DE1953218A1

DE1953218A1 - Verfahren zur Herstellung eines wasserloeslichen Flussmittels zum Loeten

Info

Publication number: DE1953218A1
Application number: DE19691953218
Authority: DE
Inventors: Georges Rousselot
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-23
Filing date: 1969-10-22
Publication date: 1970-05-06
Also published as: GB1233859A; FR1592166A; DE1953218B2

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matchinen GetelUchaft mbH

Böblingen, den 17. Oktober I969 Ru/du

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: 'Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PR 968 310

Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Flußmittels zum Löten. '

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her- · stellung eines wasserlöslichen Flußmittels und das auf diese Weise gewonnene Flußmittel,'insbesondere für Lötarbeiten an kleinsten elektronischen Bauteilen und auf gedruckten Schaltkarten. Beim Weichlöten elektrischer Verbindungen ist«"©s im allgemeinen notwendig, Flußmittel zu verwenden, um das zu lötende Metall zu reinigen und für ein gutes Haften des Lötmittels vorzubereiten. Außerdem müssen die Lötflußmittel die beim LötVorgang auftretenden Temperaturen aushalten, das heißt sie dürfen keine korrosionswirksamai Rückstände bilden und die entstandenen Rückstände müssen sich nach dem Lötvorgang leicht entfernen lassen. Um diese Nachteile zu beseitigen wurde in der Deutschen Patentschrift 1.100.^28 vorgeschlagen, eine Weichlot-

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ORIGINAL

paste zu verwenden, bei der der Siedepunkt des Lösungsmittels oder des Lösungsmittelgemischs für das Kolophonium und die Aktivatoren so gewählt ist, daß er möglichst nahe bei dem Schmelzpunkt des Lötmetalls liegt. Diese Lötpaste hat jedoch den Nachteil, daß sie neben dem Flußmittel auch das Lötmetall beinhaltet und daß als Flußmittel Kolophonium verwendet wird, das den Reinigungsprozeß nach dem Lötvorgang wesentlich verlängert. Außerdem haben die in dieser Lötpaste angewendeten Flußmittel den Nachteil, daß der Temperaturbereich, in dem sie verwendet werden können, sehr schmal ist, so daß sie auf die Kontaktmetalle häufig einen korrodierenden Einfluß ausüben, insbesondere wenn das Flußmittel als Rückstand zurückbleibt, was in der Fertigung nicht ganz zu vermeiden ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein wasserlösliches Flußmittel sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, um beim automatisierten Lötvorgang, insbesondere beim Löten integrierter Schaltkreise, sehr leicht lösliche, nicht korrodierende Rückstände zu haben und damit die Reinigungszyklen wesentlich zu verkürzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Flußmittels ist dadurch charakterisiert, daß Bindemittel und Aktivatoren miteinander gemischt werden, deren Löslichkeit im Wasser und Mischbarkeit zueinander reziprok sind.

Das nach diesem Verfahren hergestellte Flußmittel besteht aus 24 Volumenprozent Methanol, 13 Volumenprozent Isopropanol, 29 Volumenprozent Butylglycol, 31 Volumenprozent Polyäthylenglycol, 50 Gramm pro Liter Weinsäure und 6,25 Gramm pro Liter Dimethyl- _y aminhydrochlorid.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und der zugehörigen Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen:

Fig. 1 In einer Kurve den thermischen Zyklus eines Löt-

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- 3 automaten für elektronische Bauteile.

Flg. 2 In einer Tabelle die Siedepunkte der verschiedenen Lösungsmittel und die Temperaturen in den verschiedenen Lötphasen.

Fig. 3 Die Verdampfungskurven eines Lötmittels als Funk-

* tion der Temperatur für verschiedene Mischungen von Alkoholen.

Fig. i» "· Weitere Verdampfungskurven für andere Lösungsmittel als die in Fig. 3 gezeigten und

Fig. 5 die Verdampfungskurve eines erfindungsgemäßen Lösungsmittels.

Bei der Beschreibung der Erfindung wird die Verwendung eines herkömmlichen Lötautomaten vorausgesetzt, dessen thermischer Zyklus in dsr Kurve der Fig. 1 dargestellt ist. Auf der Abszisse ist die Zeit, auf der Ordinate sind die Temperaturen aufgetragen. Die Zeit zwischen dem Koordiriatenursprung und dem Punkt A beträgt etwa 2 Sekunden.

Aus dieser Kurve geht hervor, daß die Lötoperation sich aus verschiedenen Stufen oder Absätzen zusammensetzt, und zwar aus einer Flußstufe bei einer Temperatur von 20° C während des Zeitabschnittes AB, einer Vorwärmstufe während des Zeitabschnittes CD, in der die Schaltkarte von 20 auf 110° C vorgewärmt wird, einer weiteren Stufe der leichten Abkühlung während des Zeitabschnittes DE, der eigentlichen Lötstufe bei einer Temperatur von 242° C in dem ungefähr 2,2 Sekunden langen Abschnitt EF und der abschließenden Stufe der progressiven Abkühlung während der Zeit FG und,über 6 hinaus.

