DE1204500B - Verwendung von Zinn-Blei-Legierungen als Weichlot zum automatischen Tauchloeten - Google Patents

Description

• Verwendung von Zinn-Blei-Legierungen als Weichlot zum automatischen Tauchlöten Das Tauchlöten von gedruckten Schaltungen zur Herstellung der löttechnischen Verbindung aller auf der gedruckten Schaltplatte befindlichen Bestückungsteile, wie Kondensatoren, Transistoren, Widerstände usw., in einem Arbeitsgang hat in den letzten Jahren immer größere Bedeutung in der Fertigung der elektronischen und ähnlicher Industrien gefunden. Zur Durchführung dieses Verfahrens bleiben noch manche Probleme zu lösen, um eine wirklich einheitliche Fabrikation zu ermöglichen.
• Eine der wesentlichsten Schwierigkeiten liegt in der schnellen Oxydationsgeschwindigkeit der Zinn-Blei-Legierung 60/40 bei den Temperaturen zwischen 220 und 260°C. Es ist klar, daß jede und selbst die dünnste Oxydhaut die löttechnischen Metallreaktionen zwischen der Kupferfolie der Leiterbahnen einerseits und den Anschlußdrähten der Bestückungsteile andererseits hemmt und schließlich verhindert.
• Man hat verschiedene Verfahren ausgearbeitet, um diese Schwierigkeiten zu überwinden.
• Bei stehenden Lötbädern wird vor jeder Tauchlötung das sich bildende Oxyd mit einem mechanischen Schieber zu den Rändern abgeschäumt. Auch hierbei blieb das Resultat unbefriedigend. Bei der hohen Oxydationsgeschwindigkeit der Lotschmelze ist es klar, daß im Zeitlauf vom Abräumen des Oxydes bis zum Tauchen der gedruckten Schaltplatte die größte Oxydationsgeschwindigkeit vorliegt und in diesem kurzen Zeitraum bereits eine fühlbare Oxydbildung entsteht. Diesen Zeitraum kann man aber nicht willkürlich abkürzen.
• Das zugesetzte Lötmittel hat zwar die Aufgabe, die Oxyde auf den löttechnisch zu verbindenden Teilen chemisch aufzuschließen, in gleicher Weise auch die Oxyde der Lotschmelze. Diese Aufschlußreaktionen bedürfen indessen einer gewissen Zeit, die auf Kosten der reinen Metallreaktionen geht, also diese verringert. Da bei gedruckten Schaltungen eine gewisse Wärmeempfindlichkeit zu berücksichtigen ist und auch viele Bestückungsteile sehr wärmeempfindlich sind, kann die Lötzeit nicht willkürlich verlängert werden.
• Die Möglichkeit, stärkere Lötmittel mit größerer Reaktionsgeschwindigkeit zu verwenden, ist auch nicht gegeben, da dadurch andere sehr gefährliche Reaktionen wirksam würden, die die Qualität des Endproduktes sehr verschlechtern würden.
• Man hat versucht, stehende Lötbäder mit schweren Gasen, die die Oxydation verhindern sollten, abzudecken, man hat auch flüssige Abdeckmittel verwendet. Alle diese Versuche führten jedoch zu Mißerfolgen, deren Gründe hier nicht dargelegt zu werden brauchen. Einen ganz anderen Weg beschreiten die Schwall-Lötung und die Lötung mit der stehenden Lötwelle. Das sind im Grunde genommen schnell durchwirbelnde Lötschmelzen besonderer Form, die scheinbar stets blankes geschmolzenes Lötzinn an die zu lötenden Stellen fördern. Infolgedessen sehen diese Schmelzzonen zwar oxydfrei, mindestens oxydarm aus; Untersuchungen haben aber ergeben, daß die Oxydgehalte - wie eigentlich auch zu erwarten -etwa um 10000/, und mehr höher liegen als bei stehenden Lötbädern.
