DE19728014A1 - Verfahren zum Weichlöten von Metallen und Weichlot zur Ausführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Weichlöten von Metallen und Weichlot zur Ausführung dieses Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Weichlot nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 19.
In der Weichlöttechnik wurden bisher fast ausschließlich eu­ tektische Lote verwendet, die auf den Legierungen SnPb, SnpbAg und SnAg aufbauen. Für spezielle Anwendungen gibt es auch Sonderlote, bei denen es sich aber wiederum um Legierun­ gen handelt, die mit anderen Metallkomponenten eutektisch und zum Teil auch außereutektisch reagieren. Es bestehen auch Be­ strebungen, Blei und andere Metalle zu substituieren. Brauch­ bare, allgemein anwendbare Lösungen für die großtechnische Anwendung im relevanten Temperaturbereich gibt es jedoch nicht.
Es sind auch schon Dispersions- und/oder Reaktionslote be­ kannt geworden, bei denen durch Einbringung von Dispersoiden eine Verfestigung der Lötstelle erreicht werden soll. Als Dispersoide werden vorzugsweise Metalloxide, intermetallische Phasen und Nichtmetalle verwendet. Aus der WO 94/27777 ist ein Lot bekannt, das auf Verwendung einer Lotpaste mit den metallischen Partnern SnBi einerseits und Ag oder Au anderer­ seits beruht.
Alle bekannten Lösungen sehen entweder bekannte Weichlotle­ gierungen mit deren als unzureichend erkannten Temperaturfe­ stigkeiten vor, oder es müssen zur Herstellung der Lötverbin­ dung wesentlich höhere Prozeßtemperaturen verwendet werden.
Aufgrund der sich ständig erhöhenden Leistungsdichte in der miniaturisierten Elektronik sind Einsatztemperaturen im Grö­ ßenbereich von 150°C durchaus üblich. Die Werte tendieren aufgrund der höheren Verlustleistung innerhalb der hochinte­ grierten Bausteine und der Umgebungsbedingungen weiter nach oben. Andererseits sind etliche Baugruppen hinsichtlich der Spitzentemperatur sehr empfindlich. Dadurch sind der Löttem­ peratur bei der Herstellung der Baugruppen enge Grenzen ge­ setzt.
Die üblichen Weichlote auf der Basis Snpb schmelzen je nach Legierungszusammensetzung im Temperaturbereich von 183°C bis etwa 210°C. Die Arbeitstemperaturen während des Lötprozesses liegen im Normalfall etwa 50°K oberhalb dieser Schmelztempe­ raturen, so daß in den bekannten Reflow-Verfahren Spitzentem­ peraturen zwischen 230°C und 260°C vorliegen, denen die ge­ samte Baugruppe, an der die Lötung stattfindet, voll ausge­ setzt ist. Allein bei den Haftvermittlern zwischen den Lami­ naten der Leiterplatten treten hier äußerst schädliche und die Qualität beeinträchtigende Zersetzungserscheinungen auf. Für die elektronischen Komponenten werden häufig schon nied­ rigere Temperaturen als kritisch eingestuft. Es bestehen so­ mit keine Möglichkeiten für den Einsatz höherschmelzender Lo­ te.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Weichlot der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit de­ nen eine erhöhte Schmelztemperatur aufweisende Weichlote ver­ wendet werden können, ohne daß eine entsprechende Erhitzung der Lötstelle von außen erfolgen muß.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der kennzeichnen­ den Teile der Patentansprüche 1 und 19 vorgesehen.
Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß das z. B. in Form einer Lotpaste an die Lötstelle gebrachte Weichlot aufgrund des Vorhandenseins der erfindungsgemäßen Reaktions­ komponente nur auf eine deutlich unterhalb der Schmelztempe­ ratur liegende Auslösetemperatur erhitzt werden muß, worauf die Reaktionskomponente mit der weiteren Komponente exotherm reagiert und das Lot auf diese Weise konzentriert, d. h. auf engstem Raum auf die Schmelztemperatur erhitzt wird. Auf die­ se Weise wird der räumliche Bereich der für das Schmelzen er­ forderlichen Temperatur derart eingeengt, daß insbesondere die auf einer Leiterplatte befindlichen empfindlichen elek­ tronischen Bauelemente, deren Anschlüsse zu verlöten sind, wesentlich weniger erhitzt werden als bei einer herkömmlichen Lötung, wo die gesamte für das Schmelzen des Weichlots erfor­ derliche Wärme von außen zugeführt werden muß.
Vorteilhafte Auslösetemperaturen sind Anspruch 2 oder 20 und vorteilhafte Differenzen zwischen Löt- und Auslösungstempera­ tur Anspruch 3 oder 21 zu entnehmen.
Eine besonders bevorzugte Einbringung der Reaktionskomponente in das Weichlot ist durch Anspruch 4 oder 22 definiert.
Nach Anspruch 5 oder 23 soll die Reaktionskomponente bevor­ zugt ein Metall oder eine Legierung sein. Eine vorteilhafte praktische Weiterbildung dieser Ausführung entnimmt man An­ spruch 6 oder 24, wobei die Mengenverhältnisse zweckmäßiger­ weise nach Anspruch 7 oder 25 gewählt werden.
Nach den Ansprüchen 8 und 9 oder 26 und 27 kann die Reakti­ onskomponente auch ein organisches oder anorganisches Metall­ salz sein.
Schließlich kommt nach den Ansprüchen 10 und 11 oder 28 und 29 als Reaktionskomponente auch ein metallfreies Reagenz in Betracht.
Wenn auch grundsätzlich für die exotherme Reaktion besondere Komponenten im Weichlot vorgesehen sein können, ist es nach Anspruch 12 oder 30 doch bevorzugt, wenn die Reaktionskompo­ nente mit einem Teil des Weichlotes exotherm reagiert.
Von besonderem Vorteil ist eine kaskadenartige Reaktion gemäß Anspruch 13 oder 31, wonach jeweils eine bestimmte exotherme Reaktion eine weitere Reaktion auslöst, so daß die Temperatur des Weichlots gezielt gesteuert erhöht oder auf einem be­ stimmten gewünschten Niveau gehalten werden kann. Eine bevor­ zugte praktische Ausführungsform entnimmt man Anspruch 14 oder 32.
Der erfindungsgemäße Kaskadeneffekt beruht darauf, daß durch die durch die erste Reaktion hervorgerufene erhöhte Tempera­ tur die Reaktion weiterer Komponenten des Lotes bewirkt wird, bei der wiederum exotherme Energie freigesetzt wird. Dieser Effekt kann bereits in Temperaturbereichen für niedrigschmel­ zende Lote eingeleitet werden. Besonders durch die Ausnutzung dieses Kaskadeneffekts wird es möglich, bei erhöhter Tempera­ turfestigkeit der Lötstelle die Auslösetemperatur noch weiter zu reduzieren.
Nach Anspruch 15 oder 33 erfüllt die Reaktionskomponente zu­ sätzlich die Funktion eines Flußmittels oder Flußmittelbe­ standteiles für das verwendete Weichlot. Eine praktische Rea­ lisierung dieser Ausführung entnimmt man Anspruch 16 oder 34.
Nach den Ansprüchen 19 und 20 oder 35 und 36 können an der exothermen Reaktion auch die metallen Komponenten der zu fü­ genden Bauteile teilnehmen.
Auch in diesem Falle besteht der Erfindungsgedanke darin, daß die für den eigentlichen Lötprozeß erforderliche höchste Tem­ peratur lediglich unmittelbar an den zu fügenden Bauteilen entsteht, die Umgebung dieser Bauteile jedoch von Überhitzun­ gen weitgehend verschont wird.
