DE1953218C3 - Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Flußmittels zum Löten - Google Patents

Description

	19	3	53 218	(	Dichte	4
	Name			Dampfdruck in mm
Ref. Nr.		Siedepunkt	0,792	bei 20'C
	Methanol	C	0,789	99,5
1	Ethanol	64,7	0,787	78,4
2	Isopropanol	78,3	0,810	32,5
3	N-Butanol	82,4	0,965	9
4	Methylglycol	117,7	0,931	7,4
5	Ethylglycol	124,5	0,902	3,8
6	Butylglyco!	135,1	1,020	0,60
7	Methyldiäthylenglycol	171,2	1,115	0,20
8	Äthylenglycol	193,6	0,990	0,12
9	Äthyldiglycol	197,2	1,025	0,12
10	Dipropylenglycol	201,9	1,118	0,01
11	Diäthylenglycol	232	1,125	0,01
12	Triäthylenglycol	245	1,125	0,01
13	Polyäthylenglycoi »400«	287,4		9 · 10-5 (1000C)
14	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 uiid 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 Temperaluren für Fließen, Vorwärmen und Löten der Maschine sinH 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:

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 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 6O⁰C praktisch nichts verdampft und das Methanol ab 64,7°C schnell zu verdampfen beginnt, so daß nur Butylglycol übrigbleibt. Wenn die Temperatur von 65 bis 170°C angehoben wird, erfolgt keine VerdaniD-fung. Bei Erreichen von 171,4⁰C verdampft Butylglycol schnell und es bleibt kein Bindemittel zurück. Die anderen Kurven entsprechen anderen Mischungen, wobei die horizontalen Teile der Verdampfungskurven folgenden Zusammensetzungen entsprechen:

Kategorie 1: Bestandteile Nr. 1 und Nr. 3 (Methanol

und Isopropanol)

Kategorie 2: Bestandteile Nr. 4 und Nr. 7 (N-Butanol und Butylglycol)

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

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%,
Buty.glycol (7) 30%,
Absätze bei 82,4, 117,7, 171,2 C.

Kurve D:

Isopropanol (3) 20%, N-Butanol (4) 35",,, Butylglycol (7) 45¹V₁',, Absätze wie Kurve C

Fig. 4

Kurve A:

Isopropanol (3) 50%, Polyglycol (14) 50';;,, Absätze wie bei 82,4 und 360" C.

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 C.

Kurve D:

Isopropanol (3) 20%, N-Butanol (4) 15%. Butylglycol (7) 15".,',, Polyglycol (14) 50%,

Absätze bei 82.4. 117,7, 171,2 und 360 C.

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 Temperatui 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 360° C 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 Fig. 5 ist das Verhalten eines möglichen Bindemittels für den in F i g. 1 gezeigten thermischen Zyklus wiedergegeben. Daraus geht folgende Zusammensetzung des Bindemittels hervor:

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 Siedepunkte

7» g/cm^;'

Dampfdruck Viscosität
mm Hg bei
20 C

cps

Mischbarkeit
od. Löslichkeit
in Wasser

Bindemittel

Methanol 24 64,7

Isopropanol 13 82,4

Bulylglycol 29 171.2

Polyäthylen 31 -350'

Aklivierungsmiltel g/l Schmelzpunkt

Weinsäure 50

llydrochlorid- 6,25 dimethylamin 0,792
0,787
0,902

1,125

99,5

32,5
0,60

9 · 10 ⁶
(100")

0,55

2,15

6,4

6,5 — 8,2

Total
Total
Total
Total

wasserlöslich

139"·'
369%,

Dieses Flußmittel entspricht folgender Zusammensetzung:

/usa in men setz u ng

I ester Bestandteil ... 5.80 ('icwichtsprozent I ösungsbcstandk'il . . 94 (icwichisprozcnt Chlor-Ionen 2.6 μ I 0.2 (0,075 N)

Physikalische Eigenschaften

Druck 0,965 i 0.010 g/cm·¹

Viskosität 6 I I cps

Oberflächenspannung ■ 25 dyn/cni

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 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-lonen liegt

immer unter der Hälfte des vorgeschriebenen Wertes, Dieser Wert wird durch verlängertes Reinigen nicht herabgesetzt. Die auf der Karte verbleibende C 1-Kon-/.duration ist außerdem bei einem konstanten Reini· gungszyklus unabhängig von der Konzentration de; Flußmittels aufgrund der großen Löslichkeit de; Flußmittels.

