DE3645211C2 - Flußmittel für das Löten von Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Flußmittel zum Löten von Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Löten von Platinen für gedruckte Schaltungen, insbesondere in Lötmaschinen, wird der Lötvorgang in mehreren Schritten ausgeführt, nämlich Auftragen des Flußmittels auf die Platine, Vorerwärmen der Platine, Löten und anschließendes Kühlen der Platine. Die Vorerwärmung erfolgt, um in erster Linie das Lösungsmittel aus dem Flußmittel vollständig zu verflüchtigen, damit das Lösungsmittel nicht explosiv verdampft, wenn es beim anschließenden Löten mit dem Lot hoher Temperatur in Berührung kommt, denn dies würde einen gleichmäßigen Auftrag des Lots verhindern. In zweiter Linie soll der Aktivator im Flußmittel durch das vorläufige Erwärmen stärker aktiviert werden, und außerdem soll die Temperatur der Leiterplatte selbst erhöht werden, um die Temperaturdifferenz zwischen der Platine und dem erwärmten Lot zu verringern, was den Wärmeschock beim anschließenden Löten abschwächt. Die Vorerwärmung wird deshalb im allgemeinen so gewählt, daß die Platine der gedruckten Schaltung auf 40°C bis 120°C erwärmt wird.

Als Flußmittel wird bisher ein Harz benutzt, dem ein Beschleuniger oder Aktivator, wie Hydrochlorid von niederem Amin, beispielsweise Äthylamin zugefügt und der in Lösung, z. B. Isopropylalkohol (IPA), aufgelöst wird.

Es ist bekannt, daß das Flußmittel aufgrund seines Aktivators die Fähigkeit hat, Oxide auf der metallischen Oberfläche der Grundplatten gedruckter Schaltungen und der metallischen Oberfläche an der Grundplatte anzulötender elektronischer Elemente fernzuhalten und aufgrund seines Harzgehaltes die Oberflächenspannung des Lots zu erniedrigen und zu verhindern, daß das Metall oxidiert. Ferner wirkt der Isopropylalkohol nicht nur als Lösungsmittel für den Aktivator und das Harz, sondern auch als Verdünnungsmittel, wodurch der gedruckten Leiterplatte eine gleichmäßige Beschichtung mit Lot gegeben und die aufgetragene Flußmenge gesteuert wird. Das Flußmittel wird normalerweise unter schäumenden Bedingungen und nur bei den gebräuchlichen Temperaturen bis höchstens 120°C benutzt.

Bei den üblichen in Lötmaschinen verwendeten Flußmitteln ist es nachteilig, daß sie ein leicht entzündbares organisches Lösungsmittel enthalten. Da es unvermeidlich ist, das entzündliche Lösungsmittel und das Heizelement der Lötmaschine nahe zusammen zu bringen, besteht Feuergefahr. Ein Nachteil der üblichen Flußmittel ist vor allem, daß sie nicht hinreichend temperaturbeständig sind, um in Lötverfahren, wie dem, das in der DE 36 10 747 A1 beschrieben ist, über längere Zeit auf ca. 150°C erhitzt zu werden. In dem genannten Verfahren werden solch hohe Temperaturen des Flußmittels benötigt, da es als Wärmeübertragungsmedium genutzt wird, um die zu lötende Platine vorzuerwärmen.

Die US-PS 3,970,238 und US-PS 3,660,127 beschreiben ein Flußmittel zum Löten von Edelstählen, das Orthophosphorsäure bzw. eine entsprechende Phosphor enthaltende Säure und Wasser als Lösungsmittel enthält. Derartige Flußmittel sind jedoch bei höheren Temperaturen nicht ausreichend stabil.

Die GB-A-2 120 964 beschreibt ein Flußmittel, das bei höheren Temperaturen stabil ist. Das Flußmittel enthält zum einen Phosphorsäure als Aktivator und hochschmelzende Lösungsmittel, wie Glycol, Glycolether oder Polyole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flußmittel bereitzustellen, das auch bei langer Erhitzung auf ca. 150°C stabil bleibt und darüber hinaus ein schwer entzündliches Lösungsmittel enthält.

Die gestellte Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Flußmittel gelöst. Außerdem werden eine höhere Lötgeschwindigkeit und gleichmäßigere Lötergebnisse erzielt.

Die Erfindung beschreibt ein Flußmittel, welches kein herkömmliches organisches Lösungsmittel enthält, sondern statt dessen ein Gemisch oder eine Lösung aus einem nicht entflammbaren oder schwer entzündbaren und niedrig verdampfenden Lösungsmittel, einem Beschleuniger oder Aktivator, der bei einer Temperatur oberhalb der zum Erhitzen des Flußmittels nötigen Temperatur aktiviert, aber bei der zum Erwärmen des Flußmittels nötigen Temperatur stabilisiert wird, sowie einem Zusatz, der in dem Lösungsmittel und dem Aktivator leicht lösbar ist.

