DE1953218B2 - Verfahren zur herstellung eines wasserloeslichen flussmittels zum loeten - Google Patents

Description

thermischen Zyklus eines

elektronische Bauteile, g ^^^ ^ _{S]edepunkte der ver}.

_Losungsmitlel und die Temperaturen in

? Flußmittel nach ^em Verfahren spruch \ gekennzeichnet durch 24 V olumenprozent Methanol, 13'Volumenprozent isopropanol, 29 Volumenprozent Butylgl^col, 31 Volumenprozentfolyäthylenglycol, 50 Gramm pro Liter Weinsäure und 6,25 Gramm pro Liter Dimethylammhydrochlorid.

ΐ& ernes Lotmttels , Temperatur für verschiedene Mi-

_holen

^h^ _{fungskurven für andere}

F i 3 gezeigten und

g J ^

Die vorliegende Erfindung betrifft: ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen F ußmittels und das auf diese Weise gewonnene Flußmitte , msbesondere für Lötarbeiten an kleinsten elektronischen Bauteilen und auf gedruckten Schaltkarten. Beim Weichlöten elektrischer Verbindungen ist es .m allgememen notwendig, Flußmittel zu verwenden, um das zu lötende Metall zu reinigen und für ein gutes Haften des a ^
schungen von_e

'Lösungsmittel

_&^*_{n Losungsm}ittels.

Bei der Beschreibung der Erfindung wird die Verwendung eines herkömmlichen Lotautomaten vorausgesetzt, dessen thermischer Zyklus in der Kurve der I i 1 dtellt ist. Auf der Abszisse ist die Zeit, auf P£*gS ¹J₆ Temperaturen aufgetragen. Die dem Koordinatenursprung und dem SU 2 Sekunden.

geht hervor, daß die Lötoperation eSi Stufen oder Absätzen zuzwar aus einer Flußstufe bei einer des Zeitabschnittes des Zeitabschnittes

«5

30

standenen Rücfatärde mU_s«n sich nach dem Lojypr- 3S Abschnitt £F und der

nahe bei dem Schmelzpunkt des Lötmetalls liegt. Diese Lötpaste hat jedoch den Nachteil, daß sie.leben dem Flußmittel auch das Lötmetall beinhaltet und daß als Flußmittel Kolophonium verwendet wird, das den as Reinigungsprozeß nach dem Lötvorgang wesentlich verlängert. Außerdem haben die in dieser Lötpaste angewendeten Flußmittel den Nachteil, daß der Tempe-Faturbereich, 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

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 VoIussr&szs

Das nichtharzige
m.tteln und
Wasser-und
F ußm; es
Flußmittels,

muß ^^^^,^^
hegt auf einem höhere* Grad

Konzentration von C -Ionen

besteht aus Binde-

Bestandteile des

der

schwacheren

Die

soll möglichst groß sein. Bsrohrungszeit und menge sollen so klein wie möglich sein, um die Schal hingen zu reinigen.

Nach der Definition
Untersuchung/^.^^a des m Wasser und der.^»8;^"^^ f^as führen direkt zur Untersuchung der Teile: fur₍ das

Bindemittel, die der Familie' .^"f*™^⁰^¹ nahe kommen das heiß , «nweiti^n ^oder ™^ehj; wert.gen Alkoho en. Sdbstverstandhch «nd_dabe. die festen höheren Alkohole ""d Alkohole mit begrenzter Löslichke.t ausgeschlossen. Die Liste «t " wh stegenden Siedepunkten oder abfallender Verdampfungsgeschwindigkeit geordnet, und die letzte AussahI erfolgte nach dem Grad der reziproken Mischbarkeit. Daraus ergibt sich die nachfolgende Tabelle der verschiedenen Alkohole:

	1 19	53 218	Dichte	4
	3 '			Dampfdruck in nun
Ref. Nr.	Name	Siedepunkt	0,792	bei 200C
		0C	0,789	99,5
1	Methanol	64,7	0,787	78,4
2	Ethanol	78,3	0,810	32,5
"3	Isopropanol	82,4	0,965	9
4	N-Butanol	117,7	0,931	7,4
5	Methylglycol	124,5	0,902	3,8
6	Ethylglycol	135,1	1,020	0,60
7 -	Butylglycol	171,2	1,115	0,20
8	Methyldiäthylenglycol	193,6	0,990	0,12
9	Äthylenglycol	497,2	1,025	0,12
10	Äthyldiglycol	201,9	1,118	0,01
11	Dipropylenglycol	232	1,125	0,01
12	Diäthylenglycol	245	1,125	0,01
13	Triäthylenglycol	287,4		9-10-8 (1000C)
14	Polyäthylenglycol »400«	350°

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 enthält. 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 Berücksichtigung 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 F i g. 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 Butylgjycol)

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

Das Aktivierungsmittel sollte nach demselben Prinzip auf einfachere Art ausgewählt werden. Als Aktivierungsmittel kommen drei Bestandteile in Frage, und zwar Dimethylamine Hydrochloride, Äthylamine Hydrochloride und Monoäthanolamine Hydrochloride.

Es wurde der erste Bestandteil gewählt, da seine Verwendung herkömmlich und die Aktivität sowie seine thermische Stabilität und seine hohe Löslichkeit bekannt ist. In ähnlicher Weise wurden in der obenerwähnten 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.