Aus der nachfolgenden T 'belle sind die Vorteile de:

vorliegenden gegenüber Ii rköni llichcn Verfahrens zi

ίο ersehen, bei denen Flußmittel v;rwendet werden, ir denen Harze als Aktivicrungsniittel benutzt werden

Bekannte Verfahren

Verfahren der Erfindung

Flußmittel Aktiviertes Harz

Cl. = 5,6 g/l

Vorwärmen Infrarotstrahlung
f° um 90"C

Lötmittel Eutekt. Sn/Pb

e 26O⁰C

Reinigen A. Chlorides Lösungsmittel

1) 90 Sek. ι Debit

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

3) 90 Sek.

B. Destilliertes Wasser
L) 90 Sek. j

(f - 500 000 U 2) 90 Sek. 1

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

Infrarotstrahlung
Γ um 9O⁰C

Eutekt. Sn/Pb
t° 260⁰C

A. Entfällt

B. Destilliertes Wasser

OCIV.

2) 90 Sek.

(f - 500 000 Ω

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

/03 ()3ö/

Claims (2)

menprozent Isopropanol, 29 Volumenprozent Butyl- Patentansprüche: glycol, 31 Volumenprozent Polyäthylenglycol, 50 Gramm pro Liter Weinsäure und 6,25 Gramm pro

1. Verfahren zur Herstellung eines wasserlös- Liter Dimethylaminhydrochlorid. ... liehen Flußmittels, insbesondere zu Lötarbeiten an 5 Die Erfindung wird im folgenden anhand e.nes kleinsten elektronischen Bauteilen und auf ge- Ausführungsbeispieles und der Zeichnungen naher erdruckten Schaltkarten, dadurch gekenn- klärt. Es zeigt

zeichnet, daß Bindemittel und Aktivatoren F i g. 1 in einer Kurve den thermischen Zyklus e.nes miteinander gemischt werden, deren Löslichkeit im Lötautomaten für elektronische Bauteile, Wasser und Mischbarkeit zueinander reziprok io F i g. 2 in einer Tabelle die Siedepunkte der versind, schiedenen Lösungsmittel und die Temperaturen in

2. Flußmittel nach dem Verfahren nach An- den verschiedenen Lötphasen,

spruch 1, gekennzeichnet durch 24 Volumenpro- Fig. 3 die Verdampfungskurven eines Lot nittels

zent Methanol, 13 Volumenprozent Is&propanol, als Funktion der Temperatur fur verschiedene Mi-

29 Volumenprozent Butylglycol, 31 Volumeripro- 15 schungen von Alkoholen,

zent Polyäthylenglycol, 50 Gramm pro Liter Wein- F i g. 4 weitere Verdampfungskurven für andere

säure und 6,25 Gramm pro Liter Dimethvlamin- Lösungsmittel als die in F 1 g. 3 gezeigten und

hydrochlorid. F i g. 5 die Verdampfungskurve eines ernndungs-

gemäßen Lösungsmittels.

_ao. Bei der Beschreibung der Erfindung wird die Verwendung eines herkömmlichen Lötautomaten vorausgesetzt, dessen thermischer Zyklus in der Kurve der

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren F i g. 1 dargestellt ist. Auf der Abszisse ist die Zeit, auf

zur Herstellung eines wasserlöslichen Flußmittels und der Ordinate sind die Temperaturen aufgetragen. Die

das auf diese Weise gewonnene Flußmittel, insbeson- 35 Zeit zwischen dem Koordinatenursprung und dem

dere für Lötarbeiten an kleinsten elektronischen Bau- Punkt A beträgt etwa 2 Sekunden,

teilen und auf gedruckten Schaltkarien. Beim Weich- Aus dieser Kurve geht hervor, daß die Lötoperation

löten elektrischer Verbindungen ist es im allgemeinen sich aus verschiedenen Stufen oder Absätzen zu-

notwendig, Flußmittel zu verwenden, um das zu sammensetzt, und zwar aus einer Flußstufe bei einer

lötende Metall zu reinigen und für ein gutes Haften des 30 Temperatur von 20° C während des Zeitabschnittes

