DE2921827A1 - Halogenfreies flussmittel fuer die weichloetung auf kolophoniumbasis - Google Patents

Description

• B e s c n r e i b u n g
• Halogenfreies Flußmittel für die Weichlötung auf Kolophoniumbasis Die Erfindung betrifft ein halogenfreies Flußmittel für die Weichlötung auf Kolophoniumbasis, insbesondere für die Weichlötung in der Elektronikproduktion.
• Flußmittel auf Kolophoniumbasis für die Weichlötung sind bekannt. Diese Flußmittel enthalten im allgemeinen Halogenaktivatoren, die während des Lötvorgangs Halogen oder Halogenwasserstoff abspalten. Auch Hydrazin- und Anilinaktivatoren sind bekannt.
• Da einerseits bestimmte Aktivatoren unter arbeitsphysiologischem Gesichtspunkt bedenklich sind und andererseits bestimmte Aktivatoren eine Korrosion des behandelten Werkstücks verursachen, hat man danach getrachtet, weniger agressive Aktivatoren einzusetzen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß hiermit Einbußen in der Qualität der Löststellen einhergehen.
• Die Entwicklung der Elektronik zu immer kleineren Bauelementabmessungen, Leiterbahnabständen, höheren Frequenzen und Isolationswerten hat in der Weichlöttechnik zu erhöhten Anforderungen geführt, die mit den bekannten halogenfreien Flußmitteln nicht in zufriedenstellender Weise gelöst werden können. Diese Anforderungen umfassen insbesondere eine ausreichende Herabsetzung der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes, um Lotbrückenbildungen zwischen den einzelnen Lötstellen oder Leiterbahnen mit Sicherheit auszuschalten, die einwandfreie Lötung von Bauteilanschlüssen mit eingeschränkter Lötbarkeit, sowie eine Verbesserung des allgemeinen Lötbildes in der Massenproduktion.
• Ein weiterer Gesichtspunkt ist die einwandfreie Entfernung des Flußmittels nach dem Lötvorgang, In der Praxis erfolgt nämlich nach dem Lötvorgang eine Funktionsprüfung durch Prüfautomaten, die mittels Kontaktnadeln die logische Gesamtfunktion der Leiterplatte mit allen Bauelementen überprüfen. Um einen einwandfreien Kontakt der Nadeln an den Aufsetzpunkten zu gewährleisten, ist eine vollständige Entfernung des Flußmittels erforderlich. Man könnte zwar bei ausreichend hoher Druckanwendung durch verbliebene Flußmittelreste hindurchdrücken, muß dann allerdings mit Kontaktfehlern rechnen.
• Gegenstand der Erfindung ist nun ein halogenfreies Flüssigflußmittel für die Weichlötung auf Kolophoniumbasis, das gekennzeichnet ist durch die Zusammensetzung in Gewichtsprozent (a) Kolophonium 3 bis 30 % (b) gesättigte aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen 0,1 bis 10 % (c) ungesättigte aliphatische Dicarbonsäuren 0,01 bis 10 % (d) Diäthanolamin 0,01 bis 10 % (e) gesättigte aliphatische Monocarbonsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen 0 bis 30 % (f) Wasser 0,5 bis 15 % (g) mit Wasser mischbare Alkanole mit 2 bis 4 C-Atomen Rest zu 100 % Die Erfindung betrifft ferner ein halogenfreies Festflußmittel für die Weichlötung auf Kolophoniumbasis, das gekennzeichnet durch die Zusammensetzung in Gewichtsprozent (A) Kolophonium 58 bis 92 % (B) gesättigte aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen 0,1 bis 20 % (C) ungesättigte aliphatische Dicarbonsäuren 0,01 bis 10 % (D) Diäthanolamin 0,01 bis 10 % (E) gesättigte aliphatische Monocarbonsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen 0 bis 30 %.
