DE2152143A1

DE2152143A1 - Loetflussmittel

Info

Publication number: DE2152143A1
Application number: DE19712152143
Authority: DE
Inventors: Poliak Richard Martin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-10-23
Filing date: 1971-10-20
Publication date: 1972-04-27
Also published as: JPS5021309B1; GB1322676A; CA961744A; US3734791A; FR2109689A5

Description

Die Erfindung betrifft ein wasserlösliches Lötflußmittel mit einem Gehalt an einem Aktivator und einem Trägerlösungsmittel.

Beim Löten elektrischer Verbindungen, insbesondere bei gedruckten Schaltungen, werden Lötflußmittel verwendet, um das zu lötende Metall zu reinigen und, was wichtiger ist, die Metalloberfläche für ein gutes Anhaften vorzubereiten. Wirksame Lötflußmittel müssen in einem breiten Temperaturbereich verwendbar sein, sie müssen gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und außerdem müssen die Lötflußmittelrückstände leicht entfernbar sein und/oder auf die hergestellte Lötverbindungen nicht korrodierend wirken.

Lötflußmittel, deren Flußmittelrückstände nach dem Löten mit Wasser entfernbar sind, sind bekannt. Sie enthalten als Aktivatoren Amine, die mit Halogenwasserstoffsäuren zu dem entsprechenden Aminsalz reagieren. Wenn das Flußmittel freie Halogene enthält, werden diese in Halogenwasserstoffsäuren und das korrespondierende Halogenion durch Hydrolyse bei der Löttemperatur umgewandelt. Halogenwasserstoffsäuren können weiterhin mit organischen Materialien, die im Lötflußmittel vorhanden sind, unter Freisetzung von Halogenionen reagieren, beispielsweise mit organischen Säuren wie Zitronensäure oder Weinsäure, die oft solchen Lötflußmitteln zugesetzt werden, um die Bildung von Schweißbärten an

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den Anschlußstellen und Kurzschlüsse zu benachbarten Teilen zu verhindern. Die angegebenen Reaktionsprodukte bleiben nach dem Löten in Form eines Rückstandes zurück. Wenn der Flußmittelrückstand nicht vollständig entfernt wird, führt dies zur Korrosion der gelöteten Teile.

Der Zweck eines Flußmittels während des Lötens ist, Oxidfilme von den Metalloberflächen und dem geschmolzenen Lötmittel entfernen und eine Reoxidation der gereinigten Oberfläche während des Lötens zu verhindern. Metalloxide können in einer großen Anzahl von Säuren gelöst werden; bei dieser Auflösung entstehen jedoch immer Metallsalze, die schwierig vollständig zu entfernen sind und evtl. Korrosion verursachen. In dieser Hinsicht unterscheiden sich Aminhydrochloridsalze kaum von freier Chlorwasserstoffsäure.

Ein weiteres Problem, das auftaucht, wenn die bisher bekannten wasserlöslichen Flußmittel verwendet werden, ist, daß die vollständige Entfernung der Flußmittelrückstände sehr schwierig ist. Bisher war es erforderlich, eine Spülung mit heißem Wasser in Kombination mit einer Neutralisation anzuwenden, oder eine Sülung mit einer 2%igen Chlorwasserstoffsäurelösung in Kombination mit einer Heißwasserspülung und Neutralisation, oder die Verwendung vieler spezieller Detergentien auf Wasserbasis. Dies ist zurückzuführen auf die Tatsache, daß die bisherigen Flußmittel zwei Arten von Rückständen hinterlassen, einen lösungsmittellöslichen Harzrückstand und einen wasserlöslichen Aktivatorrückstand. So sind bisher wenigstens zwei Spülungen oder Reinigungen erforderlich gewesen. Es würde einen großen Fortschritt bedeuten, wenn man auf solche komplexe Verfahren verzichten könnte, die zudem oft unter Verwendung von Materialien durchgeführt werden, die für die gelöteten Teile schädlich sind.

Die Leichtigkeit der Entfernung der Flußmittelrückstände hängt von der chemischen Natur dieser Ruckstände ab und nicht von der Natur der Flußmittelzusammensetzung per se. So können sich beispielsweise wänrend verschiedener Phasen des Lötprozesses orga-

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nische bestandteile des Flußmittels zersetzen, karbonisieren oaer polymerisieren. Dies kann sogar auftreten, wenn alle Komponenten des Flußmittels vor dem Löten wasserlöslich sind.

Insbesondere zum Löten von elektrischen Verbindungen bei gedruckten Schaltungen werden Flußmittel benötigt, die nicht korrodierend wirkende Rückstände besitzen und daher nicht entfernt werden müssen. So wurden bisher zum Löten von gedruckten Schaltungen aktivierte Flußmittel auf Kolophoniumbasis verwendet, weil reines kolophonium den Anforderungen des Lötprozesses nicht genügt. In einer mikroelektronischen Umgebung können keinerlei organische Flußmittel, die korrodierend wirkende Salze von Säuren mit Hydrazin und anderen organischen Basen enthalten, verwendet werden.

