotmaterial und den zu lötenden metallischen Teilen (Anschlüsse 2 und metallische Kontakte 5 bzw. Metallanschlüsse 24 und metallische Kontakte 22) statt.
- Das Lotmaterial mit einem Aluminiumzusatz von ≥ 0,01% (Gew./Gew.) kann nicht nur zum Weichlöten verwendet werden, sondern auch zum Ausbilden einer Schicht auf metallischen Anschlüssen elektrischer/elektronischer Bauelemente oder elektrischen Kontakten. In diesem Fall ist es nicht zwingend erforderlich, die Lötverbindung beim Montieren des elektrischen/elektronischen Bauelements auf dem Schaltungsträger mit dem Lotmaterial, welches den beschriebenen Aluminiumzusatz enthält, auszuführen.
- Das erfindungsgemäße Lotmaterial kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweisen: Sn - 43% (Gew./Gew.), Bi - 56% (Gew./Gew.) und Al - 1% (Gew./Gew.). Grundsätzlich können jedoch sämtliche bekannte Weichlote, wie sie beispielsweise in der europäischen Norm EN 29453 definiert sind, mit einem Zusatz von Aluminium von ≥ 0,01% (Gew./Gew.) verwendet werden.
Claims (8)
1. Lotmaterial zum Ausbilden einer Weichlötverbindung, mit
einem Gewichtsprozentanteil Aluminium, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gewichtsprozentanteil von
Aluminium ≥ 0,01% (Gew./Gew.) ist.
2. Lotmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gewichtsprozentanteil von Aluminium ≤ 5%
(Gew./Gew.) ist.
3. Verfahren zum Ausbilden einer Weichlötverbindung zwischen
zwei lötbaren Oberflächenabschnitten, wobei ein
Lotmaterial mit einem Gewichtsprozentanteil Aluminium verwendet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gewichtsprozentanteil von Aluminium ≥ 0,01% (Gew./Gew.) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die lötbaren Oberflächenabschnitte elektrisch leitend
sind und die Weichlötverbindung als elektrisch leitende
Verbindung gebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Gewichtsprozentanteil von Aluminium ≤
5% (Gew./Gew.) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Weichlötverbindung bei der
Montage elektrischer/elektronischer Bauelemente mittels einer
"Flip-Chip"-Technologie gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Weichlötverbindung mit Hilfe des
zumindest temporären Schmelzens des Lotmaterials gebildet
wird.
8. Verwendung eines Lotmaterials nach Anspruch 1 oder 2 zum
Beschichten von metallischen Kontakten eines
elektrischen/elektronischen Bauelements.
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