• Die Flußmittel der Erfindung bewirken eine stärkere Reduzierung der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes, so daß Lotbrückenbildungen zwischen den einzelnen Lötstellen oder Leiterbahnen weitgehend ausgeschaltet werden. Durch die erheblich verbesserte Lötfähigkeit können mit Hilfe der Flußmittel der Erfindung auch Bauteilanschlüsse, Leiterplatten und dergleichen mit eingeschränkter Lötbarkeit einwandfrei gelötet werden. Dies bedeutet eine Erweiterung der Anwendbarkeit halogenfreier Weichlötflußmittel auch für solche Anwendungszwecke, die bisher nur mit halogenhaltigen Weichlötflußmitteln zugänglich waren.
• Die hervorragenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Flußmittel zeigen sich auch in einer Verbesserung des allgemeinen Lötbildes, wobei hier die Meniskusausbildung, die Eliminierung von Entnetzungen bei schwankenden Leiterplattenqualitäten oder bei verminderter Lötbarkeit der zu verbindenden Komponenten aufgrund überlanger Lagerung genannt seien.
• In dem Flüssigflußmittel der Erfindung ist das Kolophonium (a) in einer Menge von 3 bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 8 bis 16 Gewichtsprozent und insbesondere 9 bis 15 Gewichtsprozent enthalten. Unter Kolophonium sind das aus dem Rohbalsam der Koniferen (Balsamharz) oder dem Extrakt der Koniferenstubben (Wurzelharz) oder aus Tallöl (Tallharz) gewonnene Harzsäuregemisch, das hauptsächlich aus Abietinsäure und ihren Isomeren besteht, sowie die gängigen Handelsprodukte, einschließlich der durch chemische Modifizierung erhaltenen Kolophoniumsorten, zu verstehen.
• Die gesättigten aliphatischen Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen sind in dem Flüssigflußmittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 8 Gewichtsprozent und insbesondere 2 bis 6 Gewichtsprozent enthalten.
• Beispiele für geeignete Dicarbonsäuren sind Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Azelainsäure und Sebacinsäure, die einzeln oder im Gemisch enthalten sein können. Bevorzugt werden Gemische aus Bernsteinsäure, Adipinsäure und Azelainsäure, wobei vorzugsweise die Bernsteinsäure in größerer Menge, bezogen auf Adipinsäure oder auf Azelainsäure, vorliegt. Hierbei beträgt das Gewichtsverhältnis von Bernsteinsäure zu Adipinsäure zu Azelainsäure z.B. etwa6,5: 2,5 : 1.
• Die ungesättigten aliphatischen Dicarbonsäuren (c) sind in dem Flüssigflußmittel in einer Menge von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 8 Gewichtsprozent, und insbesondere 0,2 bis 5 Gewichtsprozent enthalten.
• Bei diesen Säuren handelt es sich um einfach ungesättigte Dicarbonsäuren, vorzugsweise mit 4 oder 5 C-Atomen. Besonders bevorzugt sind Maleinsäure und Fumarsäure, wobei für das Flüssigflußmittel die Fumarsäure besonders bevorzugt ist.
• Das Diäthanolamin (d) ist in dem Flüssigflußmittel in einer Menge von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, und insbesondere 0,2 bis 1 Gewichtsprozent enthalten.
• Die gesättigten Fettsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen (e) sind in dem Flüssigflußmittel in einer Menge von 0 bis 30 Gewichtsprozent enthalten. Vorzugsweise sind diese Säuren entweder überhaupt nicht oder nur in sehr geringer Menge, z.B. wenige Prozent, enthalten. Bevorzugt sind Säuren mit 12 bis 18 C-Atomen. Beispiele für geeignete Säuren sind Palmitinsäure, Stearinsäure, Laurinsäure und Myristinsäure, wobei Stearinsäure bevorzugt ist.
• Das Wasser (f) ist in dem Flüssigflußmittel in einer Menge von 0,5 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 10 Gewichtsprozent und insbesondere 2 bis 8 Gewichtsprozent enthalten.
• Die mit Wasser mischbaren Alkanole mit 2 bis 4 C-Atomen (g) bilden in dem Flüssigflußmittel jeweils den Rest zu 100 Gewichtsprozent. Als Alkanole kommen Äthanol, Propanol und Butanol, einschließlich der verschiedenen Isomeren, in Frage. Bei den Butanolen besteht wegen der begrenzten Mischbarkeit mit Wasser eine gewisse Beschränkung. Bevorzugt werden Propanol und Isopropanol, wobei letzteres besonders bevorzugt ist.