In der USA-Patentschrift 3 220 892 ist ein Lötflußmittel beschrieben, welches nicht korrodierend sein soll. Dieses Lötflußmittel enthält jedoch mindestens ein Hydrazinsalz, welches zur Korrosion führt.

In der USA-Patentschrift 3 223 561 ist ein Flußmittel zum Weichloten beschrieben, welches auch ein Hydrazinsalz enthält, vorzugsweise Iiydrazinazetat, mit einem Überschuß an freier Essigsäure. Wie ersichtlich ist, kann auch mit diesem Lötflußmittel Korrosion nicht vermieden werden.

In der USA-Patentschrift 3 199 190 ist ein Lötflußmittel beschrieben zur Verwendung bei der Herstellung von Kühlerblöcken für Kraftfahrzeuge, welches das Reaktionsprodukt eines organischen Amins mit hydroxyessigsäure und ein Netzmittel enthält. Das Netzmittel wirkt in diesem Fall nur als oberflächenaktives Mittel und verleiht dem Flußmittel keine Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, d.h. es wirkt nicht als Korrosionsinhibitor.

Alle der obengenannten Flußmittel sind typische bisher bekannte Flußmittel, sie enthalten Aktivatoren wie Säuren, Basen oder Salze. Allen diesen Flußmitteln ist eigen, daß die Aktivatoren,

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wenn deren Rückstände nicht vollständig nach dem Löten entfernt werden, auf die Lötverbindungen korrodierend wirken.

Zweck der Erfindung ist ein neues, wasserlösliches Lötflußmittel, das besonders zum Löten elektrischer Verbindungen bei gedruckten Schaltungen Verwendung findet.

Das wasserlösliche Lötflußmittel gemäß der Erfindung mit einem Gehalt an einem Aktivator und einem Trägerlosungsmittel ist dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator eine einen fluorierten lipophilen Rest enthaltende organische Verbindung ist.

Die fluorierte, organische Verbindung dient als Aktivator und als Korrosionsinhibitor und auch als oberflächenaktives Mittel zur Verbesserung der Benetzung. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält das Lötflußmittel als Aktivator eine Verbindung der allgemeinen Formel

R(CF₂J_nCOOM,

in der η eine positive Zahl, vorzugsweise von 6 bis 10; R=H oder F und M=H oder ein Basekation, vorzugsweise NH. oder Na , ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung enthält das Lötflußmittel als Aktivator eine Verbindung der allgemeinen Formel

[^Cn^F2n₊l^CONHC3^H6^N+ <V q ^(R2⁾ r] ^X"'

in der η 6 bis 9; q 2 bis 3; r 0 bis 2; R₁ = CH₃; R₂ = C₂H^ und X = Halogen ist.

Als Trägerlosungsmittel werden Lösungsmittel aus der Gruppe von Alkoholen mit 1 bis 3 C-Atomen, Äthylenglykol, Diäthylenglykol, Triäthylenglykol, Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von 62 bis 4000, Äthyl-, Propyl-, Butylcellosolve, Glycerin

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- 5 und Mischungen derselben verwendet.

Ein besonders vorteilhaftes Trägerlösungsmittel besteht aus 20 bis 65 Gewichtsprozent Glycerin, 10 bis 14 Gewichtsprozent Äthylenglykol und 21 bis 25 Gewichtsprozent Isopropylalkohol.

Ein besonders vorteilhaftes Lötflußmittel gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Gehalt, in Gewichtsprozent, an 99,69 bis 99,öl % Trägerlösungsmittel aus der Gruppe von Glycerin, Äthylenglykol, Isopropylalkohol und Mischungen derselben und 0,19 bis 0,31 % Aktivator aus der Gruppe von R(CF₂) COOM, in der η eine positive Zahl, vorzugsweise von 6 ois 10, R= H oder F und M = H oder ein Basekation ist; oder

[^Cn^F2n₊l^CüdHC3V^{+ (}Vq<*2>r] ^X"'

in der η 6 bis 9; q 2 bis 3; r 0 bis 2, R. = CH₃, R₂ = C^H₅ und X = Halogen ist.

Wie zuvor angegeben, besteht ein Bedürfnis in der Elektronikindustrie für ein aktiviertes, wasserlösliches Lötflußmittel, welches keine korrodierenden Rückstände hinterläßt. Die wichtigste Funktion jedes Aktivators ist, überzüge oder Oxide von den Oberflächen des zu lötenden Metalls und des Lötmittels zu entfernen. Wenn Säuren, Salze, Basen oder dgl. Bestandteile des Aktivators sind, werden korrodierend wirkende Rückstände gebildet.