Die erfindungsgemäßen Weichlote gewährleisten aufgrund ihrer Reaktions- und/oder Legierungseigenschaften eine höhere Tem­ peraturfestigkeit der Lötverbindungen innerhalb der damit hergestellten Baugruppen. Ein wesentlicher Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Lote besteht darin, daß die Lötungen mit den üb­ lichen Methoden und Verfahren der bisherigen Weichlöttechnik hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß handelt es sich in erster Linie um Reaktions­ lote, bei denen zu den bekannten Reaktionsvorgängen zusätz­ lich exotherme Reaktionen eingeleitet werden. Dadurch tritt während des Lötvorganges eine lokale Temperaturerhöhung in der Lötstelle auf. Auf diese Weise können mit den bisher üb­ lichen Prozeßparametern der Weichlöttechnik, also im wesent­ lichen mit den bekannten Temperatur-Zeitfunktionen - weitere metallurgische Effekte erzielt werden, die zu wesentlich hö­ her belastbaren Lötverbindungen führen. Das betrifft vor al­ lem die Legierungs- und die eventuelle Phasenbildung inner­ halb der Reaktionsmetalle des Lotes selbst sowie zu den Me­ talloberflächen der zu fügenden Baugruppen.
Die Reaktionen mit der Reaktionskomponente sind mit den un­ mittelbar am Legierungsprozeß beteiligten metallischen Kompo­ nenten möglich. Zusätzlich oder statt dessen können dazu auch Additive verwendet werden, die nicht an der Legierungsbildung beteiligt sind.
Ein wesentlicher Erfindungsgedanke liegt darin begründet, daß sich dadurch Kaskadeneffekte aufbauen lassen. Dazu können Komponenten eingebaut werden, die als organische oder anorga­ nische Verbindungen exotherm reagieren, wodurch dann weitere Reaktionen ausgelöst werden. Es können ferner durch Einbrin­ gung weiterer Metalle sogenannte Starteutektika gebildet wer­ den, die durch ihre Benetzungseffekte die Reaktionen auslösen und beschleunigen. Die Komponenten dieser Starteutektika müs­ sen während des Fügevorganges in eine irreversible Reaktion zu den weiteren Komponenten des Lotes eintreten.
Für die Qualität der Lötstellen ist nicht allein die Schmelz­ temperatur des Lotes die ausschlaggebende Größe, sondern der homologe Temperaturfaktor Th, welcher wie folgt definiert ist:
TE ist dabei die Einsatztemperatur, die z. B. 150°C betragen kann. TS ist die Schmelztemperatur des Weichlotes.
Beispielsweise leitet sich für das übliche eutektische Snpb- Lot bei einer Einsatztemperatur von 150°C ein Th-Faktor von 0,92 ab. Erfindungsgemäß kann z. B. bei der exotherm reagie­ renden Lotzusammensetzung SnCu3Pd2 der Th-Faktor auf 0,84 herabgesetzt werden. Daraus ergibt sich eine deutlich verbes­ serte Temperaturstabilität der Lötverbindung.
Die bisher üblichen Weichlote sind weder in ihrer Ursprungs­ form noch in der Erweiterung als Dispersions- oder Verbundlo­ te verwendbar. Ausschlaggebend für deren mechanische Eigen­ schaften beim Einsatz unter erhöhten Temperaturen ist schließlich die Grundmatrix Snpb, SnPbAg oder SnAg mit den entsprechenden Schmelztemperaturen und den sich daraus ablei­ tenden homologen Temperaturen.
Eine erfindungsgemäße Ausführung für derartige Reaktionslote besteht darin, daß Pd im Herstellungsprozeß einer Lotpaste zu einer Reaktion mit dem darin enthaltenen Sn zugegeben wird. Während des Lötvorganges bildet Pd mit Sn intermetallische Phasen unter Freisetzung exothermer Energie. Dadurch ist bei­ spielsweise ein sicheres Aufschmelzen eines SnCu-Eutektikums bei üblichen Reflowtemperaturen möglich. Ein anderes Beispiel sieht vor, nicht oder nur bedingt an der Legierungsbildung beteiligte Komponenten zur Bildung der exothermen Reaktion als metallorganische oder metallanorganische Zusätze einzu­ binden. Dazu eignen sich beispielsweise Cu(II)-acetylacetonat oder entsprechende Fe-Verbindungen.
