DE3720594C2 - - Google Patents
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- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lötmetall-Zusammen
setzung auf der Basis eines Zinn-Wismut-Blei-Systems, wel
che durch eine niedrige Aufschmelztemperatur von maximal 150°C
gekennzeichnet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine
Lötmetall-Zusammensetzung, welche bestimmte Mengen an Zinn,
Wismut und Blei als Hauptkomponenten und eine geringe Menge
an Gallium sowie gegebenenfalls an Nickel als weitere
Komponenten enthält.
Die erfindungsgemäße Lötmetall-Zusammensetzung ist bei niedriger
Löttemperatur verarbeitbar und sie fließt gut in den Zwischenraum
zwischen einem unten liegenden Werkstück oder einem
Substrat und einem damit zu verbindenden, darüber liegenden
Werkstück ein und bildet eine feste Bindung zwischen
dem Werkstück und dem Substrat.
Übliche Lötmetall-Zusammensetzungen bestehen im wesentlichen
aus Zinn und Blei und haben einen Schmelzpunkt bei einer Tem
peratur von etwa 183°C. Ein Lötkolben wird bei der prakti
schen Anwendung bis auf eine Temperatur von etwa 400°C an der
Lötspitze oder dem Brennkopf erhitzt, so daß das feste Löt
metall zu einer Schmelze oder einem flüssigen Tropfen auf
schmilzt. Anders ausgedrückt, wurden übliche Lötmetalle zum
Zwecke des Aufschmelzens auf wesentlich höhere Temperaturen
erhitzt als dem Schmelzpunkt des Lötmetalls entsprach, und
bei der Durchführung der Lötarbeiten wurden diese üblichen Be
dingungen nicht nur beim Löten mittels eines Handlötkolbens,
sondern auch bei den kürzlich entwickelten Lötapparaturen
eingehalten, in welchen automatisierte Brennerköpfe angeord
net sind. Dies bedeutet, daß die Brennerköpfe oder entspre
chende äquivalente mechanische Vorrichtungsteile in üblicher
Weise betrieben wurden.
Die bekannten Lötwerkstoffe auf der Basis eines Sn-Pb-
Systems weisen außerdem den Nachteil auf, daß sich auf der
Schmelze bei den üblichen Badtemperaturen von 230 bis 270°C
eine Oxidhaut ausbildet (auch als "Anlaufen" bezeichnet). Als
Gegenmittel ist es bekannt, der Schmelze geringfügige Mengen
an Gallium zuzusetzen (vgl. DE-AS 25 27 627), welches in die
Oxidhaut eingebaut wird und dadurch die Diffusion von Zinnionen
aus der Schmelze in die Oxidschicht vermindert.
Um die Wärmeermüdungs-Beständigkeit von Lötmetall-Verbundstellen
bie Materialien auf der Basis von Sn-Pb-Systemen
zu verbessern, ist es weiterhin aus der DE-OS 35 23 808 bekannt,
das geschmolzene Lot mit einer bestimmten Mindestabkühlungsgeschwindigkeit
abzukühlen, um so die Ausbildung gewünschter
Gefügestrukturen zu begünstigen. Diese Systeme
können auch geringe Mengen anderer Metalle, wie z. B. 1 Gew.-%
Kupfer, Nickel, Wismut und/oder Gallium enthalten.
Als Kühlflüssigkeiten für Kernkraftwerke sind schließlich
quaternäre Legierungssysteme des Typs Sn-Pb-Bi-Ga beschrieben
worden, welche bis zu 55 Gew.-% Bi und 3 bis 10 Gew.-%
Gallium enthalten (vgl. US-PS 25 95 925).