Von vielen handelsüblichen Produkten wird behauptet, daß sie nicht korrodierend seien. Sorgfältige Laboranalyse aller verfügbaren wasserlöslichen Lötflußmittel ergab die Anwesenheit von Halogen, beispielsweise Chloride, in Form von Aminhydrochloriden und die Anwesenheit von Säuren, Basen und dgl. Einige der bisher bekannten Lötflußmittel können praktisch unschädlich gemacht werden durch Erhitzen des gesamten gelöteten Bereichs auf eine hohe Temperatur, so daß sich das überschüssige Flußmittel vollständig zersetzt und kein Flußmittel mehr auf dem gelöteten Teil zurück-

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bleibt. Ein solches Verfahren kann bei elektronischen Bauteilen nicht angewendet werden, weil hohe Temperaturen und eine längere Erhitzungsdauer, welche die Zersetzung von Flußmittelrückständen gewährleisten, zu einer Zerstörung der Komponenten wie auch zu einem Abbau der Materialien, die in gedruckten Schaltungen verwendet werden, führen. Weiterhin ist zu beachten, daß ein Lötflußmittel, welches auf isolierenden Materialien vorhanden ist, sich nicht in dem gleichen Maße beim Erhitzen zersetzt, als wenn es auf metallischen Materialien erhitzt würde.

In dem Lötflußmittel gemäß der Erfindung liegt zwar auch Halogen vor> die chemische und thermische Stabilität der Komponenten, besonders bei den Löttemperaturen ist jedoch so groß, daß bei Verwendung dieses Lötflußmittels im Rückstand nach dem Löten kein freies Halogen oder Säure feststellbar sind. Laboratoriumsmethoden zur Untersuchung auf Säure oder Halogengehalt schließen röntgenographische, IR-spektroskopische und massenspektroskopische Untersuchungen ein. Auch wird eine volumetrische quantitative Analyse auf nassem Weg durchgeführt. Es wird angenommen, daß die Natur der kovalenten Bindung in den Fluorkohlenwasserstoffen bewirkt/ daß dieselben sich nicht zersetzen und sich chemisch inert verhalten, wenn sie auf Löttempe_fc raturen erhitzt werden. Mit dem Lötflußmittel gemäß der Erfindung werden stabile Lötverbindungen erhalten, d.h. Lötverbindungen, die gegen Korrosion geschützt sind. Die Rückstände des Lötflußmittels gemäß der Erfindung sind vollkommen wasserlöslich und können durch Waschen mit Wasser entfernt werden. Das erfindungsgemäße Lötflußmittel, in dem eine fluorierte grenzflächenaktive Verbindung als Aktivator wirkt, ist zum Löten von elektronischen Bauteilen vorteilhafter als alle bisher bekannten Lötflußmittel.

Beispiele für ein Lötflußmittel mit den gewünschten Eigenschaften werden nachfolgend angegeben.

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Beispiel 1:

Glycerin

Äthylenglykol Isopropylalkohol

fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator 85 g (68 cm³) 15 g (13 cm³) 31 g (39 cm³)

0,30 g

Beispiel 2;

Glycerin

Äthylcellosolve Isopropylalkohol

fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator 85 g (68 cm³) 15 g (16 cm³) 31 g (39 cm³)

0,30 g

Beispiel 3;

Glycerin
Isopropylalkohol Äthylenglykol Äthylcellosolve

fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator 68 cm
39 cm³ 19 cm³ 22 cm³

0,30 g

Beispiel 4:

Äthylenglykol Äthylcellosolve Isopropylalkohol

fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator 40 cm
4O cm
20 cm³

0,30 g

Beispiel 5;

Äthylenglykol Äthylcellosolve

fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator 5O cm
5O cm³

0,30 g

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Das wasserlösliche Lötflußmittel gemäß der Erfindung enthält im allgemeinen 0,06 bis 0,40 Gewichtsprozent bezogen auf das gesamte Lötflußmittel an fluoriertem, grenzflächenaktivem Aktivator und als Rest wasserlösliche organische Lösungsmittel. Das Lösungsmittel kann bis 65 % aus Glycerin bestehen, Glycerin muß jedoch nicht der einzige Bestandteil sein.

In der vorteilhaftesten Ausfuhrungsform enthält das Lötflußmittel 20 bis 65 Gewichtsprozent Glycerin, 10 bis 14 Gewichtsprozent Äthylenglykol, 21 bis 25 Gewichtsprozent Isopropylalkohol und 0,19 bis 0,31 Gewichtsprozent eines fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivators, jeweils bezogen auf das gesamte Lötflußmittel. Wenn die unteren Mengen der oben angegebenen Lösungsmittel verwendet werden, kann der Rest der Spezifikation aus irgendeinem organischen Lösungsmittel, das weiter unten näher bezeichnet wird, bestehen.