Es wird ein Aktivator benutzt, der sich nicht zersetzt und dessen Qualität keine Änderung erfährt, und der seine Aktivität beim Löten selbst dann aufrechterhält, wenn er während langer Zeit auf ca. 150°C erwärmt wird. Ferner wird ein Lösungsmittel benutzt, um den Aktivator zu lösen. Dieses Lösungsmittel löst sich gleichfalls nicht auf und ändert seine Qualität selbst dann nicht, wenn es auf ca. 150°C erwärmt wird. Außerdem hat es Waschfähigkeiten und ist ungiftig und eignet sich für das Löten. Es ist also möglich, eine Platine gleichzeitig mit dem Flußmittel zu überziehen und vorzuwärmen.

Die Zusammensetzung des Flußmittels kann in Abhängigkeit von dem einzustellenden Erwärmungsbereich des Flußmittels bestimmt werden. Vorzugsweise wird ein Flußmittel vorgesehen, welches aus einem Gemisch eines nicht entflammbaren oder schwer entzündlichen Lösungsmittels, eines Aktivators und eines Zusatzes besteht, der in dem Lösungsmittel und dem Aktivator gut löslich ist. Der Aktivator wird bei einer höheren Aktivierungstemperatur als das Flußmittel aktiviert und ist sicher gegenüber der Erwärmungstemperatur für das Flußmittel. So wird z. B. ein Flußmittel benutzt, welches Tricresylphosphat (wärmebeständig, beschleunigungsfördernd und Auflösungs- und Füllmittel), Phosphorsäure (Aktivator) und 2,3-Dibrompropanol (Zusatz) enthält sowie ein Flußmittel, welches Dibutyldiglycoladipat (wärmebeständig, beschleunigungsfördernd und Auflösungs- und Füllmittel), Phosphorsäure (Aktivator) und 2,3-Dibrompropanol (Zusatz) enthält.

Das Flußmittel gemäß der Erfindung wird beispielsweise auf 100°C bis 150°C erwärmt und muß dabei folgende Anforderungen erfüllen:

• 1. Als Beschleuniger darf es bei einer Erwärmung auf 150°C während langer Zeit nicht denaturiert oder zersetzt werden und muß bei der Löttemperatur aktiv sein und die Lötbedingungen fördern.
• 2. Als Verdünner des Aktivators muß es den Aktivator auflösen, aber bei einer Erwärmung auf 150°C nicht denaturieren oder zersetzen und soll außerdem dazu beitragen, das Lotauftragsvermögen zu verbessern, und muß abwaschbar sein, ohne einen giftigen Stoff abzugeben.

Als ein das erste Erfordernis erfüllender Aktivator ist erfindungsgemäß Phosphorsäure gewählt worden. Dazu gehört Orthophosphorsäure (H₃PO₄), Pyrophosphorsäure (H₄P₂O₇) und Metaphosphorsäure (HPO₃)_n. Hinsichtlich des Auflösungsvermögens sind Orthophosphorsäure und Pyrophosphorsäure vorzuziehen, von denen die erstere bevorzugt zum Fördern der Lötbedingungen benutzt wird. Wenn nachfolgend von Phosphorsäure die Rede ist, bezieht sich dies auf Orthophosphorsäure.

Das Lösungsmittel muß den Aktivator auflösen können und hochtemperaturbeständig sein und mit Phosphorsäure gemischt das Auftragsvermögen des Lots verbessern. Das Lösungsmittel gemäß der Erfindung ist aus der Gruppe der wärmebeständigen Phthalsäureester, Fettsäureester, Malein- und Fumarsäureester sowie Orthophosphorsäureester (wärmebeständig) aufweisenden Weichmacher.

Diese Lösungsmittel sind hinsichtlich des Auflösungsvermögens mit Phosphorsäure geprüft worden, wozu 4 Gew.-% Phosphorsäure zu 100 Gew.-% jedes der Lösungsmittel hinzugefügt wurde und das Gemisch dann eine Stunde lang auf 120°C erhitzt wurde. Die Mittel sind gleichfalls hinsichtlich der Lötbedingungen geprüft worden. Hierzu wurden einige Tropfen des Gemisches gemeinsam mit einem Stück Lot von 250 mg auf eine 30 mm×30 mm große Kupferplatte gegeben und diese dann 30 Sekunden lang auf eine Temperatur von 250°C erwärmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt, in deren Auswertungsspalten sich folgende Zeichen finden: , ○, ∆ und ×. Diese bezeichnen optimale, gute, zufriedenstellende bzw. nicht gute Ergebnisse.