Die elektronische Industrie macht jedoch seit kurzem das
Löten von thermisch wenig beständigen kleindimensionierten
Teilen erforderlich, wobei die Kolbenspitzen nicht auf so
hohe Temperaturen aufgeheizt werden dürfen, wie es bisher üblich
war, und die Temperatur auf maximal etwa 150°C beschränkt
ist. Diese einschränkende Bedingung macht es erforderlich,
bei der technischen Entwicklung neuer Lötmetalle darauf zu achten,
daß sie diesen Bedingungen entsprechen, d.h. daß das Lötmetall
bei etwa 150°C schmelzflüssig ist und daß die Schmelze
eine Fließfähigkeit, Viskosität und Benetzungsfähigkeit aufweist,
welche derjenigen entspricht, wie sie bei üblichen
Lötmetallen anzutreffen ist, welche unter üblichen höheren
Temperaturen eingesetzt werden. Andererseits sollen die gelöteten
Produkte anschließend eine gute Hitzebeständigkeit aufweisen,
was bedingt, daß neue Lötmetalle zwischen etwa 100
und 150°C aufschmelzen sollen und daß sie im geschmolzenen
Zustand Eigenschaften aufweisen, welche denjenigen von üblichen
Lötmetallen im geschmolzenen Zustand vergleichbar sind.
Im Hinblick auf die vorstehend genannten Anforderungen wurden
vor kurzem bei tiefer Temperatur einsetzbare Lötmetalle
auf der Basis eines Sn-Cd-Pb-Systems entwickelt, welche durch
Zusatz von 5 bis 15 Gewichtsprozent Cadmium zu üblichen
Systemen auf der Basis von Zinn und Blei erhalten werden.
Außerdem wurden Lötmetalle auf der Basis eines Sn-Bi-Pb-
Systems entwickelt, welche 10 bis 60 Gewichtsprozent Wismut
anstelle von Cadmium enthalten.
Die bekannten Lötmetalle auf der Basis eines Sn-Cd-Pb-Systems
haben jedoch den Nachteil, daß sie kostspielig sind und
außerdem ein Gesundheitsrisiko für den Menschen darstellen,
obwohl ihre Bindungsfähigkeit an sich zufriedenstellend ist.
Das bekannte Sn-Bi-Pb-System wurde praktisch
geprüft mittels Lötarbeiten, mit denen elektronische
Teile auf ein Substrat in Form einer Kupferplatte aufgelötet
wurden, und die gelöteten Teile wurden anschließend einem
Biegetest unterworfen und zeigten dabei an den gelöteten
Stellen gut erkennbare Risse bzw. eine Schichtentrennung
bzw. Ablösung, was darauf hinweist, daß dieses Lötmetall-
System sowohl in bezug auf die Bildung von Biegungsrissen
als auch in bezug auf die Bindungsfestigkeit Lötmetallen
üblicher Art unterlegen ist.
Es wurden dann die Fehlstellen im einzelnen untersucht, und
es wurde festgestellt, daß die Tropfen des aufgeschmolzenen Lötmetalls
nicht weit genug in den Raum zwischen dem aufzulötenden
Werkstück und dem Substrat eingeflossen oder eingedrungen
waren. Aus diesem Grund hatte sich zwischen den beiden Teilen
keine ausreichende Schicht an Lötmetall ausgebreitet.
Diese Erfahrungen führten zu dem Schluß, daß die einzelnen
Vertreter eines Lötmetalls auf der Basis eines Sn-Bi-Pb-
Systems wegen ihrer schlechten Fließfähigkeit und schlechten
Benetzbarkeit im Hinblick auf die äußere Gestaltung und die
Materialeigenschaften der miteinander zu verbindenden Werkstücke
überprüft und ausgewählt werden müssen und daß daher
dieses kürzlich entwickelte Sn-Bi-Pb-System nur in einem sehr
engen Bereich anwendbar ist.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Lötmetall-Zusammensetzung
zur Verfügung zu stellen, welche bis zu einer Temperatur
von maximal 150°C aufschmilzt, eine gute Benetzbarkeit der Lötmetallschmelze
in bezug auf das Werkstück gewährleistet und
dadurch eine hohe Bindungsfestigkeit an der Lötstelle ergibt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine bei
niedriger Temperatur einsetzbare Lötmetall-Zusammensetzung
zur Verfügung zu stellen, welche während des Lötvorgangs
geringere Mengen an Oxidationsnebenprodukten bildet.