Der fluorierte, grenzflächenaktive Aktivator wird im allgemeinen nicht in Mengen größer als 0,40 Gewichtsprozent (bezogen auf die organischen Lösungsmittel) verwendet, weil größere Mengen das Lötfluftaittel nicht verbessern, weder in seiner Fähigkeit, Metalloberflächen zu reinigen noch in seiner Eigenschaft, eine verbesserte Oberflächenspannung zu besitzen. Es müssen keine Nachteile in Kauf genommen werden, wenn Mengen bis zu 4 Gewichtsprozent oder mehr des fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivators eingesetzt werden. Dies bedeutet jedoch eine Verschwendung der Fluorverbindung.

Glycerin wird als Bestandteil des wasserlöslichen Lötflußmittels gesaäß der Erfindung bevorzugt wegen seiner Hechseiwirkung mit dem fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivator. Es wird angenommen, daß Glycerin Hydroxylgruppen in Freiheit setzt, die bei der Reinigung und dem Löten von Metalloberflächen nützlich sind. Wegen des hohen Siedepunkts von Glycerin, etwa 290 ⁰C, kann das Lötflußmittel gemäß der Erfindung bei höheren Löttemperaturen als bisher, beispielsweise bei Temperaturen bis zu 260 ⁰C (500 ⁰F)

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verwendet werden. Außerdem werden chemisch stabile, leicht entfernbare Rückstände nach dem Löten erhalten. Diese sind leicht mit destilliertem Wasser entfernbar.

Der fluorierte, grenzflächenaktive Aktivator entfaltet seine Aktivität beim Löten auch in Verbindung mit anderen organischen Lösungsmitteln in Abwesenheit der Glycerinkomponente. Die benetzende und verteilende Wirkung des Lötflußmittels kann eingestellt werden durch Mischen organischer Lösungsmittel wie Alkohole, Cellosolve, Glykole und dgl., so daß die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich spezifischer Dichte, Oberflächenspannung und Viskosität für ein bestimmtes Lötverfahren erhalten werden.

Während der fluorierte, grenzflächenaktive Aktivator der wirksame Bestandteil des Lötflußmittels gemäß der Erfindung ist, wird Glycerin als Lösungsmittels zwar bevorzugt, kann aber auch durch eine geeignete Mischung anderer Lösungsmittelbestandteile ersetzt werden. Wenn eine solche Mischung verwendet werden soll, muß jedoch der Verwendungszweck des Lötflußmittels bekannt sein, damit eine geeignete Trägermittelmischung zusammengestellt werden kann. Es muß beachtet werden, daß beim Lötprozeß Verfahrensschritte wie Aufbringen des Lötflußmittels, Vorerwärmen, Löten, Kochen, Reinigen und Trocknen Anwendung finden. Wenn ein bestimmtes Lötverfahren festliegt, können die geeigneten Lösungsmittel für das Lötflußmittel bestimmt werden. Dies geschieht dadurch, daß der thermische Zyklus durch Messung der tatsächlichen Produkttemperaturen während des Lötprozesses bestimmt wird. Durch die Bestimmung der Produkttemperaturen bei verschiedenen Verfahrensabschnitten kann ein geeignetes Trägermittelsystem für das Flußmittel bestimmt werden, d.h. ein Lötflußmittelsystem, das reinigend wirkt ohne zu verspritzen und dessen Lösungsmittel in einem bestimmten Abschnitt des thermischen Zyklus aus dem Lötflußmittel verdampfen.

Ein spezifisches Verfahren zur Zusammenstellung eines bestimmten Lösungsmittelsystems ist das folgende: Als Lötmittel wird eine 63/37 Zinn-Blei-Legierung verwendet, die auf eine Temperatur von

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etwa 266 ⁰C (510±10 ⁰F) erhitzt wird. Das Produkt besteht aus Schaltkarten mit Kontaktstellen. Die Trägermittelbestandteile werden dem Verwendungszweck angepaßt. Die Anwendung des Lötflußmittels erfolgt bei 26,7 ⁰C (80 ⁰F), anschließend wird auf 60 ⁰C (140 ⁰F) vorerhitzt und mit einer Lötbadwelle bei etwa 193 bis 232 ⁰C (380 bis 450 ⁰F) gelötet und anschließend auf 26,7 ⁰C (80 ⁰F) abgekühlt. Eine für diesen Zweck geeignete Trägermittel-Zusammensetzung besteht aus 44 % Glycerin, 23 % Äthylenglykol und der Rest aus Alkoholen mit 1 bis 3 C-Atomen. Die Alkohole verdampfen zuerst, anschließend das Äthylenglykol und schließlich das Glycerin. Bei diesem Vorgang ist gewährleistet,.daß während jeder gewünschten Periode immer hinreichende Lösungsmittelmengen vorhanden sind und gleichzeitig Lösungsmittel verdampft. Für andere Temperaturbereiche sind andere Trägermittelzusammensetzungen vorteilhafter.

