DE20320259U1

DE20320259U1 - Lot und Lotverbindung

Info

Publication number: DE20320259U1
Application number: DE20320259U
Authority: DE
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2013-01-25

Abstract

Leiterplatte (7),
– die mindestens eine metallische Kontaktfläche (5) aufweist,
– auf der maschinell Lot (1) mit darin eingebrachten Partikeln (3) aufgebracht ist,
– auf der mittels eines (Bestückungsautomaten mindestens ein zweites elektronisches Bauteil (11) mit einer metallischen Kontaktfläche (9) platziert ist,
– wobei die metallische Kontaktfläche (5) der Leiterplatte (7) mit der metallischen Kontaktfläche (9) des zweiten Bauteils (11) mit einer Lotverbindung verbunden ist,
– in welcher durch das Durchlaufen eines Temperaturzyklusses in einem Ofen zwischen benachbarten Partikeln (3) und zwischen den Kontaktflächen (5, 9) und zu diesen benachbarten Partikeln (3) intermetallische Zonen ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lot und eine Lotverbindung mit einem Lot.
Moderne elektrische Geräte, insb. Meßgerät, weisen in der Regel mindestens eine Leiterplatte auf, auf der elektronische Bauteile angeordnet sind. Diese Bauteile müssen mechanisch auf der Leiterplatte befestigt werden und elektrisch an in oder auf der Leiterplatte verlaufenden Leitungen angeschlossen werden.
Bei der Bestückung von Leiterplatten wird regelmäßig Lot, vorzugsweise maschninell, z.B. im Siebdruckverfahren, auf metallische Kontaktflächen auf der Leiterplatte aufgebracht. Nachfolgend werden die Bauteile, ebenfalls vorzugsweise maschinell, z.B. mittels eines Bestückungsautomaten, so auf die Leiterplatte aufgebracht, daß deren metallische Elektroden auf dem zuvor aufgebrachten Lot aufliegen. Die bestückte Leiterplatte wird dann in einen Ofen eingebracht, in dem ein Temperaturzyklus durchlaufen wird, bei dem sich die Lotverbindungen ausbilden.
Überall dort, wo das Lot an ein Metall angrenzt, d.h. vornehmlich an den Kontaktflächen kommt es zur Ausbildung von intermetallischen Phasen. Die Ausbildung beruht auf einem Diftusionsprozeß zwischen aneinander angrenzenden Lagen unterschidlicher Metalle und hängt von einem auf die Grenzschicht einwirkenden Druck und der Temperatur ab.
Intermetallische Phasen sind sehr hart. In der Regel sind sie bei sehr hohen Temperaturen, sogar auch bei Temperaturen oberhalb der Löttemperatur, einsetzbar. Sie sind jedoch sehr spröde. Die Festigkeit einer Lötverbindung nimmt mit einer zunehmenden Schichtdicke der intermetallischen Phase ab. Man ist daher bisher bemüht gewesen, Lötverfahren zu finden, bei denen sich möglichst nur sehr dünne intermetallische Phasen ausbilden.
Eine Alternative hierzu bildet das Diffusionslöten. Beim Diffusionslöten wird gezielt, durch sehr hohe beim Lötvorgang einwirkende Temperaturen, eine intermetallische Zone ausgebildet. Dabei durchwächst die intermetallische Zone die gesamte Lotverbindung. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei sehr kleinen Abständen zwischen zu verlötenden Elementen, z.B. von einigen Mikrometern einsetzbar. Wenn die dünne intermetallische Zone sehr schnell wächst ist sie nicht nur bei hohen Temperaturen beständig, sie ist auch nicht so spröde wie die oben beschriebenen intermetallischen Zonen. Das Verfahren des Diffusionslöten ist jedoch auf kleine Abstände zwischen den zu verlötenden Elementen beschränkt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Lot und eine Lotverbindung anzugeben, die bei hohen Temperaturen beständig ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Lot mit darin eingebrachten Partikeln mit metallischen Oberflächen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Abstand zwischen benachbarten Partikeln kleiner gleich 5 um.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Partikel eine Beschichtung aus einem Metall auf.
Gemäß einer Ausgestaltung bestehen die Partikel aus Glas, Keramik oder Silizium.
Gemäß einer Ausgestaltung besteht die Beschichtung aus Gold, Silber, Kupfer oder Zinn.
Weiter besteht die Erfindung in einer Lotverbindung zwischen einer metallischen Kontaktfläche eines ersten Bauteils und einer metallischen Kontaktfläche eines zweiten Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Lot, bei der zwischen den Partikeln intermetallische Zonen ausgebildet sind.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Lotverbindung eine Dicke in der Größenordnung von einem Millimeter auf.
Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung einer Lotverbindung zwischen einer metallischen Kontaktfläche eines ersten Bauteils und einer metallischen Kontaktfläche eines zweiten Bauteils mit einem erfindungsgemäßen Lot, bei dem

