DE2735638C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lotgemisch mit automatischer Lötspalteinregulierung, bestehend aus einem Lotmaterial und einem Flußmittel und einem Träger.

Eine der wichtigsten Überlegungen bei Zusammenlöten von zwei Teilen ist die Größe des einzustellenden Lötspaltes zwischen den zu verlötenden Flächen dieser Teile. Die Größe des Lötspaltes ist sehr wichtig für die Auswahl des Lotes, verbunden mit den Fließeigenschaften und der gewünschten Festigkeit der Lötverbindung. Die Kontrolle und Regelung der Lötspaltgröße ist sehr schwierig, wenn die zu verlötenden Teile sehr schnell und mit einiger Kraft zusammengebracht werden, wie beispielsweise bei gewissen automatisierten Lötprozessen. Die Einhaltung genauer Lötspalttoleranzen ist bei Anwendung physikalischer Kontrollvorrichtungen sehr schwierig.

Wenn die zu verlötenden Teile aus verschiedenen Materialien bestehen, führt der Unterschied im Temperaturkoeffizienten der thermischen Ausdehnung der beiden Werkstoffe nicht nur zu einer Änderung der Lötspaltbreite, sondern die Beanspruchung durch die unterschiedliche Ausdehnung beeinträchtigt auch die Festigkeit der Lötverbindung. Beim Auflöten von carbidischen Werkzeugeinsätzen auf metallische Unterlagen verwendet man daher beispielsweise metallische Dreischichtenzwischenlagen, wie z. B. eine Kupferfolie, die beiderseits mit einem Lot beschichtet ist. Dieses Sandwichmaterial wird beim Verlöten zwischen die beiden Teile gebracht. Die beim Abkühlen normalerweise in dem carbidischen Teil entstehenden Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedliche Kontraktion zwischen dem carbidischen und metallischen Teil beim Abkühlen, werden dabei von der Kupferzwischenschicht aufgefangen. Die gleichen Dreischichtenwerkstoffe werden auch zum Verlöten von Aluminiumbronze mit Stahl verwendet, wo die Kupferzwischenschicht als Sperrschicht wirkt, um eine Diffusion von Aluminium in die Stahloberfläche zu vermeiden.

Um die Probleme von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu lösen und eine verbesserte Temperaturbeständigkeit von Lötungen zu erreichen, ist man von einem einheitlichen Lot zu Lotgemischen übergegangen.

So wird in der DE-PS 8 36 589 ein Lotgemisch beschrieben, das aus einem Lotmaterial mit niedrig schmelzenden Partikeln und höher schmelzenden Partikeln besteht, die bei der Löttemperatur im wesentlichen ihre Gestalt beibehalten, und einem Flußmittel und/oder Träger.

Dabei wird hier aber auf keine automatische Lötspaltregulierung abgezielt, noch wird dadurch eine solche Regulierung erreicht. Das Zufügen höher schmelzender Partikel geschieht hier, um eine möglichst hohe Temperaturbeständigkeit der Lötung zu bewirken.

In der DE-OS 15 08 356 wird ebenfalls ein Lotgemisch mit niedrig schmelzenden Partikeln und höher schmelzenden Partikeln beschrieben, wobei hier jetzt auch eine Lötspaltregulierung dadurch stattfindet, daß die Größe des einzuregulierenden Lötspalts durch die höher schmelzenden Partikel festgelegt wird, die bei der Löttemperatur im wesentlichen ihre Gestalt beibehalten.

Mit dem bekannten Lötgemisch kann bei recht niedrigen Temperaturen eine Lötung vorgenommen werden, während andererseits diese Lötung höhere Temperaturen als die Löttemperatur aushalten kann. Die niedrig schmelzenden Partikel des Lotgemisches bilden ein Vorlot, das in Gegenwart von höher schmelzenden Metallen oder Legierungen zum Schmelzen gebracht wird und beim Erhitzen auf die Schmelztemperatur Reaktionen in flüssiger oder fester Phase an den Randzonen der höher schmelzenden Metall- bzw. Legierungsbestandteile bewirkt, wodurch sich mit zunehmender Dauer der Erhitzung das endgültige Lot bildet, welches bei höheren Temperaturen schmilzt und zäher ist als das Vorlot. Bei derartigen Lotgemischen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß als höher schmelzende Metall- oder Legierungsbestandteile des Lotgemisches Werkstoffe verwendet werden, deren Ausdehnungskoeffizient zwischen denjenigen der beiden zu verlötenden Werkstoffe liegt.