Ein Lötflußmittel, das sorgfältig zusammengestellt ist, verspritzt nicht während des Lötprozesses, so daß keine Metallspritzer auf isolierende Bereiche gelangen, auf denen Lötmetall unerwünscht ist. Bevorzugte organische Lösungsmittel zur Verwendung in LotflußmitteIn gemäß der Erfindung sind primäre Alkohole mit 1 bis 3 C-Atomen und deren Isomere, Äthylen-, Di-, Tri- und Polyäthylenglykole mit einem Molekulargewicht von 4OO oder weniger, vorzugsweise zwischen 62 und 400, Äthyl-, Propyl- und Butylcellosolve und Glycerin. Diese können einzeln oder in beliebigen Kombinationen verwendet werden. Die vorteilhaftesten Lösungsmittel sind Isopropylalkohol, Äthylenglykol, Äthylcellosolve und Glycerin.

Im Rahmen der Erfindung können jedoch nicht nur die genannten Lösungsmittel verwendet werden, d.h. Alkohole mit 1 bis 3 C-Atomen und Glykole mit 2 bis 3 Alkylengruppen oder Cellosolvelösungsmittel wie Äthyl-, Propyl- oder Butylcellosolve. Es können auch andere Lösungsmittel, z.B. t-Butylalkohol, eingesetzt werden, wenn sie folgende Kriterien zusätzlich zu den Anforderungen, die bisher an Lötflußmittel gestellt wurden, erfüllen:

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1. Wenn Alkohole verwendet werden, müssen sie vor den anderen Lösungsmittelkomponenten verdampfen;

2. Die Lösungsmittel müssen den fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivator vollständig lösen. Eine vollständige Auflösung wird bevorzugt, es kann jedoch auch nicht gelöster Aktivator in einer Menge bis zu 25 % oder mehr vorhanden sein, was im allgemeinen vermieden wird. Lösungsmittel von sehr geringer Bedeutung in diesem Zusammenhang sind Alkohole mit 4 oder 5 C-Atomen;

3. Das Lösungsmittel muß vollständig wasserlöslich sein.

Die zuletzt genannten Lösungsmittelsysteme können zwar allein verwendet werden, weitaus bessere Ergebnisse werden jedoch erzielt, wenn sie in Verbindung mit den zuvor genannten, bevorzugten Lösungsmitteln in Mengen von weniger als 50 % des Gesamtlösungsmittelgehaltes verwendet werden. Materialien, die korrodierend wirken, sollen in dem Lötflußmittel gemäß der Erfindung nicht verwendet werden.

Netzmittel und Lösungsmittel sind Bestandteile vieler Lötflußmittel. Bisher ist nicht bekannt, in Lötflußmitteln fluorierte, grenzflächenaktive Aktivatoren, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zu verwenden. Auch sind die besonders vorteilhaften Eigenschaften solcher Kombinationen nirgends beschrieben. Im folgenden wird auf den fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivator näher eingegangen. Dieser ist der wirksame Bestandteil des Lötflußmittels gemäß der Erfindung. Der fluorierter Aktivator ist ein grenzflächenaktiver Stoff, d.h. durch ihn wird die Oberflächenspannung des Lösungsmittels herabgesetzt und damit die Benetzbarkeit erhöht und außerdem der Reinigungsaufwand nach dem Löten wesentlich erniedrigt. Dieses sind die wesentlichen Vorteile bei der Verwendung des fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivators in dem Lötflußmittel gemäß der Erfindung. Es wird angenommen, daß die Moleküle des grenzflächenaktiven Stoffs sich aus ihrer Lösung entlang der Grenzfläche orientieren und dadurch bei sehr niedrigen Konzentrationen oberflächenaktive Wirkung zeigen. Diese Orientierung ist keine Eigenschaft, die alle grenz-

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flächenaktiven Stoffe besitzen, so daß die fluorierten grenzflächenaktiven Stoffe dieser Erfindung nicht mit anderen grenzflächenaktiven Stoffen gleichgesetzt werden können, weil diese Oberflächenaktivität eine sehr spezifische Eigenschaft der fluorierten, grenzflächenaktiven Verbindung ist.

Der fluorierte Aktivator, welcher als grenzflächenaktiver Stoff wirkt, soll nicht mit den üblichen Benetzungsmitteln, die in verschiedenen Lötflußmitteln vorhanden sind, gleichgesetzt werden. Die bisher verwendeten Benetzungsmittel bestehen im allgemeinen aus Alkoholen oder organischen Lösungsmitteln, die in größeren Mengen vorhanden sind, um die Benetzung zu begünstigen. Viele Kohlenwasserstoff-Benetzungsmittel, die in niedrigen Konzentrationen anstelle des fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivators eingesetzt wurden, sind weitaus weniger wirksam als derselbe. Außerdem sind sie weitaus weniger thermisch und chemisch stabil als der fluorierte, grenzflächenaktive Aktivator gemäß der Erfindung.