– auf der metallischen Kontaktfläche des ersten Bauteils Lot aufgebracht wird,
– das zweite Bauteil mit dessen metallischer Kontaktfläche auf das Lot aufgesetzt wird,
– die beiden Bauteile in einen Ofen eingebracht werden, und dort einen Temperaturzyklus durchlaufen, bei dem sich zwischen benachbarten Partikeln und zwischen den Kontaktflächen und zu diesen benachbarten Partikeln intermetallischen Zonen ausbilden.

Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das erste Bauteil eine Leiterplatte, und es wird an mehreren Lotstellen Lot maschinell aufgebracht. Das zweite und weitere Bauteile werden mittels eines Bestückungsautomaten auf den Lötstellen plaziert, und die Leiterplatte wird in den Ofen eingebracht wird, wo gleichzeitig Lötverbindungen zwischen der Leiterplatte und dem zweiten sowie den weiteren Bauteilen hergestellt wird.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Abstände zwischen den Partikeln sehr gering sind. Bei einem Lotvargang erfolgt daher keine Lötung mit einer Schichtdicke, die dem Abstand zwischen zu verbindenden Bauteilen entspricht, sondern es erfolgt eine Vielzahl von Lötungen mit einer Schichtdicke, die durch den Abstand zwischen benachbarten Partikeln gegeben ist. Da dieser Abstand sehr gering ist, erfolgt, wie beim Diftusionslöten auch, die Bildung von intermetallischen Zonen mit Schichtdicken, die dem Abstand zwischen benachbarten Partikeln entsprechen.
Die intermetallischen Zonen bewirken, daß die Verbindung bei sehr hohen Temperaturen, auch im Bereich der Löttemperatur, mechanisch stabil ist.
Ähnlich wie beim Diffusionslöten wachsen die intermetallischen Zonen aufgrund deren geringen Abmessungen sehr schnell und sind daher nicht so spröde wie intermetallischen Zonen, die bei Verwendung eines Lotes ohne Zusatz von Partikeln mit metallischen Oberflächen auftreten.
1 zeigt eine Lotverbindung zwischen einer metallischen Kontaktfläche eines ersten Bauteils und einer metallischen Kontaktfläche eines zweiten Bauteils mit einem Partikel mit metallischen Oberflächen enthaltenden Lot; und
2 zeigt eine Leiterplatte mit einer Vielzahl von mittels Lotverbindung damit verbundenen Bauteilen.
Die Erfindung betrifft ein Lot 1 mit darin eingebrachten Partikeln 3 mit metallischen Oberflächen. Der Grundstoff des Lots 1 ist z.B. ein handelsübliches Lot, z.B. ein Zinn-Silber-Lot oder ein Zinn-Blei-Lot. In diesen in der Regel pastenformigen Grundstoff sind die Partikel 3 eingebracht, z.B. eingerührt.
Dabei werden vorzugsweise Partikel 3 in einer Menge beigemischt, daß ein Abstand zwischen den Partikeln 3 kleiner gleich 5 μm ist. Die Partikel 3 selbst sind vorzugsweise Kugeln oder Hohlkugeln mit einem mittleren Durchmesser von 50 um bis 100 μm. Sie weisen eine Beschichtung aus einem Metall auf. Die Beschichtungen bestehen vorzugsweise aus Gold, Silber, Kupfer oder Zinn. Es sind aber auch andere Metalle einsetzbar. Die Partikel 3 bestehen z.B. aus Glas, Keramik oder Silizium.