Anhand der Versuchsergebnisse wurden als Lösungsmittel Tributoxyäthylphosphat (TBXP), Tricresylphosphat (TCP) und Cresylphenylphosphat (CDP) aus der Gruppe der Orthophosphorsäureester, Dibutylmaleat (DBM) aus der Gruppe der Maleinsäureester und Dibutyladipat sowie Dibutyldiglycoladipat aus der Gruppe der Fettsäureester ausgewählt.

Tabelle 1

Es hat sich gezeigt, daß Orthophosphorsäureester als Lösungsmittel zur Lösung in der Phosphorsäure geeignet ist, statt gegen die Beschleunigungsfunktion der Phosphorsäure zu wirken. So wurde mit Trisdichlorpropylphosphat (CRP) und dem halogenhaltigen, kondensierten Phosphorsäureester zusätzlich zum Tributoxyäthylphosphat und Cresyldiphenylphosphat eine Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei wurden diese Stoffe während einer Stunde auf 180°C erwärmt (entsprechend 120°C während 64 Stunden) und Änderungen im Farbton und der Viskosität überprüft. Es wurde festgestellt, daß Tributoxyäthylphosphat, Tricresylphosphat und Cresyldiphenylphosphat sich leicht in Richtung zu gelb geändert hatten, während die Viskosität unverändert war, während das halogenhaltige Orthophosphorsäureester sich zu braun verändert hatte und die Viskosität merklich erhöht war.

Deshalb wurde beschlossen, Tributoxyäthylphosphat, Tricresylphosphat, Tricresyldiphenylphosphat, Dibutylmaleat, Dibutyladipat und Dibutyldiglycoladipat als Lösungsmittel einzeln oder im Gemisch zu verwenden.

Das Verhältnis zwischen Phosphorsäure und Lösungsmittel wurde im Bereich von 5 : 1000 bis 0,5 : 1000 in der Familie von Phosphorsäure und Tricresylphosphat untersucht. Es hat sich gezeigt, daß mindestens mehr als 1 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 3 Gew.-% Phosphorsäure für 100 Gew.-% Lösungsmittel benötigt wird, wie Tabelle 2 zeigt.

Tabelle 2

Ferner wurden einige Zusätze untersucht, und dabei stellte sich heraus, daß 2,3-Dibrompropanol im Bereich der Löttemperatur aufgelöst wird und ein Gas erzeugt, welches eine Rührwirkung im Lötflußmittel erzeugt, wodurch die Lötbedingungen ebenso wie die Lötgeschwindigkeit verbessert werden. Ferner hat sich gezeigt, daß herkömmliches Harz und mit Phenolharz denaturiertes Harz hinzugefügt werden kann. Das aus der Phosphorsäure und dem genannten Lösungsmittel zusammengesetzte Lötflußmittel hat, ohne ein brennbares und flüchtiges organisches Lösungsmittel, wie Isopropylalkohol und dgl. zu enthalten, eine solche Wärmebeständigkeit, daß es in dem Flußmittelvorratsbehälter einer automatischen Lötvorrichtung beispielsweise bis auf 100°C bis 150°C erwärmt und auf die zu lötende Platine aufgetragen werden kann.

Das Flußmittel wird nicht verfärbt oder denaturiert und erzeugt auch keinen unangenehmen Geruch und kein giftiges Gas oder Feuergefahr durch Verbrennen. Das Flußmittel verbessert das wirksame Lötvermögen ebenso wie das Lotbenetzungsvermögen.

In Tabelle 3 sind die Lötflußmittel aufgeführt, die erfindungsgemäß zusammengesetzt sind und deren Eigenschaften mit einem Moniscographen ausgewertet wurden. Dabei zeigte sich, daß die Flußmittel dem bekannten, handelsüblichen Flußmittel insbesondere beim Löten von Messing und Nickel überlegen sind.

Claims (2)

1. Flußmittel für das Löten von Leiterplatten mit einer Lösung oder Mischung aus einem nicht brennbaren oder schwer entzündlichen Lösungsmittel mit geringem Dampfdruck, das aus einem oder mehreren der folgenden Stoffe Tricresylphosphat, Cresyldiphenylphosphat, Tributoxyethylphosphat, Dibutyladipat, Dibutylglycoladipat und Dibutylmaleat ausgewählt ist,
- mit Phosphorsäure, die auch Orthophosphorsäure (H₃PO₄), Pyrophosphorsäure (H₃P₂O₇) und Metaphosphorsäure (HPO₃)_n einschließt als Aktivator, der bei einer höheren Temperatur als die des erhitzten Flußmittels aktiviert und bei der Temperatur des erhitzten Flußmittels stabilisiert ist, und
- mit 2,3-Dibrompropanol als Zusatz, der in dem Lösungsmittel und dem Aktivator leicht löslich ist.

2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz weiterhin aus Harz oder mit Phenolharz denaturiertem Harz besteht.