Eine andere Aufgabe der Erfindung war es außerdem, eine Lötmetall-
Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen, welche sich
dazu eignet, Teile mit relativ geringer Wärmefestigkeit und
kleinen Abmessungen zu löten, insbesondere solche Teile, wie
sie in der elektronischen Industrie gelötet werden müssen.
Außerdem war es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lötmetall-
Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen, welche dazu geeignet
ist, eine nochmalige Lötung an einer Stelle durchzuführen, wo
vorher mit einem üblichen Zinn-Blei-System mit relativ hoher
Schmelztemperatur gelötet worden war, ohne daß die verfestigte
Lötschicht oder der noch vorhandene Teil an alter Lötmetalllegierung
vor Durchführung der erneuten Lötung mittels einer
erfindungsgemäßen Lötmetall-Zusammensetzung entfernt werden
müßte.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine bei
niedriger Löttemperatur einsetzbare Lötmetall-Zusammensetzung
mit einer Aufschmelztemperatur von maximal 150°C auf der Basis
eines Sn-Bi-Pb-Systems, welche dadurch gekennzeichnet ist,
daß sie 25 bis 35 Gewichtsprozent Zinn, 25 bis 35 Gew.-%
Wismut, 0,005 bis 1,0 Gew.-% Gallium und gegebenenfalls 0,01
bis 0,1 Gewichtsprozent
Nickel sowie Blei als Restmenge auf 100 Gewichtsprozent
enthält. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
enthält die erfindungsgemäße Lötmetall-Zusammensetzung zusätz
lich ein Oxidationsmittel in einer Menge von weniger als 0,5
Gewichtsprozent. Insbesondere eignen sich Phosphor und/oder
Calcium als Antioxidationsmittel.
Eine erfindungsgemäße Lötmetall-Zusammensetzung enthält die
nachstehenden Komponenten:
Zinn | |
28,5 Gewichtsprozent | |
Wismut | 28,5 Gewichtsprozent |
Gallium | 0,1 Gewichtsprozent |
Blei | Rest auf 100 Gewichtsprozent |
und diese Zusammensetzung hat einen Schmelzbereich von 96
bis 134°C.
Die erfindungsgemäße Lötmetall-Zusammensetzung wird in ent
sprechender Weise hergestellt wie übliche Lötmetalle, wie
nachstehend im einzelnen noch erläutert werden wird.
Beispielsweise wird ein vorher gereinigter Tiegel mit der
erforderlichen Menge an metallischem Zinn beschickt und dann
in einem Ofen auf 300°C erhitzt, um das Zinn aufzuschmelzen.
Anschließend werden nacheinander die entsprechenden Mengen an
metallischem Gallium, Wismut und Blei in den Tiegel gefüllt
und zusammen aufgeschmolzen, und die Mischung wird dann
kräftig gerührt. Anschließend gießt man die Schmelze in eine
Form ein und gibt ihr dadurch die gewünschte äußere Gestalt.
Versuchslötungen unter Verwendung des vorstehend genannten
Lötmetalls unter Verwendung eines nachstehend noch beschrie
benen Flußmittels werden durchgeführt, indem man klein dimen
sionierte elektronische Teile auf eine Kupferplatte mit den
Abmessungen 30 mm×30 mm×1 mm als Substrat in einem elektri
schen Ofen mit einer eingeregelten Temperatur von 155±3°C
verlötete, wobei diese Bedingungen denjenigen entsprechen, wie
sie in der Industrie bei der Herstellung von Chips oder Plat
ten für integrierte Schaltungen angewendet werden.
Nach dem Abkühlen wurden die so miteinander verbundenen Teile
bzw. plattenförmigen Anordnungen einem Biegetest unterworfen,
um die Bindungsfestigkeit festzustellen, mit dem Ergebnis, daß
im Gegensatz zu der Anwendung von üblichem Tieftemperatur-
Lötmetall an den Lötstellen keine Fehler oder Defekte festge
stellt werden konnten.