Derartige Partikel sind im Handel, z.B. bei der Firma Emerson & Cumings, erhältlich. Dabei kann der Kunde das Material der Partikel 3 und der Beschichtungen gemäß seinen speziellen Wünschen aus einer breiten Palette auswählen.
In 1 ist eine Lotverbindung aus einem solchen Lot 1 dargestellt. Sie besteht zwischen einer metallischen Kontaktfläche 5 eines ersten Bauteils 7 und einer metallischen Kontaktfläche eines 9 zweiten Bauteils 11. Das erste Bauteil 7 ist z.B. eine Leiterplatte, z.B. eine handelsübliche starre Leiterplatte, z.B. aus einem Isolierstoff auf Epoxidharzbasis, oder eine flexible Leiterplatte, z.B. aus Polyimid. Das zweite Bauteil 11 ist z.B. ein elektronisches Bauteil, z.B. ein oberflächenmontierbares Bauteil (SMD-Bauteil), oder ein Substrat.
Leiterbahnen der Leiterplatte bestehen üblicherweise aus Kupfer und weisen dort, wo ein Anschluß erfolgen soll freiliegende Kupferpads 13 auf. Diese Kupferpads 13 bilden die metallischen Kontaktflächen 5.
Die Lotverbindung kann entweder unmittelbar auf dem Kupferpad 13 erfolgen, oder die metallische Kontaktfläche 5 kann, wie in 1 dargestellt, eine Anschlußmetallisierung 15 aufweisen. Die Anschlußmetallisierung 15 besteht z.B. aus einer Nickelschicht und einer Goldschicht. Das Nickel wird galvanisch, das Gold chemisch aufgebracht. Dabei ist die Nickelschicht zwischen dem Kupferpad 13 und der Goldschicht anzuordnen. Sie dient als Diffusionsbarriere und verhindert ein abwandern von Kupfer in die Goldschicht. Diese Art der Oberflächenverbesserung wird häufig bei Lötverbindungen eingesetzt.
Die metallischen Kontaktflächen 9 des zweiten Bauteils 11 sind beispielsweise Elektroden 17 aus Kupfer. Sie können ebenfalls, wie in 1 dargestellt, eine Anschlußmetallierung 19 aufweisen.
Zwischen den Partikeln 3 sind intermetallische Zonen ausgebildet. Ebenso bestehen zwischen den metallischen Kontaktflächen 5 und 9 und den jeweils dazu benachbarten Partikeln 3 intermetallische Zonen.
Mit dem erfindungsgemäßen Lot 1 sind Lotverbindungen realisierbar, die eine Dicke in der Größenordnung von einem Millimeter aufweisen. Beim Diffusionslöten weisen die Lotverbindungen dagegen maximal eine Dicke von einigen 10 um auf. Diese extrem hohe Dicke der Lotverbindung ist möglich, weil die Lotverbindung aus einer Vielzahl kleiner Lotverbindungen besteht, die jeweils zwischen den benachbarten Partikeln 3 untereinander und zwischen den Kontaktflächen 5 bzw. 9 und den dazu benachbarten Partikeln 3 bestehen. Jede einzelne dieser kleinen Lotverbindungen ist in ihren Eigenschaften einer herkömmlichen Diffusionslotverbindung sehr ähnlich. Insb. weist sie deren vorteilhafte Eigenschaften der hohen Temperaturbeständigkeit und der mechanischen Stabilität auf.