Mit dem Begriff Aktivator wird der Teil des Lötflußmittels bezeichnet, der eine reinigende und benetzende Wirkung ausübt und Oberflächenoxide von denjenigen Bereichen, auf denen gelötet werden soll, entfernt. In der vorliegenden Erfindung wird als Aktivator ein fluorierter, grenzflächenaktiver Stoff verwendet. Die korrosionsverhindernde Wirkung der genannten fluorierten Verbindung ist besonders vorteilhaft beim Löten von elektronischen Bauteilen.

Der fluorierte, grenzflächenaktive Aktivator gemäß der Erfindung besitzt im Molekül eine hydrophiles und ein hydrophobes (lipophiles) Ende. In dem lipophilen (Kohlenwasser-) Rest sind nahezu alle Wasserstoffatome durch Fluor ersetzt. Die Anwesenheit von zwei oder mehr Fluoratomen an einem Kohlenstoffatom verleiht der entsprechenden Verbindung Stabilität und inertes Verhalten. Die fluorierten, grenzflächenaktiven Aktivatoren zeichnen sich aus durch extrem inertes Verhalten, sie brennen nicht und sind thermisch stabil bis 260 ⁰C (500 ⁰F) oder mehr.

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Die Fluorkohlenwasserstoffe, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden, sind bekannt und für die Verbindungen an sich wird kein Schutz beansprucht. Die Verbindungen können nach bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 2 519 983, 2 655 533 und 2 648 706 und 2 559 629 beschrieben sind, hergestellt werden, über die Herstellung von Fluorkohlenwasserstoffen gibt es umfangreiche Literatur. Ein typisches Verfahren, bei dem eine Reaktionsröhre verwendet wird und bei dem gute Ausbeuten erzielt werden, wird im folgenden beschrieben. Fluor wird mit Stickstoff verdünnt, dann langsam mit Kohlenwasserstoff dämpf en umgesetzt in einem Netz aus Kupferdraht, das mit Silber plattiert ist. Die Temperaturen in der Reaktionsröhre betragen 140 bis 325 ⁰C. AgF₂ ist der wirksame Bestandteil für die Fluorierung der organischen Verbindungen. In dem Maße wie AgF » verbraucht wird, wirkt elementares Fluor auf die metallische Oberfläche ein und erneuert den aktiven überzug. Mit diesem Verfahren wird beispielsweise n-Heptan in einer Ausbeute von

62 % in C-,F., umgewandelt.
/ Io

Die fluorierten, grenzflächenaktiven Stoffe, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden, sind grenzflächenaktiv sowohl in organischen Lösungsmitteln als auch in wässrigen Lösungen. Sie stellen die stabilsten und wirksamsten aller grenzflächenaktiven Stoffen dar. Bei inrem Einsatz werden grenzflächenaktive Eigenschaften wirksam ohne die nachteiligen Nebeneffekte, die normalerweise bei der Verwendung der üblichen grenzflächenaktiven Mittel in Erscheinung treten. Außerdem verhindern sie Fleckbildung und Korrosion.

Die fluorierten, grenzflächenaktiven Mittel, die im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden, sind Verbindungen der allgemeinen Form R(CF₂) -X, worin X eine hydrophile Gruppe darstellt, R ein Rest wie H oder F ist zur Vervollständigung der Fluorkohlenwasserstoff kette und η eine positive Zahl ist.

Die hydrophile Gruppe besteht aus beliebigen Gruppen mit ioni-Docket EW 970 005 2 0 9 818/0691

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schem Charakter. Das fluorierte, grenzflächenaktive Mittel, das im Rahmen der Erfindung verwendet wird, kann als ein Molekül betrachtet werden, an dessen einem Ende sich eine hydrophile Gruppe befindet, während das andere Ende aus einer hyarophoben (lipophilen) Gruppe besteht, Deispielsweise einem Fluorkohlenwasserstoff rest mit wenigstens vier C-Atomen.