Die Flußoperation sollte wegen der einfacheren Reinigung, mit einem

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INSPECTED

wasserlöslichen Flußmittel ausgeführt werden, dessen Eigenschaften nachfolgend definiert werden.

Das nichtharzige Flußmittel besteht aus Bindemitteln und Aktivierungsmitteln. Die Löslichkeit in Wasser und die Mischbarkeit aller Bestandteile des Flußmittels sind zueinander reziprok. Der Teil des Flußmittels, der nach der Erwärmung zurückbleibt, muß vollkommen wasserlöslich sein. Die Aktivität liegt auf einem höheren Grad bei einer schwächeren Konzentration von Cl/Ionen. Die Stabilität bei der Lagerung, der Benutzung und im thermischen Zyklus soll möglichst groß sein. Berührungszeit und Wassermenge sollen so klein wie möglich sein, um die Schaltungen zu reinigen.

Nach der Definition eines Flußmittels folgt die Untersuchung dieser Eigenschaften. Die Löslichkeit in Wasser und der flüssige Zustand des Flußmittels führen direkt zur Untersuchung der Teile für das Bindemittel, die der Familie des Wassers möglichst nahe kommen, das heißt, einwertigen oder mehrwertigen Alkoholen. Selbstverständlich sind dabei die festen höheren Alkohole und Alkohole mit begrenzter Löslichkeit ausgeschlossen. Die Liste ist nach steigenden Siedepunkten oder abfallender Verdampfungsgeschwindigkeit geordnet und die letzte Auswahl erfolgte nach dem Grad der reziproken Mischbarkeit. Daraus ergibt sich die nachfolgende Tabelle der verschiedenen Alkohole:

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ORIGINAL JNSPECTED

Ref.	1	Name	Siedepunkt	Dichte	Dampfdruck
N°	2		°C	-'. -	in mm bei
	3				20° C
4	Methanol	64.7	O.792	99.5
5	Ethanol	78.3	O.789	78.4
6	Isopropanol	82.4	O.787	32.5
7	N-Butanol	117.7	0.810	9
8	Methylglycol	124.5	O.965	7.4
9	Ethylglycol	135.1	O.93I	3.8
10	Butylglycol	171.2	O.9O2	0.60
11	Methyldiatylenglycol	193.6	1.020	0.20
12	Äthylenglycol	197.2	1.115	0.12
13	Äthyldiglycol	201.9	O.99O	0.12
14	Dipropylenglycol	232	1.025	0.01
Diäthylenglycol	'245	1.118	0.01 ·
Triäthylenglycol	287.4	Γ.125	0.01
Polyäthylenglycol "400"	350°	1.125	9xio"⁵(ioo°c)

Durch die geforderte Aktivität des Flußmittels kommen zwei Klassen von Aktivierungsmitteln in Frage, von denen die eine Klasse mit der größten Energie Chlor enthält und in Form von ebenfalls gut in Wasser und Alkohol löslichem AminhydroChlorid eingeführt wird und die andere Klasse mit der geringeren Energie keine Halogene e.ntr hält. Diese Aktivierungsmittel gehören zur Klasse Säure - Alkohol und sind gleichfalls in Wasser und Alkohol löslich. Die vorliegende Beschreibung beschränkt sich auf die wichtigsten, nämlich auf Apfelsäure, Oxalsäure, Weinsäure und Zitronensäure.

Als nächstes werden die Komponenten des Flußmittels unter Berück- '

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sichtigung des Lötprozesses und der oben festgelegten Auswahlkriterien ausgewählt. Im Laufe von zwei thermischen Zyklen verdampfen nacheinander Bruchteile des Lösungsmittels kontinuierlich, so daß · die gedruckte Schaltung nicht z.B. durch die Projektion des Lötmittels beschädigt wird.

In Fig. 2 sind die Siedepunkte 12 primärer Alkohole der vorhergehenden Tabelle mit Nummernbezeichnung angegeben. Die Temperaturen für Fließen, Vorwärmen und Löten der Maschine sind ebenfalls angegeben. Es wäre natürlich einfacher, die Siedetemperatur von Verbindungen einzuzeichnen, die nicht zu niedrig liegt. Um weiterhin ein progressives Sieden des Lösungsmittels zu erhalten, sollte mindestens ein Zusatz aus jeder der durch die Temperaturbereiche definierten Kategorien genommen werden. Beispiele für diese Kategorien sind:

Kategorie 1: Bestandteile Nr. 1 und Nr. 3 (Methanol und Isopropanol) Kategorie 2: Bestandteile Nr. 4 und Nr. 7 (N-Butanol und Butyl-

glycol) Kategorie 3: Ein auch bei hohen Temperaturen stabiler Bestandteil wie z.B. das mit der Nr. 14 bezeichnete Polyäthylenglycol "400".