Hergestellt wird die erfindungsgemäße Lotverbindung zwischen der metallischen Kontaktfläche 5 eines ersten Bauteils 7 und der metallischen Kontaktfläche 9 des zweiten Bauteils 11 indem auf der metallischen Kontaktfläche 5 des ersten Bauteils 7 Lot 1 aufgebracht wird. Das zweite Bauteil 11 wird mit dessen metallischer Kontaktfläche 9 auf das Lot 3 aufgesetzt. Anschließend werden die beiden Bauteile 7, 11 in einen Ofen, z.B. einen Reflow-Lötofen, eingebracht, und durchlaufen dort einen Temperaturzyklus, bei dem sich zwischen benachbarten Partikeln 3 und zwischen den Kontaktflächen 5, 9 und zu diesen benachbarten Partikeln 3 intermetallische Zonen ausbilden. Dabei wird das Lot 1 bevorzugt sehr schnell einer hohen Temperatur ausgesetzt. Eine Obergrenze für die Temperatur ergibt sich aus einer Temperaturobergrenze für das Löten des als Grundstoff verwendeten handelsüblichen Lotes. Diese Temperaturobergrenze ist materialabhängig und wird üblicherweise vom Hersteller angegeben. Je höher die einwirkende Temperatur ist, desto schneller wachsen die intermetallischen Zonen. Ein schnelles Wachstum bewirkt eine gewisse Elastizität der intermetallischen Zonen und bewirkt dadurch eine höhere mechanische Festigkeit der auf diese Art gewonnene Lotverbindung.
Das Partikel 3 enthaltende Lot 1 ist auch in industriellen ganz oder teilweise automatisierten Prozessen einsetzbar und eignet sich auch für die maschinelle Fertigung von Leiterplatten bei denen für eine Vielzahl von Bauteilen Lotverbindungen herzustellen sind. 2 zeigt eine Leiterplatte mit einer Vielzahl von Bauteilen 21.
Bei einem solchen Verfahren ist das erste Bauteil 7 eine Leiterplatte. Es wird in einem ersten Arbeitsgang an mehreren Lötstellen das Partikel 3 enthaltende Lot 1 maschinell, z.B. im Siebdruckverfahren oder mittels eines Dispensers, aufgebracht. Lötstellen sind typischerweise solche Stellen, an denen die Leiterplatte metallische Kontaktflächen 5 aufweist. Anschließend werden das in 1 dargestellte zweite Bauteil 11 und weitere Bauteile 21 mittels eines Bestückungsautomaten auf den Lötstellen plaziert und die Leiterplatte wird in den Ofen eingebracht. Dort werden gleichzeitig Lötverbindungen zwischen der Leiterplatte und zweiten sowie den weiteren Bauteilen 11, 21 hergestellt wird.

Claims

Leiterplatte (7), – die mindestens eine metallische Kontaktfläche (5) aufweist, – auf der maschinell Lot (1) mit darin eingebrachten Partikeln (3) aufgebracht ist, – auf der mittels eines (Bestückungsautomaten mindestens ein zweites elektronisches Bauteil (11) mit einer metallischen Kontaktfläche (9) platziert ist, – wobei die metallische Kontaktfläche (5) der Leiterplatte (7) mit der metallischen Kontaktfläche (9) des zweiten Bauteils (11) mit einer Lotverbindung verbunden ist, – in welcher durch das Durchlaufen eines Temperaturzyklusses in einem Ofen zwischen benachbarten Partikeln (3) und zwischen den Kontaktflächen (5, 9) und zu diesen benachbarten Partikeln (3) intermetallische Zonen ausgebildet sind.
Leiterplatte (7) nach Anspruch 1, bei der die Lotverbindung eine Dicke (d) in der Größenordnung von einem Millimeter aufweist.