Lötmittels vorzubereiten. Außerdem müssen die Löt- AB, einer Vorwärmstufe während des Zeitabschnittes

flußmiltel die beim Lötvorgang auftretenden Tempe- CD, in der die Schaltkarte von 20 auf HO⁰C vorge-

raturen aushalten, das heißt, sie dürfen keine korro- wärmt wird, einer weiteren Stufe der leichten Ab-

sionswirksamen Rückstände bilden, und die ent- kühlung während des Zeitabschnittes DE, der eigent-

standenen Rückstände müssen sich nach dem Lötvor- 35 liehen Lötstufe bei einer Temperatur von 242" C in dem

gang leicht entfernen lassen. Um diese Nachteile zu ' ungefähr 2,2 Sekunden langen Abschnitt EF und der

beseitigen, wurde in der deutschen Patentschrift abschließenden Stufe der progressiven Abkühlung

Il 00 428 vorgeschlagen, eine Weichlotpaste zu ver- während der Zeit FG und über G hinaus,

wenden, bei der der Siedepunkt des Lösungsmittels Die Flußoperation sollte wegen der einfacheren

oder des Lösungsmittelgemischs für das Kolophonium 40 Reinigung mit einem wasserlöslichen Flußmittel aus-

und die Aktivatoren so gewählt ist, daß er möglichst geführt werden, dessen Eigenschaften nachfolgend

nahe bei dem Schmelzpunkt des Lötmetalls liegt. definiert werden.

Diese Lötpaste hat jedoch den Nachteil, daß sie neben Das nichtharzige Flußmittel besteht aus Bindedem Flußmittel auch das Lötmetall beinhaltet und daß mitteln und Aktivierungsmitteln. Die Löslichkeit in als Flußmittel Kolophonium verwendet wird, das den 4:5 Wasser und die Mischbarkeit aller Bestandteile des Reinigungsprozeß nach dem Lötvorgang wesentlich Flußmittels sind zueinander reziprok. Der Teil des verlängert. Außerdem haben die in dieser Lötpaste an- Flußmittels, der nach der Erwärmung zurückbleibt, gewendeten Flußmittel den Nachteil, daß der Tempe- muß vollkommen wasserlöslich sein, Die Aktivität raturbereich, in dem sie verwendet werden können, liegt auf einem höheren Grad bei einer schwächeren sehr schmal ist, so daß sie auf die Kontaktmetalle 50 Konzentration von Cl-lonen. Die Stabilität bei der häufig einen korrodierenden Einfluß ausüben, insbe- Lagerung, der Benutzung und im thermischen Zyklus sondere wenn das Flußmiltel als Rückstand zurück- soll möglichst groß sein. Berührungszeit und Wasserbleibt, was in der Fertigung nicht ganz zu vermeiden menge sollen so klein wie möglich sein, um die Schalist, tungen zu reinigen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, 5« Nach der Definition eines Flußmittels folgt die

ein wasserlösliches Flußmittel sowie ein Verfahren zur Untersuchung dieser Eigenschaften. Die Löslichkeil

Herstellung desselben zu schaffen, um beim auto- in Wasser und der flüssige Zustand des Flußmittel!

matisierten Lötvorgang, insbesondere beim Löten führen direkt zur Untersuchung der Teile für das

integrierter Schaltkreise, sehr leicht lösliche, nicht Bindemittel, die der Familie des Wassers möglichsl

korrodierende Rückstände zu haben und damit die 60 nahe kommen, das heißt, einwertigen oder mehr-

Reinigungszyklen wesentlich zu verkürzen. wertigen Alkoholen. Selbstverständlich sind dabei die

Das erfiiidungsgemäße Verfahren zur Herstellung festen höheren Alkohole und Alkohole mit begrenzte:

eines wasserlöslichen Flußmittels ist dadurch charakte- Löslichkeit ausgeschlossen. Die Liste ist nach steigen·

risiert, daß Bindemittel und Aktivatoren miteinander den Siedepunkten oder abfallender Verdampfungs

gemischt werden, deren Löslichkeit im Wasser und 65 geschwindigkeit geordnei, und die letzte Auswahl er

Mischbarkeit zueinander reziprok sind. folgte nach dem Grac". der reziproken Mischbarkeit

Das nach diesem Verfahren hergestellte Flußmittel Daraus ergibt sich die nachfolgende Tabelle der ver

besteht aus 24 Volumenprozent Methanol, 13 VoIu- schiedenen Alkohole: