DE19752215A1 - Lötverbindung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lötverbindung auf der Basis von Sn, die wenig­ stens eines der weiteren Legierungselemente Pb, Cu oder Ag aufweist.

Stand der Technik

Bei der Fertigung von elektronischen Baugruppen werden Weichlötverbindungen mit verschiedenen Wellen- bzw. Reflowlötverfahren unter Nutzung von qua­ si-eutektischen Weichloten wie z. B. Sn Pb-, SnAg- oder SnCu-Lote angewendet. Diese Fügetechnik setzt neben der erforderlichen Werkstoffkompatibilität des Lot­ werkstoffes hinsichtlich seiner Benetzbarkeit und Löslichkeit ebenso eine Begren­ zung der maximal zulässigen Löttemperatur voraus, die durch die Temperaturempfindlichkeit der zu lötenden Substratwerkstoffe sowie Bauelemente vorgegeben ist. Aus diesem Grunde können mit den bekannten Lötvarianten nur Weichlötverbindungen hergestellt werden, die nur bis zu einer Betriebstemperatur von etwa 85°C zuverlässig bis zum Lebensdauerende der elektrischen Komponen­ ten eingesetzt werden können.

Die Anwendung von für diese Betriebstemperaturen geeigneten höherschmelzenden Weichlote ist in der Serien- bzw. Gruppenfertigung aus dem o.a. Grund, der Tempe­ raturüberbelastung der elektronischen Komponenten nicht möglich.

Zwar werden hierfür selektive Lötverfahren wie z. B. das Kolben- oder Heißgaslöten eingesetzt, doch ist dabei ein erhöhter Fertigungsaufwand verbunden. Ebenso erhö­ hen sich auch die Kosten für die Elektronikprodukte, was einen weiteren wesentli­ chen Nachteil der hier beschriebenen Lötvarianten darstellt.

Im folgenden werden einige bekannte Lötverbindungen kurz vorgestellt:
In der russischen Druckschrift SU 1606295 ist ein Sn-Basislot mit 1,8-3,5 Masse-% Ni und 3,6-10,5 Masse-% Ge zum Löten von Ni, Cu bzw. Fe beschrieben. Das Lot hat eine für die hier betrachteten Lötvarianten aufgrund seiner hohen Schmelztemperatur von 235-280°C keine Bedeutung und soll jedoch durch seine Zusammensetzung eine höhere Festigkeit bei Raumtemperatur und ein verbessertes Fließvermögen aufweisen.

Aus der japanischen Druckschrift JP 58-20719 geht eine Lotverbindung hervor, die auf einem Pb-Basislot aufbaut und neben (0,1-1,5) Masse-% Ge auch noch (1-10) Masse-% Sn, (0,5-5) Masse-% Zn und (0,05-0,5) Masse-% Cu enthält. Auch dieses Lot betrifft aufgrund seines hohem Schmelzpunktes nicht das hier vorgesehe­ ne Anwendungsgebiet der Verarbeitung elektrischer Bauelemente. Hinzu kommt, daß aufgrund des hohen Zn-Gehalt Korrosionsschäden bei den Elektronik-Baugruppen nicht ausgeschlossen werden können.

Das relativ hochschmelzende japanische Pb-Basislot nach der Druckschrift JP 2-75493 mit (0,5-1,5) Masse-% Sn sowie mit (1-2) Masse-% Ag und (0,1-1) Masse-% Ge ist aufgrund seines hohen Pb-Gehalts ebenso nicht geeignet.

In der WO 94/20257 ist eine robuste Metall-Lot-Legierung beschrieben, die neben (0,8-7) Masse-% Ge und Ag, neben Pb auch noch (30-70) Masse-% Sn, (0-3) Masse-% Bi und (0-2,5) Masse-% In aufweist. Dieses komplex legierte Lot hat zwar eine ausreichend geringe Schmelztemperatur, ist aber aufgrund eben dieser komplexen Zusammensetzung sehr kostenaufwendig.

Ähnliches gilt auch für die russische Druckschrift SU 1512741, in der ein Lot be­ schrieben ist, das mit einer Liquidustemperatur von 223-228°C neben Pb auch (35-37) Masse-% Sn, (3-5) Masse-% In, (0, 10, 3) Masse-% Ce-Mischmetall und (0,7-0,9) Masse-% Ge enthält. Außerdem ist dieses Lot für das Weichlöten von Va­ kuumarmaturen bestimmt und zeichnet sich insbesondere durch die hohe Vakuum­ dichtheit und Korrosionsbeständigkeit der Lötverbindungen aus. Die angegebene erhöhte Temperaturbeständigkeit ist in dieser Druckschrift nicht ausgewiesen.

Genau so kostenaufwendig ist das Sn-Basislot nach der russischen Druckschrift SU 1606294 mit einem Schmelzbereich von 70-154°C. Es enthält neben Pb die Legie­ rungselemente Pb, Bi, In und (0,5-1,0) Masse-% Ge. Aufgrund seiner niedrigen Schmelztemperatur kann dieses Lot im Elektronikbereich nicht zuverlässig eingesetzt werden, zumal im Normalbetrieb von Elektronikbauteilen Betriebstemperaturen er­ reicht werden, die an die Schmelztemperatur der Lötverbindung reichen.

Das im Patent SU 1479250 beschriebene Sn-Basislot ist mit (34-35) Masse-% In, (11-12) Masse-% Cu, (5-6) Masse-% Co und (0,8-1) Masse-% Ge legiert. Neben den aufgrund des großen In-Anteiles relativ hohen Kosten hat dieses Lot ein unzulässig großes Schmelzintervall von (113-350)°C, wodurch die Anwendung im Elektronikbe­ reich als problematisch angesehen werden kann. Dieses Lot ist insbesondere als Reparaturlot für die o.a. Produkte der Chemieindustrie entwickelt worden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine an sich bekannte Lötverbindung auf der Basis von Sn, die wenigstens eines der weiteren Legierungselemente Pb, Cu oder Ag aufweist, derart weiterzuentwickeln, daß die Schmelztemperatur der Lötver­ bindung in einem Temperaturbereich liegt, bei dem die zu verbindenden und zu fixie­ renden elektronischen Bauelemente keinen Schaden nehmen. Insbesondere soll die Lötverbindung eine verbesserte Temperaturbeständigkeit, Festigkeit sowie über bes­ sere Kriecheigenschaften verfügen als es bei bekannten Lotwerkstoffen der Fall ist.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 ange­ geben. Den Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Lötverbindung auf der Basis von Sn, die wenigstens eines der weiteren Legierungselemente Pb, Cu oder Ag aufweist, derart ausgebildet, daß die Lötverbindung zusätzlich Ge und Ni enthält, die jeweils in Anteilen von 0,05-1,5 Masse-% der Lötverbindung beigemengt sind.

Die Beimengung von Ni und Ge erfolgt im Rahmen einer Mikrolegierung, so daß eine erfindungsgemäße Weichlotverbindung erhalten wird, die einen Schmelzpunkt von ca. 183°C aufweist.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Lot nach seiner Erschmelzung pulverisiert und zu einer Lotpaste oder zu Lotformteilen verarbeitet. Ebenso ist es möglich das Lot zum Wellenlöten zu verwenden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge­ dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:

Fig. 1 Diagrammdarstellung zur mittleren Kriechgeschwindigkeit von Weichlötverbindungen sowie

Fig. 2 Kriechkurven für SnPb-Standardlot sowie Ge-Ni-SnPb-Lot.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

Aus einem eutektischen SnPb-Standardlot und einem eutektischen SnPb-Weichlot, das nach erfindungsgemäß mit 0,15 Masse-% Ge und 0,15 Masse-% Ni mikrolegiert worden ist, wurden spezielle Mikroproben mit einem Prüfdurchmesser von 18 mm und einer Prüflänge von 3 mm abgegossen. Mit diesen Proben wurden Versuche zum Kriechverhalten bei entsprechenden Zugspannung von 14,1 N/mm² und einer Prüftemperatur von 120°C durchgeführt. Außerdem wurden spezielle Prüfkörper aus Kupfer mit den gleichen Loten, die in entsprechenden Lotbädern einer Wellenlötan­ lage langzeitig im Einsatz waren, weichgelötet, die dann ebenfalls auf das Kriechver­ halten bei einer Scherspannung von 1,5 N/mm² und Temperaturen von 78°C, 110°C und 137°C - das entspricht den homologen Temperaturen jeweils von 0,77, 0,84 bzw. 0,9 - untersucht wurden.

Das Ergebnis der Prüfung des Kriechverhaltens der beiden Lote sind in Fig. 1 im Vergleich dargestellt. Im Diagramm sind die Kriechkurven für ein SnPb-Standardlot sowie für das erfindungsgemäße Ge-Ni-SnPb-Lot gegenübergestellt. Auf der Abszis­ se des Diagramms ist die Prüfzeit und auf der Ordinate das Verformungsverhalten aufgetragen.

Es zeigt sich, daß das erfindungsgemäße Lot ein bedeutend besseres Kriechverhal­ ten aufweist. Die minimale Kriechgeschwindigkeit im Bereich des stationären Krie­ chens beträgt für das eutektische SnPb-Standardlot 1,25%/h, während dieser Wert für das neue mikrolegierte Lot gleich 0,44%/h ist.

Im Fig. 2 sind die Ergebnisse der Prüfung des Kriechverhaltens der entsprechen­ den Weichlötverbindungen in Abhängigkeit von der homologen Prüftemperatur dar­ gestellt. Auch hier zeigen die Weichlötverbindungen, die mit dem neuen mikrolegier­ ten Lot hergestellt worden sind (untere Kurve im Bild), im Vergleich zu den mit dem eutektischen SnPb-Standardlot gefertigten Weichlötverbindungen (obere Kurve im Bild) deutlich bessere Kriecheigenschaften.

Im Diagramm sind auf der Ordinate die mittlere Kriechgeschwindigkeit und auf der Abszisse die homologe Kriechtemperatur aufgetragen. Die Prüflinge sind bei der Messung mit einer Scherspannung von 1,5 N/mm² beaufschlagt worden.

Claims (6)

1. Lötverbindung auf der Basis von Sn, die wenigstens eines der weiteren Legie­ rungselemente Pb, Cu oder Ag aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung zusätzlich Ge und Ni enthält, die jeweils in Anteilen von 0,05-1,5 Masse-% der Lötverbindung beigemengt sind.

2. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ge und Ni in der Lötverbindung mikrolegiert sind.

3. Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötverbindung eine Schmelztemperatur von unter 200°C, vorzugsweise 183°C aufweist.

4. Verwendung der Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Fertigung von elektrisch leitfähigen Stoffschlußverbindungen.

5. Verwendung der Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Wellenlöten.

6. Verwendung der Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zum Herstellen von Lotformteilen.