Das Aktivierungsmittel sollte nach dem selben Prinzip auf einfachere Art ausgewählt werden. Als Aktivierungsmittel kommen drei Bestandteile in Frage und zwar Dimethylamine Hydrochloride, Ethylamine Hydrochloride und Monoethanolamine Hydrochloride.

Es wurde der erste Bestandteil gewählt, da seine Verwendung her-, kömmlich und die Aktivität sowie seine thermische Stabilität und seine hohe Löslichkeit bekannt ist. In ähnlicher Weise wurden in der oben erwähnten Gruppe die Weinsäuren ausgewählt, da sie bei schwacher Konzentration die Siedestellen wegfallen lassen, die sich am Ende der Leitungen von Bauteilen bilden und bei einer höheren Konzentration außerdem die feuchten Ecken wegfallen«

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Die Fign. 3 und 4 zeigen das Verhalten verschiedener Alkoholmischungen bei ansteigender Temperatur. So zeigt in Fig. 3 die Gruppe A den Verdampfungsprozentsatz eines Gemischs aus 70 % Methanol und 30 % Butylglycol als Funktion der Temperatur. Aus 'dieser Kurve geht hervor, daß von dem Bindemittel bis zu 60° C praktisch nichts verdampft und das Methanol ab 64,7° C schnell zu verdampfen"beginnt, so daß nur Butylglycol übrig bleibt. Wenn¹ die Temperatur von 65° bis 170° C angehoben wird, erfolgt keine Verdampfung. Bei Erreichen von 171,M⁰ C verdampft Butylglycol schnell und es bleibt kein Bindemittel zurück. Die anderen Kurven entsprechen anderen Mischungen, wobei die horizontalen .Teile der Verdampfungskurven folgenden Zusammensetzungen entsprechen:

Figur 3 - Kurve B - Isopropanol (3) 70 %

Butylglycol (7) 30 %

Absätze bei 82,4° C und 171»2° C ' Kurve C - Isopropanol (3) 20 %

N-Butanol (4) 50 %

Butylglycol (7) 30 %

-Absätze bei 82,1° C₉ 117,7° C, 171,2° C Kurve D - Isopropanol (3) 20 %

N-Butanol (14) 35 56

Butylglycol (7) U5 *

Absätze wie Kurve C

Figur 4 - Kurve A - Isopropanol (3) 50 %

Polyglycol (14) 50 % Absätze wie bei 82,4° C und 360° C Kurve B - Isopropanol (3) 35 % Polyglycol (14) 65 % Absätze wie bei Kurve A Kurve C - Isopropanol (3) 35 JS Butylglycol (7) 15 % Polyglycol (14) 50 % Absätze wie bei 82,4° C, 171,2° C und 360° C

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Kurve D- Isopropanol (3) 20 % N-Butanol (4) 15 % Butylglycol (7) 15 % Polyglycol (14) 50 %

Absätze bei 82,4° C, 117,7° C, 171,2° C und 360° C

Zu dieser Aufstellung sind zwei Punkte zu ergänzen. Die in den Kurven aufgetragenen senkrechten Teile sind fiktiev, da sich die Temperatur progressiv ohne Diskontinuitäten ändert und der Alkohol bei überschreiten eines gegebenen Siedepunktes anfängt zu verdampfen. Da die Verdampfung nicht momentan erfolgt, kann die steigende Temperatur einen weiteren Siedepunkt des in der Lösung vorhandenen Alkoholes erreichen, so daß zwei oder mehr Alkohole gleichzeitig verdampfen. Somit wird die dynamische Darstellung eines gegebenen Zeitzyklus zu den Rundungen der Kurven.

Unter dem Namen Polyglycol wurde absichtlich eine Vielzahl verschiedener Verbindungen dargestellt, denen ein einheitlicher Siedepunkt von 360° C zugeteilt wurde, da die Siedepunkte der Verbindungen bekanntlich über 350° C liegen. In der Praxis ist dieser Teil der Kurve dem jeweils gewählten Polyglycol anzupassen.

Mit Hilfe einer den in den Fign. 3 und 4 gezeigten Kurven ähnlichen Kurve kann man jedoch genau die entsprechenden Mengenteile eines jeden Alkohols ermitteln, der bei verschiedenen Temperaturen des Zyklus verwendet werden soll.