Die F i g. 3 und 4 zeigen das Verhalten verschiedener Alkoholmischungen bei ansteigender Temperatur. So zeigt in Fig. 3 die GruppeA den Verdampfungsprozentsatz eines Gemische aus 70% Methanol und 30% Butylglycol als Funktion der Temperatur. Aus dieser Kurve geht hervor, daß von dem Bindemittel bis zu 6O⁰C praktisch nichts verdampft und das Methanol ab 64,7 ⁰C schnell zu verdampfen beginnt, so daß nur Butylglycol übrigbleibt. Wenn die Temperatur von 65 bis 170⁰C angehoben wird, erfolgt keine VerdaniD-fung. Bei Erreichen von 171,4°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:

Fig. 3:
Kurve B:

Isopropanol (3) 70%,
Butylglycol (7) 30%,
Absätze bei 82,4 und 171,2°C.

Kurve C:

Isopropanol (3) 20%,
N-Butanol (4) 50%,
Butylglycol (7) 30%,
Absätze bei 82,4, 117,7, 171,2°C.

Kurve D:

Isopropanol (3) 20%, N-Butanol (4) 35%, Butylglycol (7) 45%, Absätze wie Kurve C.

Fig. 4
Kurve A:

Isopropanol (3) 50%, Polyglycol (14) 50%, Absätze wie bei 82,4 und 360⁰C.

Kurve B:

Isopropanol (3) 35 %, Polyglycol (14) 65%, Absätze wie bei Kurve A.

Kurve C:

Isopropanol (3) 35%, Butylglycol (7) 15%, Polyglycol (14) 50%, Absätze wie bei 82,4, 171,2 und 360^uC.

Kurve D:

Isopropanol (3) 20%, N-Butanol (4) 15%, Butylglycol (7) 15%, Polyglycol (14) 50%, Absätze bei 82,4, 117,7, 171,2 und 360⁰C.

Zu dieser Aufstellung sind zwei Punkte zu ergänzen. Die in den Kurven aufgetragenen senkrechten Teile sind fiktiv, 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 Alkohols 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 360⁰C zugeteilt wurde, da die Siedepunkte der Verbindungen bekanntlich

ίο über 350°C liegen. In der Praxis ist dieser Teil der Kurve dem jeweils gewählten Polyglycol anzupassen.

Mit Hilfe einer den in den F i g. 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 F i g. 5 ist das Verhalten eines möglichen Bindemittels für den in F i g. 1 gezeigten thermischen Zyklus wiedergegeben. Daraus geht folgende Zusammen-

ao setzung des Bindemittels hervor:

24% Methanol (1)
13% Isopropanol (3)
29% Butylglycol (7)
*5 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 errecnneten Ergebnisse wurden in Versuchen überprüft, in welchem man die Konzentrationen im festgelegten Bereich so lange veränderte, bis sich folgende Formeln ergaben:

Volumen	Siedepunkte	Dampfdruck	Viscosität	Misch
		mm Hg bei		barkeit
		20°C		od. Lös
				lichkeit
%	0C g/cm"		cps	in Wasser

Bindemittel

171*2 0902- '0,60 6,4

„- w Methanol -■*· ■--

Schmelz punki

* 170 =

Hvdrochlpnd

■pncht ^folgender Zusammensetzung ·

0,55	Tola!
2,15	Total
6,4	Total
	2 T5tSl
	was er
	IbMiCh h.
	139% ^fTn ην
	if- -

ObcfflSEnenspannünÄ <25 üjnlcS

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 Ω, das auf 60⁰C 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.

Aus der nachfolgenden T ibelle sind die Vorteile des

vorliegenden gegenüber tv rköm nlichen Verfahrens zu

ίο ersehen, bei denen Flußmittel verwendet werden, in denen Harze als Aktivierungsmittel benutzt werden.

Bekannte Verfahren

Verfahren der Erfindung

Flußmittel Aktiviertes Harz
Cl. = 5,6 g/l

Vorwärmen Infrarotstrahlung
t° um 90⁰C

Lötmittel Eutekt. Sn/Pb

t° 260⁰C

Reinigen A. Chlorides Lösungsmittel

1) 90 Sek.-i Debit

2) 90 Sek./ 3,81/Min.

3) 90 Sek.

B. Destilliertes Wasser

1) 90 Sek.)

2) 90 Sek.

Wf = 500 0000 Derselbe Aktivator ohne Harz
Cl. = 2,6 g/l

Infrarotstrahlung
t" um 90° C

Eutekt. Sn/Pb
f° 260⁰C

A. Entfällt

B. Destilliertes Wasser

1) 90 Sek.]

\ (f = 500 000Ω

2) 90 Sek.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

~2j«e.

«._V

?Ä^%ä

■^Λ^ΐ VIs.^, ^

'Zi

V=

-¹ jf

Ν ^

tp'

■>■>-»

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   >£ Verfahrend Hersteilungfeines wasserlösliehen Flußmittels; insbesondere zu Lötarbeiten an

   ^klefnsten elektronischen bauteilen, und auf gedruckten Schaltkarten, dadurch gekenn-ζ e i c h n> t, daß Bindemittel und Autoren miteinander gemischt werden, deren Löslichkeit im Wasser und Mischbarkeit zueinander reziprok

   menUzent Isoproparlol, 29 Volumenprozent Butyl-SS 31 Volumenprozent Polyäthylengljcol, 50 GrammproLiter Weinsäure und 6,25 Gramm pro

   ά^^^η anhand eines _{und der} Zeichnungen näher er-