Jedes fluorierte, grenzflächenaktive Mittel, das den obengenannten Anforderungen entspricht, kann in dem erfindungsgemäßen Lötflußmittel verwendet werden. Nachfolgend werden die besonders vorteilhaften Materialien, die zu ausgezeichneten Ergebnissen führen, näher erläutert. Als erste Gruppe kommen kationische,-fluorierte, grenzflächenaktive Mittel in Frage und als solche quartäre fluorierte Ammoniumsalze. Verbindungen dieser rirt v/erden dargestellt durch die allgemeine Formel:

[^Cn^F2n₊l^CONHC3^H6^{N+ (R}1^} g ⁽V r]

worin η 6 bis 9; q 2 bis 3; r O bis 2; R₁ = CH₃; R₂ = C₃H₅ und X = Halogen ist. Spezielle Beispiele dieser Verbindungen sind die folgenden:

Fc₇F₁₅CONHC₃H₆W⁺C₂H₅(CH₃)₂"| Cl"
Fc₇F₁ ,-CONHC₀H^N⁺(C₀HJ _OCI

und Fc₇F₁₅CONHC₃H₆N⁺(CH₃J

^RH

Der Rp Anteil wird so gewählt, daß die gewünschten Eigenschaften zu einer wirksamen Oberflächenbehandlung, d.h. die gewünschte Oberflächenspannung des Lötflußmittels erhalten werden und eine optimale benetzende Wirkung des Lotes gewährleistet ist. Wenn η < 5 ist, ist das grenzflächenaktive Mittel zu flüchtig oder

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instabil. Für η > 9 nimmt der R^ Wert zu und wird bei gleichbleibendem R Wert bestimmend für die Löslichkeit. Verbindungen mit η > 9 sind geeignet, wenn der Fluorkohlenwasserstoffanteil noch in den Komponenten des Lötflußmittels löslich ist. In gleicher Weise ist die Verwendung von Verbindungen mit η < 5 von der Flüchtigkeit und der Instabilität abhängig, die vom Verbraucher noch in Kauf genommen werden kann.

Ähnliche Veränderungen in dem R₀ Anteil des Moleküls würden die chemischen und physikalischen Eigenschaften des grenzflächenaktiven Mittels beeinflussen. Die gewünschten Eigenschaften des grenzflächenaktiven Mittels können durch Variation des Rp/Rti Verhältnisses erhalten werden. Die Kettenlängen des quartären Ammoniumkations ist bestimmend für die gewünschte Wasser-, Öl-, oder Alkohollöslichkeit, wobei der Einfluß des AnioRs auf die Eigenschaften zu vernachlässigen ist.

Der in den Beispielen in dem Lötflußmittel verwendete bevorzugte Aktivator ist eine Verbindung der Formel

i".

Eine zweite Gruppe fluorierter, grenzflächenaktiver Mittel sind Verbindungen der allgemeinen Formel R(CF₂) COOM, worin η eine positive Zahl, vorzugsweise von 6 bis 10; R=H oder F und M=H, ein Basekation, vorzugsweise NH. oder Na , ist. Besonders geeignet sind die Ammoniumsalze der perfluorierten Alkansäuren mit η = 8 oder IO. Auch geeignet sind perfluorierte Alkansäuren oder Salze derselben, in denen alle Wasserstoffatome mit Ausnahme des endständigen Η-Atoms durch Fluor ersetzt sind und η 6 bis 9 ist.

Durch die Verwendung fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivatoren wird eine ausgezeichnete Kombination von Eigenschaften erhalten, die durch keine andere Kombination von Materialien erhältlich ist und die sich besonders günstig bei Lötflußmitteln

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auswirkt. Fluor, welches sehr korrosiv wirkt, wird aus dem grenzflächenaktiven Aktivator während des Lötens nicht in Freiheit gesetzt. Alle anderen Halogenatome, wie Fluor, Chlor, Brom oder Jod liegen in Form von Verbindungen und nicht in elementarer Form vor. Es sind keine organischen Säuren oder sulfonierte, langkettige aliphatische Alkohole, die in den bisherigen Lötflußmitteln verwendet werden, vorhanden.

In dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird eine spezielle Anwendung des wasserlöslichen Lötflußmittels gemäß der Erfindung angegeben. Das Lötflußmittel auf der Basis flüssiger organischer Lösungsmittel kann nach dem Löten durch Waschen mit destilliertem Wasser entfernt werden.

Beispiel 1:

Ein wasserlösliches Lötflußmittel gemäß der Erfindung enthält folgende Bestandteile:

Glycerin 85 g

Äthylenglykol 15 g

Isopropylalkohol 31 g

fluorierter, grenzflächenaktiver

Aktivator 0,30 g

Das verwendete Polyäthylenglykol besitzt ein Molekulargewicht von 400, und als fluorierter, grenzflächenaktiver Aktivator wird eine Verbindung der allgemeinen Formel:

N⁺(C₂H₅) ₂CH₃] l"

verwendet, die unter der Handelsbezeichnung FC-134 bei 3M-Corporation erhältlich ist.

Nach der Formulierung des Lötflußmittels wird dasselbe in dem nachfolgenden Lötprozeß verwendet. Das Lötflußmittel gemäß der Erfindung kann in Kombination mit jedem Lötmaterial zum Löten

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beliebiger Materialien, die durch Löten verbunden werden können, verwendet werden. Es kann zum Löten einer großen Anzahl von Metallen verwendet werden, beispielsweise auch zum Löten schwer benetzbarer Metalle wie Nickelblech oder Berylliumkupfer, wenn dabei auch einige Schwierigkeiten auftreten. Das Lötflußmittel gemäß der Erfindung kann durch Aufbürsten, Tauchen, Sprühen oder in Verbindung mit dem Lötmittel selbst aufgetragen werden.