• Vorliegende Erfindung bringt einen wesentlichen Fortschritt zur Lösung dieser Aufgabe. Umfangreiche Untersuchungen der Erfinder über die Charakteristiken der Oxydationsgeschwindigkeiten von Zinn-Blei-Schmelzen bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 200 bis 300°C haben gezeigt, daß die Oxydationsgeschwindigkeit stark verringert werden kann durch die erfindungsgemäße Verwendung von Zinn-Blei-Legierungen, vorzugsweise solcher des Zinn-Blei-Eutektikums oder dieser Zusammensetzung naheliegender Legierungen, denen eine solche ternäre Metallkomponente, die mit Zinn oder Zinn und Blei ein sehr zinnreiches binäres oder ternäres Eutektikum bildet und mit Zinn eine intermetallische Verbindung eingeht, wie Cer, Silber, Kobalt, Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Lanthan, Praseodym, Lithium, Natrium, Magnesium oder Strontium, in einer Menge von 20 bis 50 °/o der zur Bildung des zinnreichen Eutektikums erforderlichen Menge zulegiert ist, als Weichlot zum automatischen Tauchlöten gedruckter und geätzter Schaltplatten oder Schaltplatten anderer Herstellungsart. Unter einem zinnreichen Eutektikum versteht die Erfindung ein Eutektikum, in welchem der Zinnanteil größer ist als der Anteil der betreffenden Metallkomponente, meistens sogar weitaus überwiegt. Die mit Hilfe der Erfindung erzielte Verringerung der anfänglichen Oxydationsgeschwindigkeit in den ersten Sekunden bei hohen Temperaturen und in den ersten Minuten bei niedrigeren Temperaturen beträgt 60 bis 80 0/0. Damit ist ein wesentlicher Fortschritt zur Erzeugung wirklich qualitätsmäßig gleicher Lötzustände erreicht.
• Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen bieten einen weiteren erheblichen Vorteil, wenn der Schmelzpunkt des Eutektikums der zulegierten ternären Metallkomponente mit Zinn bzw. Zinn und Blei oberhalb des Schmelzpunktes des Zinn-Blei-Lotes, aber nicht wesentlich oberhalb desjenigen von Zinn liegt.
• Bei der Abkühlung der Lotschmelzen an den Kontaktstellen und auf den Leiterbahnen scheiden sich oberhalb des Erstarrungspunktes des übrigen Lotes primär die eutektischen Bestandteile dieser wohldefinierten kleinen Zusätze mit Zinn oder mit Zinn und Blei an der Oberfläche aus, wodurch bei der Abkühlung die Oberflächenspannung wesentlich früher zu bedeutenden Werten ansteigt als bei Verwendung einer normalen Zinn-Blei-Legierung. Diese gesteigerte Oberflächenspannung ergibt erst die Möglichkeit der Verwendung des Systems der gedruckten Schaltung in der Mikrotechnik. Selbst auf den schmalsten Leiterbahnen wird eine völlig gleichmäßig erstarrte Verzinnungsschicht erzeugt, so daß die Querschnitte der verzinnten Kupferfolienbahnen überall gleich und damit Stellen verschiedener elektrischer Widerstände ausgeschlossen sind.
• Man weiß, daß die Bestückungsteile, die auf einer gedruckten Schaltungsplatte montiert sind, an den Lötanschlüssen Metalle enthalten, wie Mn, Zn, Cd und andere, die sich bei Verwendung einer reinsten Sn-Pb-Legierung sehr schnell in der Legierungsschmelze lösen und diese dadurch vergiften. Bei erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen sind diese Lösungsgeschwindigkeiten infolge des Gehaltes der Schmelze an Cu oder anderen erfindungsgemäß in Frage kommenden ternären Metallkomponenten von Anfang an geringer. Die unerwünscht eindringenden Metalle scheiden sich sehr leicht und wesentlich leichter als aus reinstem Zinn-Blei-Lot mit den sich bildenden Metalloxyden der Ausgangslegierung wieder aus mit dem Ergebnis völliger Oxydfreiheit der Legierungsschmelze.