In Fig. 5 ist das Verhalten eines möglichen Bindemittels für den in Fig. 1 gezeigten thermischen Zyklus wiedergegeben. Daraus geht folgende Zusammensetzung des Bindemittels hervor:

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24 % Methanol (1)

13 % Isopropanol (3)

29 % Butylglycol (7)

31 % Polyglycol "400" (14)

Bei der etwas einfacheren Auswahl der Aktivierungsmittel wurde
z.B. berechnet, daß die Konzentration von Dimethylaminchlorohydrat zwischen 1,6 und 46 Gramm pro Liter liegen mußte, was einer Chlorkonzentration zwischen 0,7 und 20 Gramm pro Liter entspricht. Die endgültige Auswahl wird jedoch, wie bereits gesagt, aufgrund von
Versuchen getroffen. So erzielte man z.B. auch bei einer berechneten Konzentration zwischen 25 und 75 Gramm pro Liter Weinsäure die gewünschten Ergebnisse. Die errechneten Ergebnisse wurden in Versuchen überprüft, in welchem man die Konzentrationen im festgelegten Bereich so lange veränderte, bis sich folgende Formeln ergaben:

	% Volumen	I Siedepunkte	g/cnr	Dampf druck mm Hg bei 20° C	Visco- si tat cps	Misch barkeit od.Lös lichkeit in Wasser
Bindemittel	24 13 , 29 31	64,7 82.4 171.2 y 350°	0.792 0.787 0.902 1.125	99.5 32.5 0.60 9xlO"⁵ (100°)	-0.55 2.15 6.4 6.5-8.2	Total Total Total Total
Methanol Isopropanol Butylglycol Polyäthylen	g/l	Schmelz punkt				wasser löslich
Aktivierungs mittel	50 6,25	170 171				139 % 369 %
Weinsäure Hydrochlorid- dimethylamin

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- 10 Dieses Flußmittel entspricht folgender Zusammensetzung:

Zusammensetzung

fester Bestandteil 5.80 Gewichtsproz. Lösungsbestandteil 9*t Gewichtsproz. Chlor-Ionen 2.6g/l - 0.2 (O.O75N)

Physik. Eigenschaften

Druck O.965 5 0.010 g/em³

Viskosität 6+1 cps

Oberflächenspg. < 25 dyn/cm.

Die Löslichkeit des Restes des Flußmittels nach dem Löten wurde ebenfalls untersucht. Nach dem Löten und vor dem Reinigen bleibt der verbleibende Film flüssig und zeigt keinerlei feste Rückstände oder Kristalle der Aktivatoren.

Die Reinigung erfolgt z.B. in. destilliertem Wasser mit einem Widerstand über 0,5 M^, das auf 60° C angewärmt und durch Druckluft umgewälzt wird. Unter diesen Bedingungen werden die Rückstände des Flußmittels in einer Minute vollkommen beseitigt und die verbleibende Konzentration von Cl-Ionen liegt immer unter der Hälfte des vorgeschriebenen Wertes. Dieser Wert wird durch verlängertes Reinigen nicht herabgesetzt. Die auf der Karte verbleibende Cl-Konzentration ist außerdem bei einem konstanten Reinigungszyklus unabhängig von der Konzentration des Flußmittels aufgrund der großen Löslichkeit des Flußmittels.

Auö der nachfolgenden Tabelle sind die Vorteile des vorliegenden gegenüber herkömmlichen Verfahren zu ersehen bei denen Flußmittel verwendet werden, in denen Harze als Aktivierungsmittel benutzt werden.

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*	bekannte Verfahren	Verfahren der Erfindung	n. r	k/ Enfällt 3/ Destilliertes Wasser
Flußmittel	Aktiviertes Harz Cl. = 5.6 g/l	Derselbe Aktivator ohne Harz Cl. = 2.6 g/l	1) 90 sek.) (f=500.000 2) 90 sek.)	1) 90 sek.) (f=500.000ß 2) 90 sek.)
Vorwärmen	Infrarotstrahlung t° um 90° C	Infrarotstrahlung t° um 90° C
lötmittel	Eutekt. Sn/Pb t° 260° C	Eutekt. Sn/Pb t° 260° C
Reinigen	A/ Chlorides Lösungs mittel
1) 90 sek.) Debit 2) 90 sek.) 3.8l/mi 3> 90 sek. B/ Destilliertes Wasse

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Flußmittels, insbesondere zu Lötarbeiten an kleinsten elektronischen Bauteilen und auf gedruckten Schaltkarten, dadurch gekennzeichnet, daß Bindemittel und Aktivatoren miteinander gemischt werden, deren Löslichkeit im Wasser und Mischbarkeit zueinander reziprok sind.

2. Flußmittel nach dem Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 24 Volumenprozent Methanol, 13 Volumenprozent Isopropanol, 29 Volumenprozent Butylglycol, 31 Volumenprozent PoIyäthylenglycol, 50 Gramm pro Liter Weinsäure und 6,25 Gramm pro Liter Dimethylaminhydrochlorid.

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