• In dem Festflußmittel der Erfindung ist das Kolophonium (A) in einer Menge von 58 bis 92 Gewichtsprozent, vorzugsweise 65 bis 90 Gewichtsprozent und insbesondere 74 bis 80 Gewichtsprozent enthalten.
• Die gesättigten aliphatischen Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen (B) sind in dem Festflußmittel in einer Menge von 0,1 bis 20 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 16 Gewichts- prozent und insbesondere 8 bis 15 Gewichtsprozent enthalten. Beispiele für geeignete Dicarbonsäuren sind vorstehend beschrieben. Bevorzugt werden Gemische aus Bernsteinsäure, Adipinsäure und Azelainsäure, wobei vorzugsweise die Adipinsäure in größerer Menge, bezogen auf Bernsteinsäure oder auf Azelainsäure vorliegt. Hierbei beträgt das Gewichtsverhältnis von Bernsteinsäure zu Adipinsäure zu Azelainsäure z.B. etwa 1,25 : 2 : 1.
• Die ungesättigten aliphatischen Dicarbonsäuren (C) sind in dem Festflußmittel in einer Menge von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 8 Gewichtsprozent und insbesondere 0,2 bis 5 Gewichtsprozent enthalten Geeignete und bevorzugte Säuren sind vorstehend beschrieben. In dem Festflußmittel ist jedoch die Maleinsäure gegenüber der Fumarsäure bevorzugt.
• Das Diäthanolamin (D) ist in dem Festflußmittel in einer Menge von 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 5 Gewichtsprozent, und insbesondere 0,2 bis 1 Gewichtsprozent enthalten.
• Die gesättigten aliphatischen Monocarbonsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen (E) sind in dem Festflußmittel in einer Menge von 0 bis 30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1 bis 30 Gewichtsprozent, insbesondere 1 bis 16 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt 8 bis 15 Gewichtsprozent enthalten.
• Geeignete und bevorzugte Säuren sind vorstehend beschrieben. In dem Festflußmittel sind die gesättigten aliphatischen Monocarbonsäuren als Weichmacher für das Kolophonium enthalten.
• Eine wichtige anwendungstechnische Kenngröße beiFlüssigflußmitteln stellt der Festkörpergehalt dar. Zum Festkörpergehalt zählen die Komponenten (a) bis (e). Bei dem Flüssigflußinittel der Erfindung beträgt der Festkörper- gehalt 1 bis 35 Gewichtsprozent, vorzugsweise 2 bis 20 Gewichtsprozent und insbesondere 3 bis 18 Gewichtsprozent, wobei mit Festkörpergehalten von etwa 16 Gewichtsprozent in der Praxis besonders gute Ergebnisse erreicht werden.
• Die Anwendung des Flüssigflußmittels der Erfindung erfolgt z.B. in Form eines Schaums oder durch Aufsprühen oder -sprayen bei den oben angegebenen Festkörpergehalten. Man kann das Flüssigflußmittel jedoch auch als Lotträger anwenden, indem man feinteiliges Lot in dem Flußmittel dispergiert und hierdurch eine Lötpaste erhält.
• Das Festflußmittel wird vorzugsweise für die Ummantelung von Lötdrähten oder zur Herstellung lötmittelhaltiger Lötdrähte verwendet.
• Die Beispiele erläutern die Erfindung. Alle Teile- und Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.
• Beispiel 1 Es wird ein Festflußmittel (Lötdrahtflußmittel) gemäß folgender Rezeptur hergestellt: Teile Kolophonium 77,1 Bernsteinsäure 2,5 Adipinsäure 4,0 Azelainsäure 2,0 Maleinsäure 1,5 Diäthanolamin 0,9 Stearinsäure 12,0 Das erhaltene Flußmittel wird für die Weichlötung von Leiterplatten verwendet (Anwendung als Lötdrahtfüllung oder Lötdrahtummantelung unter Verwendung eines üblichen Weichlotes), bei denen die handelsüblichen Flußmittel keine zufriedenstellenden Ergebnisse bezüglich der Lötqualität (Benetzung, Eliminierung von Lotbrücken und -zapfen, Messinglötfähigkeit) oder der Oberflächenwiderstandswerte ergeben.