Die Reaktionspartner können in Pulverform zur Lötpastenher­ stellung verwendet werden. Es ist auch eine andere Formgebung möglich, beispielsweise als Draht und/oder Faserverbund. Ebenso ist ein Preßverbund für die Herstellung von Preforms oder anderen Formstücken möglich. Ein weiteres Beispiel sieht vor, den Verbund durch galvanischen und/oder chemischen Auf­ trag herzustellen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Beispiele er­ läutert:
Beispiel 1
Sehr feines Pd-Pulver wird zum Legierungspulver SnCu3 zuge­ mischt und homogenisiert. Anschließend werden Binder, Fluß- mittel und Metallpulver zu einer Lotpaste folgender Zusammen­ setzung vermischt: Sn95Cu3Pd2 (Angaben in Masse-%). Der Me­ tallgehalt der Paste liegt zwischen 80 und 90%.
Beispiel 2
Als Metallsalze mit exothermer Reaktion eignen sich Kup­ fer(II)-acetylacetonat, das bei ca. 247°C exotherm reagiert und/oder Kobalt(II)-acetylacetonat, das nutzbare Reaktionen bei ca. 235°C zeigt.
Beispiel 3
Als organische Komponente eignet sich zum Beispiel ein Zusatz von bis zu 30% n-Nonan zum Binder.
Beispiel 4
Als erste Reaktionskomponente wird dem Weichlot SnCu3Pd2 Blei zugegeben (0,7%). Dadurch verringert sich der Schmelzbeginn auf ca. 215°C, die exotherme Reaktion mit Pd beginnt. Durch die weitere Zugabe von ShAg3,5 mit einer Schmelztemperatur von 221°C kann die exotherme Reaktion durch Bereitstellung von metallischem Sn verstärkt fortgesetzt und das Lot zuver­ lässig aufgeschmolzen werden.
Beispiel 5
Ein Reagenz, das gleichzeitig Flußmittel bzw. Flußmittelkom­ ponente sein kann, ist n-Nonan.
Beispiel 6
Im Falle einer Pd-haltigen Bauteilmetallisierung bilden sich durch Reaktion mit Sn aus dem Lot zusätzliche intermetalli­ sche PdSn-Phasen, was zu einer Verstärkung des exothermen Ef­ fektes führt.

Claims (36)

1. Verfahren zum Weichlöten von Metallen an einer Lötstel­ le, bei dem ein durch Erhitzen an der Lötstelle verflüs­ sigtes Weichlot in Verbindung mit dem zu verbindenden Metall-Bauteilen gebracht wird und zur Herstellung einer festen Lötverbindung abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lötstelle wenigstens eine Reaktionskomponente zur Verfügung gestellt wird, die bei Erhitzung auf eine Auslösetemperatur mit wenigstens einer weiteren Kompo­ nente derart exotherm reagiert, daß in der Lötstelle ei­ ne lokale Temperaturerhöhung auf die Löttemperatur auf­ tritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösetemperatur 183°C bis 235°C, insbesondere etwa 221°C beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen lokaler Löt- und Auslösetem­ peratur etwa 80°K beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Weichlot, das bevorzugt als Lotpaste vorliegt, die Reaktionskomponente in fein verteilter Form zuge­ mischt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein Metall oder eine Legie­ rung (Start- bzw. Auslöseeutektikum) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Weichlot Zinn (Sn) enthält und z. B. aus SnCu oder SncuPb besteht, dadurch gekennzeichnet, daß dem Weichlot als Reaktionskomponente Palladium (Pd) und/oder ShAg3,5 (als Starteutektikum) zugemischt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pd-Gehalt im SnCu3 oder SnCu3Pb0,7 zwischen 1 und 5 Masse-% liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein organisches oder anorga­ nisches Metallsalz ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallsalz Cobalt(II)-acetylacetonat verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein metallfreies Reagenz ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das metallfreie Reagenz n-Nonan ist und vorzugsweise in einem Anteil bis 30% zugegeben wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente mit dem Weichlot bzw. wenig­ stens einer von deren Komponenten exotherm reagiert.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Reaktionskomponenten und/oder ein Weichlot bzw. eine Weichlotlegierung verwendet werden, bei deren Zusammenbringen nacheinander mehrere exotherme Reaktionen erfolgen, welche die erforderliche Löttempe­ ratur hervorrufen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionskomponenten Pd und SnAg3,5 und/oder als Weichlotlegierung Sncu oder Sncupb verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente gleichzeitig als Flußmittel oder Flußmittelkomponente verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente n-Nonan ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den exothermen Reaktionen auch die metallischen Komponenten der zu fügenden Metall-Bauteile teilnehmen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Sn aus dem Lot mit einer Pd-Metallisierung reagiert.