Dabei ist auf die Dimensionierung des automatisch eingestellten Lötspalts zu achten, da bei einem zu kleinen Lötspalt das Weichlot nicht in den Zwischenraum eindringt, während bei einem zu großen Lötspalt die Kapillarkräfte nicht groß genug sind, um das Lot in den Zwischenraum hineinzuziehen. Gemäß dem Stand der Technik, wie er aus der DE-OS 15 08 356 bekannt ist, kann der Anteil der höher schmelzenden Partikel bis zu 35% betragen. Bei dieser technischen Lehre besteht die Gefahr, daß bei einer Beimengung so hoher Anteile von bei normalen Löttemperaturen nicht schmelzenden Partikeln die Festigkeit der Lötverbindung beeinträchtigt wird. Andererseits ist aber zur Einstellung des gewünschten Lötspalts ein Mindestanteil dieser Partikel notwendig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß durch die Verwendung unterschiedlicher Lotmaterialien infolge deren unterschiedlicher thermischer Ausdehnung Spannungen in der Lotschicht auftreten.

Aus den zuvor ausgeführten Unzulänglichkeiten des Standes der Technik leitet sich daher die Aufgabe ab, daß Lotgemische zur automatischen Einregulierung eines Lötspalts zur Verfügung gestellt werden, die eine verbesserte Festigkeit der Lötverbindung gewährleisten und zusätzlich die Duktilität der Lotschicht zwischen den verlöteten Teilen beeinflussen können, um bei thermischer Beanspruchung auftretende Spannungen in der Lotschicht auffangen zu können.

Die erfindungsgemäße Lösung der hier gestellten Aufgabe besteht darin, daß der Anteil an Lotmaterial zumindest 50 Gewichtsprozent beträgt, wobei hiervon bis zu 40 Gewichtsprozent aus einem duktilen Metallpulver bestehen, welches bei der Löttemperatur noch nicht völlig geschmolzen und genügend löslich in der Lotmaterialschmelze ist, um sich mit dem Lotmaterial unvollständig zu legieren, und dessen maximale Partikelgröße kleiner als 0,025 cm sein muß, daß der Anteil höher schmelzender Partikel 0,05 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent beträgt, wobei bis zu 30 Gewichtsprozent eine Partikelgröße kleiner als 0,0075 cm und der Rest eine Partikelgröße kleiner als 0,025 cm aufweisen, und das Flußmittel/Trägergemisch zu über 20 Gewichtsprozent vorliegt, wobei das Verhältnis zwischen Flußmittel und Träger 1 : 1 bis 3 : 1 beträgt.

Vorzugsweise verwendet man die erfindungsgemäßen Lotgemische in Pastenform, wobei das Lotmaterial und das das Lotmaterial bis zu 40% ersetzende Metall in Pulverform vorliegen. Diese Pasten haben im allgemeinen bei Raumtemperatur eine Viskosität von 100 000 bis 1 × 10⁶ Zentipoises.

Für die erfindungsgemäßen Lotgemische sind alle bekannten Lotmaterialien, Flußmittel und Träger verwendbar. Die Auswahl eines geeigneten Flußmittels für ein gegebenes Lot zum Löten eines bestimmten Materials ist Stand der Technik. Typische Flußmittel werden beispielsweise in den US-PS 22 99 168, 24 03 110, 24 93 372, 25 07 346, 25 52 105, 29 14 435 und 31 49 007 beschrieben, sie bestehen im allgemeinen aus Metallchloriden und -fluoriden.

Die für die erfindungsgemäßen Lotgemische verwendbaren Träger sind ebenfalls bekannt, beispielsweise aus den obigen US-Patentschriften. Sie sind im allgemeinen nicht wäßrig und inert zu den anderen Bestandteilen des Gemisches. Sie müssen bei der Löttemperatur sich verflüchtigen oder ohne Rückstandbildung sich zersetzen. Typische Beispiele sind Polymere von Äthylenoxid, Polyacrylate, Polymethylacrylate, Polyacrylnitrile, Paraffine, Polyolefine oder Polyäthylene, einzeln oder im Gemisch.

Als Lotmaterialien können alle bekannten Lote verwendet werden, ihre Auswahl ist hauptsächlich abhängig von den zu lötenden Werkstoffen, da das Lot diese benetzen und mit ihnen legieren muß. Verwendbar sind beispielsweise Silber und Silberlegierungen, Nickellegierungen, Goldlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, wie sie beispielsweise in der AWS-Spezifikation A 5.8-62 und der ASTM-Spezifikation B 260-62 aufgeführt sind.

Das Lotmaterial kann als Dreischichtensandwich zugegen sein, vorzugsweise verwendet man es jedoch in Pulverform. Für automatische Lötvorrichtungen benutzt man vorteilhafterweise sehr feines Pulver, beispielsweise kleiner als 250 µm, um eine genügend fließfähige Paste zu erzeugen. Ansonsten ist die Wahl der Pulvergröße sehr variabel.

Die Mengenanteile von Flußmittel, Träger und Lotmaterial können in gewissen Grenzen schwanken. Der Flußmittel-/Trägeranteil muß mindestens 20 Gewichtsprozent betragen, vorzugsweise liegt er zwischen 20 und 50 Gewichtsprozent, wobei das Verhältnis Flußmittel zu Träger zwischen 1 : 1 und 3 : 1 schwanken kann, der Lotanteil beträgt 50 bis 80 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf das Gesamtgemich.