• Ein typischer Wert für das erfindungsgemäße Flußmittel bei der Prüfung nach DIN 8516, Abschnitt 5.3 ist 4,9 x 106 MiL.
• Beispiel 2 Es wird ein Flüssigflußmittel gemäß folgender Rezeptur hergestellt: Teile Kolophonium 12,15 Bernsteinsäure 1,9 Adipinsäure 0,75 Azelainsäure 0,3 Fumarsäure 0,4 Diäthanolamin 0,5 Wasser 3 Isopropanol 81 Der berechnete Festkörpergehalt beträgt 16,0 Prozent.
• Das erhaltene Flußmittel wird für die Weichlötung von Leiterplatten (Anwendung als Schaum) verwendet, bei denen die handelsüblichen Flußmittel keine zufriedenstellenden Ergebnisse bezüglich der Lötqualität ergeben.
• Man beobachtet hierbei das gleiche Ergebnis wie in Beispiel 1, d.h. eine deutliche Verbesserung der Lötqualität bei unveränderten oder höheren Isolationswerten, im Vergleich zu den handelsüblichen Flußmitteln.
• Ein typischer Wert für das Flußmittel von Beispiel 2 bei einer Prüfung nach DIN 8527, Abschnitt 2.3 ist 2,90 x 106 M Q.
• Die Flußmittel der Beispiele 1 und 2 lassen sich durch einfache Reinigungsprozesse (z.B. mittels üblicher Dampfentfettungsanlagen, gegebenenfalls unter zusätzlicher Anwendung von Ultraschall) vollständig entfernen. Dies ist mit dem handelsüblichen halogenfreien Flußmitteln auf Kolophoniumbasis entweder überhaupt nicht oder nur unter sehr schwierigen Bedingungen möglich. Die vollständige Entfernung der Flußmittel ist deshalb besonders wichtig, da in zunehmendem Umfang die gelöteten Leiterplatten durch komputergesteuerte Prüfplätze getestet werden und die dabei verwendeten Kontaktspitzen im Fall von Flußmittelrückständen das aushärtende Kolophonium nicht mehr durchdringen können.

Claims (11)

2. Patentansprüche 1. Halogenfreies Flußmittel auf Kolophoniumbasis, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Zusammensetzung in Gewichtsprozent (a) Kollophonium 3 bis 30 % (b) gesättigte aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen 0,1 bis 10 % (c) ungesättigte aliphatische Dicarbonsäuren 0,01 bis 10 % (d) Diäthonaolamin 0,01 bis 10 % (e) gesättigte aliphatische Monocarbonsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen 0 bis 30 % (f) Wasser 0,5 bis 15 % (g) mit Wasser mischbare Alkanole mit 2 bis 4 C-Atomen# Rest zu 100% 2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kofllponente (b) ein Gemisch aus Bernsteinsäure, Adipinsäure und Azelainsäure, vorzugsweise in Gewichts- verhältnis von etwa 6,5 : 2,5 : 1, ist.
3. 3. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (g) Isopropanol ist.
4. 4. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Festkörpergehalt von 15 bis 18 Gewichtsprozent.
5. 5. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Gehalt -an feinteiligem Lot.
6. 6. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (c) Fumarsäure ist.
7. 7. Halogenfreies Flußmittel auf Kolophoniumbasis, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung in Gewichtsprozent (A) Kolophonium 58 bis 92 % (B) gesättigte aliphatische Dicarbonsäuren mit 4 bis 10 C-Atomen 0,1 bis 20 % (C) ungesättigte aliphatische Dicarbonsäuren 0,01 bis 10 % (D) Diäthanolamin 0,01 bis 10 % (E) gesättigte aliphatische Monocarbonsäuren mit 4 bis 26 C-Atomen 0 bis 30 %.
8. 8. Flußmittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (B) ein Gemisch aus Bernsteinsäure, Adipinsäure und Azelainsäure im Gewichtsverhältnis von etwa .1,25 : 2 : 1 ist.
9. 9. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (C) Maleinsäure ist.
10. 10. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente (E) Stearinsäure ist.
11. 11. Flußmittel nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Gehalt an feinteiligem Lot.