19. Weichlot für das Weichlöten von Metallen an einer Löt­ stelle, welches durch Erhitzen an der Lötstelle verflüs­ sigt und in Verbindung mit den zu verbindenden Metall- Bauteilen gebracht sowie zur Herstellung einer festen Lötverbindung abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lötstelle wenigstens eine Reaktionskomponente vorliegt, die bei Erhitzung auf eine Auslösetemperatur mit wenigstens einer weiteren Komponente derart exotherm reagiert, daß in der Lötstelle eine lokale Temperaturer­ höhung auf die Löttemperatur auftritt.
20. Weichlot nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösetemperatur 183°C bis 235°C, insbesondere etwa 221°C beträgt.
21. Weichlot nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen lokaler Löt- und Auslösetem­ peratur etwa 80°K beträgt.
22. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß es bevorzugt als Lotpaste vorliegt und die Reakti­ onskomponente in fein verteilter Form zugemischt ent­ hält.
23. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein Metall oder eine Legie­ rung (Start- bzw. Auslöseeutektikum) ist.
24. Weichlot nach Anspruch 23, welches Zinn (Sn) enthält und z. B. aus SnCu oder SnCuPb besteht, dadurch gekennzeichnet, daß es als Reaktionskomponente Palladium (Pd) und/oder SnAg3,5 (als Starteutektikum) zugemischt enthält.
25. Weichlot nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Pd-Gehalt im SnCu3 oder SnCu3Pb0,7 zwischen 1 und 5 Masse-% liegt.
26. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein organisches oder anorga­ nisches Metallsalz ist.
27. Weichlot nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallsalz Cobalt(II)-acetylacetonat verwendet wird.
28. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente ein metallfreies Reagenz ist.
29. Weichlot nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das metallfreie Reagenz n-Nonan ist und vorzugsweise in einem Anteil bis 30% zugegeben wird.
30. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente mit wenigstens einer der üb­ rigen Komponenten exotherm reagiert.
31. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Reaktionskomponenten enthält und beim Zusammenbringen nacheinander mehrere exotherme Re­ aktionen erfolgen, welche die erforderliche Löttempera­ tur hervorrufen.
32. Weichlot nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionskomponenten Pd und SnAg3,5 und/oder als Weichlotlegierung SnCu oder SnCuPb verwendet werden.
33. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente gleichzeitig ein Flußmittel oder eine Flußmittelkomponente darstellt.
34. Weichlot nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskomponente n-Nonan ist.
35. Weichlot nach einem der Ansprüche 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß an den exothermen Reaktionen auch die metallischen Komponenten der zu fügenden Metall-Bauteile teilnehmen.
36. Weichlot nach einem Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, Sn aus dem Lot mit einer Pd-Metallisierung reagiert.
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