• Für die Durchführung der Erfindung sollen die Reinheitsgrade von Sn und Pb den DIN-Normen entsprechen, die beispielsweise einen Cu-Gehalt von höchstens 0,01% zulassen, oder sogar noch darüber liegen. Folgende Beispiele dienen der Berechnung der Zusätze von Kobalt, Cer, Kupfer und Gold.
• Das Kobalt bildet ein Eutektikum mit Zinn bei 0,8 % Kobalt. Berechnet auf eine 60/40-Legierung Zinn/Blei sind das 0,480/0. Davon sind als Zusätze zu rechnen 20 bis 50 % entsprechend 0,096 bis 0,24 0/0 Kobalt.
• Beim Cer befindet sich das Eutektikum mit Zinn bei 2,8 0/0, d. h. also bei Zinn-Blei 60/40 mithin 0,28 - 6 = 1,68%, davon 20 bis 50% entsprechend 0,336 bis 0,84% Cer. Bei Kupfer hat das Eutektikum Zinn/Kupfer die Zusammensetzung 99/1, das sind bei der Legierung 60 Sn/40 Pb somit 0,6 0/0, davon 20 bis 50 % entsprechend 0,12 bis 0,30% Kupfer.
• Bei Gold hat das Eutektikum Zinn/Gold die Zusammensetzung 90/10, das sind bei der Legierung 60 Sn/40 Pb somit 6 % Gold, davon 20 bis 50 % entsprechend 1,2 bis 3,0 % Gold.
• Folgendes bevorzugtes Beispiel dient der Veranschaulichung der Berechnung bei Vorliegen der Bildungsmöglichkeit eines ternären Eutektikums von Blei und Zinn mit einer Metallkomponente, z. B. Silber: Silber bildet mit Zinn und Blei ein Eutektikum bei 63 % Zinn, 1,5 % Silber, Rest Blei. Von den 1,5 0/0 Silber werden als Zusatz 20 bis 50 % benötigt, d. h. 0,3 bis 0,75 % Silber.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verwendung von Zinn-Blei-Legierungen, vorzugsweise solcher des Zinn-Blei-Eutektikums oder dieser Zusammensetzung naheliegender Legierungen, denen eine solche ternäre Metallkomponente, die mit Zinn oder Zinn und Blei ein sehr zinnreiches binäres oder ternäres Eutektikum bildet und mit Zinn eine intermetallische Verbindung eingeht, wie Cer, Silber, Kobalt, Kupfer, Nickel, Gold, Platin, Lanthan, Praseodym, Lithium, Natrium, Magnesium oder Strontium, in einer Menge von 20 bis 50 % der zur Bildung des zinnreichen Eutektikums erforderlichen Menge zulegiert ist, als Weichlot zum automatischen Tauchlöten gedruckter und geätzter Schaltplatten oder Schaltplatten anderer Herstellungsart.
2. 2. Verwendung von Legierungen der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, denen eine Metallkomponente zulegiert ist, deren Eutektikum mit Zinn bzw. Zinn und Blei einen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des Zinn-Blei-Lotes, aber nicht wesentlich oberhalb desjenigen von Zinn besitzt, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.
3. 3. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzung, wobei der Legierung wahlweise 0,096 bis 0,240/0 Kobalt, 0,336 bis 0,840/0 Cer, 0,12 bis 0,300/0 Kupfer oder 1,2 bis 3,0% Gold zulegiert sind, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck.
4. 4. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 oder 2 angegebenen Zusammensetzung, bestehend aus 63 % Zinn, 0,3 bis 0,75 % Silber, Rest Blei, für den im Anspruch 1 angegebenen Zweck. In Betracht gezogene Druckschriften: E. R. T h e w s , »Weichlote - Metallurgie, Technologie und Anwendungsgebiete«, 1953, S. 53; »Mitteilung der ZEVA-Elektrizitäts-Gesellschaftu, Heft 3, April 1959, S. 9; Sonderdruck aus »Technische Mitteilungen PTT«, 1954, Nr. 9, S. 20, 21.