Die erfindungsgemäß zusätzlichen zugesetzten Teilchen, die bei der Löttemperatur ihre Gestalt beibehalten, sichern die Größe des Lötspaltes, entsprechend der maximal effektiven Größe dieser Teilchen. Sie können verschiedene Formen besitzen, solange sie entsprechend ihrer Orientierung in dem Gemisch eine minimale Ausdehnung von 0,0075 cm und eine maximale Ausdehnung von 0,025 cm gewährleisten. Vorzugsweise sind die Teilchen sphärisch und haben einen Durchmesser von nicht über 0,02 cm. Bis zu 30% der Teilchen können zwar kleiner als 0,0075 cm, aber keines sollte größer als 0,025 cm sein.

Diese Teilchen sind vorteilhafterweise in Mengen zwischen 0,05 und 10 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmischung, zugegen. Gewöhnlich benötigt man nicht mehr als 5%, wobei durch höhere Beimengungen die Festigkeit der Lötverbindung nicht beeinträchtigt werden darf und soviel Teilchen zugegen sein müssen, daß die Einstellung des gewünschten Lötspaltes gewährleistet ist.

Diese Lötspaltregulierungsteilchen müssen vom Lotmaterial bei der Löttemperatur benetzt werden, nicht mehr als 0,5 Gewichtsprozent dürfen unbenetzt bleiben. Einige der Teilchen können sich zu einem gewissen Grad mit dem Lotmaterial legieren. Das trifft vor allem für metallische Partikel zu.

Besonders bewährt haben sich für diesen Zweck sphärische Nickelpartikel.

Zusätzlich können bis zu Gewichtsprozent des Lotmaterials durch ein anderes Metall ersetzt werden, das duktil ist, bei der Löttemperatur noch nicht völlig geschmolzen ist und bei dieser Temperatur hinreichend in dem Lotmetall löslich ist, um mit diesem eine unvollständige Legierung zu bilden. Dieses Metall sollte bei Löttemperatur zwar wenigstens teilweise noch fest, aber auch teilweise im Lotmetall löslich sein.

Für diesen Zweck hat sich Kupferpulver bewährt, wobei die Teilchengröße der des Lotmaterials entsprechen sollte, und keinesfalls größer als der des Lötspalteinregulierungspulvers sein sollte.

Die folgenden Beispiele zeigen zwei typische Lötpasten gemäß der Erfindung:

Beispiel 1

25 Gew.-% Flußmittel-Träger-Gemisch (1 : 1) mit einer Viskosität von 40 000 Zentipoise bei Raumtemperatur 70,9 Gew.-% einer Silberlotlegierung AWS BAG-3 4,1 Gew.-% Nickelkugeln AWS BNI-3 mit einem Durchmesser von 0,0075 bis 0,01 cm.

Beispiel 2

25,5 Gew.-% Flußmittel-Träger-Gemisch wie Beispiel 1 56,5 Gew.-% Lotpulver wie Beispiel 1 3 Gew.-% Nickelkugeln AWS BNI-3 mit einem Durchmesser von 0,015 bis 0,0175 cm 15 Gew.-% Kupferpulver kleiner 0,015 cm.

Claims (3)

1. Lotgemisch mit automatischer Lötspalteinregulierung, bestehend aus einem Lotmaterial, höher schmelzenden Partikeln, die bei der Löttemperatur im wesentlichen ihre Gestalt beibehalten, und einem Flußmittel und einem Träger, wobei die höher schmelzenden Partikel zum größten Teil bei Löttemperatur benetzbar sind, eine maximale Partikelgröße nicht überschreiten und ein kleiner Anteil unter einer Grenzpartikelgröße liegt, die kleiner ist als die maximale Partikelgröße, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Lotmaterial wenigstens 50 Gewichtsprozent beträgt, wobei hiervon bis zu 40 Gewichtsprozent aus einem duktilen Metallpulver bestehen, welches bei der Löttemperatur noch nicht völlig geschmolzen und genügend löslich in der Lotmaterialschmelze ist, um sich mit dem Lotmaterial unvollständig zu legieren, und dessen maximale Partikelgröße kleiner als 0,025 cm ist, daß der Anteil der höher schmelzenden Partikel 0,05 bis 10 Gewichtsprozent beträgt, wobei davon bis zu 30 Gewichtsprozent eine Partikelgröße kleiner als 0,0075 cm und der Rest eine Partikelgröße kleiner als 0,025 cm aufweist, und daß das Flußmittel/Trägergemisch zu über 20 Gewichtsprozent vorliegt, wobei das Verhältnis zwischen Flußmittel und Träger 1 : 1 bis 3 : 1 beträgt.

2. Lotgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das duktile Metallpulver aus Kupfer besteht.

3. Lotgemisch nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die höher schmelzenden Partikel aus Nickel bestehen.