DE19728014A1 - Verfahren zum Weichlöten von Metallen und Weichlot zur Ausführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Weichlöten von Metallen und Weichlot zur Ausführung dieses VerfahrensInfo
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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:
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%.
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.
Als organische Komponente eignet sich zum Beispiel ein Zusatz
von bis zu 30% n-Nonan zum Binder.
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.
Ein Reagenz, das gleichzeitig Flußmittel bzw. Flußmittelkom
ponente sein kann, ist n-Nonan.
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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