In dem vorliegenden Beispiel wird ein Flachkabel, welches Silberdrähte enthält auf mit Zinn/Blei bedruckte Schaltkreise nach Erhitzen der Lötstellen aufgelötet. Das Lötflußmittel gemäß der Erfindung wird vorher auf die Schaltkreise aufgebürstet und die Lötung selbst wird bei Temperaturen von 260 bis 288 °C (500 bis 550 ⁰F) durchgeführt. Es konnte kein Verspritzen des Lötmittels festgestellt werden, und die bei der Lötung gebildeten Flußmittelrückstände konnten leicht durch Waschen mit destilliertem Wasser entfernt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Lötflußmittels gegenüber bisher bekannten Lötflußmitteln sind die folgenden:

1. keine Ausbildung korrodierender Rückstände nach dem Löten;

2. ausgezeichnete Wärmeleitung während des Lötens;

3. kein Verspritzen während des Lötens;

4. gleichmäßiges Fließen des Lötmittels;

5. leichte Entfernung von Flußmittelrückständen nach dem Löten durch Waschen mit destilliertem Wasser, keine zusätzlichen aufv/endigen Reinigungsverfahren sind notwendig, beispielsweise die Verwendung von Weutralisierungsmitteln oder organischen Lösungsmitteln;

6. keine Reinigung mittels Ultraschall ist erforderlich, welche sich nachteilig auf empfindliche elektronische Teile auswirken würde, und

7. gute Lötverbindungen werden geschaffen, die nicht korrodieren, wie es bisher üblich war, wenn stark korrodierend wirkende Lötflußmittel zur Herstellung guter Lötverbindungen verwendet wurden.

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Claims

2152U3 PATENTANSPRÜCHE

1. Wasserlösliches Lötflußmittel mit einem Gehalt an einem Aktivator und einem Trägerlösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator eine einen fluorierten lipophilen Rest enthaltende organische Verbindung ist.

2. Lötflußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator eine Verbindung der allgemeinen Formel

ist, worin η eine positive Zahl, vorzugsweise von 6 bis 10;

|| R = H oder F und M = H oder eine Basekation, vorzugsweise

NH. oder I\ia , ist.

3. Lötflußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivator eine Verbindung der allgemeinen Formel

[^Cn^P2n₊l^CONHC3^H6^U+(Rl⁾q^(R2⁾r] ^X"

ist, worin η 6 bis 9; q 2 bis 3; r 0 bis 2, Κ_χ = CH₃, R₂ = C₂H₅ und X = Halogen ist.

4. Lötflußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

^ gekennzeichnet, daß der Aktivator eine der folgenden Verbindungen ist:

Tc₇F₁₅COIiHC₃II₆N⁺ (CH₃)

₇F₁₅COIiHC₃II₆N⁺ (CH₃

Tc₇F₁₅CONHC₃H₆N C₂H₅ (CH₃) ₂~] Cl"

5. Lötflußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerlösungsmittel aus der Gruppe von Alkoholen mit 1 bis 3 C-Atomen, Äthylenglykol, Diäthy-

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lenglykol, Triäthylenglykol, Polyäthylenglykol mit einem Molekulargewicht von 62 bis 400, Äthyl-, Propyl-, Butylcellosolve. Glycerin und Mischungen derselben gewählt ist.

6. Lötflußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerlösungsmittel aus 20 bis 65 Gewichtsprozent Glycerin, 10 bis 14 Gewichtsprozent Äthylenglykol und 21 bis 25 Gewichtsprozent Isopropylalkohol besteht.

7. Lötflußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Gehalt, in Gewichtsprozent, an

99,69 bis 99,81 % Trägerlösungsmittel aus der

Gruppe von Glycerin, Äthylenglykol, Isopropylalkohol und Mischungen derselben und

0,19 bis 0,31 % Aktivator aus der Gruppe von

R(CF₂)_nC00M,

worin η eine positive Zahl, vorzugsweise von 6 bis 10, R=H oder F und M=H oder eine Basekation, vorzugsweise NH.⁺ oder Na , ist; oder

[^Cn^F2n₊l^CONHC3^H6^N+(Rl⁾q^(R2⁾r] ^X"'

worin η 6 bis 9; q 2 bis 3; r 0 bis 2, R₁ = CH₃, R₂ = C₂H₅ und X = Halogen ist.

8. Verfahren zum Löten, insbesondere von mikroelektronischen Bauteilen, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Lötflußmittels nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

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