Dieses überlegene Ergebnis beruht auf der Verbesserung in
bezug auf die Benetzbarkeit durch die schmelzflüssige Löt
metall-Zusammensetzung gemäß der Erfindung, und einen ent
scheidenden Einfluß hat dabei der Zusatz von Gallium zu dem
Lötmetall, denn es wurde visuell beobachtet, daß das ge
schmolzene Lötmetall sich in einer größeren Fläche ausbrei
tete und damit eine gut deckende Lötmetallschicht bildete als
bei konventionellen Lötmetallen. Der vorstehend beschriebene
Biegetest wurde auch bei den nachstehend noch zu beschreiben
den Beispielen für Lötarbeiten angewendet.
Anstelle eines elektrischen Ofens kann auch ein Heizsystem
unter Verwendung von Dampf eingesetzt werden, beispielsweise
unter Verwendung eines fluorierten Lösungsmittels mit einem
Siedepunkt von 155°C.
Das für die Lötarbeiten eingesetzte Flußmittel hatte die nach
stehende
Zusammensetzung:
Gewichtsprozent | |
WW-Rosin (Kollophoniumharz, Handelsqualität) | 29,3 |
Diisobutylaminsalz der Itaconsäure | 8,0 |
Diäthylanilin | 1,2 |
Isopropylalkohol | 60,0 |
Benzotriazol | 1,5 |
Eine Lötmetall-Zusammensetzung mit einem Schmelzbereich von
97 bis 138°C wurde hergestellt, welche die folgende Zusam
mensetzung aufwies:
Gewichtsprozent | |
Zinn | 30,0 |
Wismut | 34,8 |
Gallium | 0,7 |
Phosphor (als Antioxidationsmittel) | 0,008 |
Blei | Restmenge auf 100% |
Diese Lötmetall-Zusammensetzung kann in der gleichen Weise
hergestellt werden wie in Beispiel 1 beschrieben. Wegen der
Schwierigkeit, elementaren Phosphor aufzuschmelzen, wird
jedoch empfohlen, stattdessen in an sich bekannter Weise
vorher eine Legierung aus Phosphor und Zinn herzustellen
und den Phosphor auf diese Weise zusammen mit dem Zinn in
die Schmelze einzutragen.
Dieses Lötmetall weist den zusätzlichen Vorteil auf, daß in
folge des Phosphorzusatzes eine Oxidation der Lötmetall
schmelze weitgehend verhindert wird und daß außerdem die An
wesenheit von Gallium die Benetzungsfähigkeit der Schmelze
wesentlich verbessert. Demgemäß wurde auf dem Substrat eine
gute Ausbreitung der Schmelze des Lötmetalls beobachtet und
dieses ergab eine schnellere Haftung und eine bessere Bin
dungsfestigkeit.
Aus den nachstehenden Bestandteilen wurde eine Lötmetall-
Zusammensetzung mit einem Schmelzbereich von 97 bis 138°C
hergestellt:
Gewichtsprozent | |
Zinn | 30,0 |
Wismut | 34,8 |
Gallium | 0,7 |
Nickel | 0,03 |
Calcium (Antioxidationsmittel) | 0,40 |
Blei | Restmenge, bezogen auf 100% |
Auch in diesem Fall ist es empfehlenswert, im voraus eine
Legierung aus Calcium und Blei herzustellen, um auf diese
Weise die Schwierigkeiten des Aufschmelzens von Calcium beim
direkten Zusatz zu vermeiden. Auch diese Lötmetall-Zusammen
setzung weist eine verbesserte Benetzungsfähigkeit infolge
der Anwesenheit von Gallium auf und außerdem führt die An
wesenheit von Nickel dazu, daß die verfestigte Lötmetall
schicht eine feinere kristalline Struktur aufweist, wodurch
eine stärkere Bindungsfestigkeit und eine größere Widerstands
fähigkeit gegenüber Spannungsrissen erhalten wird.
Es wurde eine erfindungsgemäße Lötmetall-Zusammensetzung aus
den nachstehenden Komponenten erhalten:
Gewichtsprozent | |
Zinn | 34,80 |
Wismut | 26,80 |
Gallium | 0,006 |
Nickel | 0,08 |
Phosphor (Antioxidationsmittel) | 0,40 |
Calcium (Antioxidationsmittel) | 0,03 |
Blei | Restmenge auf 100% |
Diese Lötmetall-Zusammensetzung weist den entscheidenden
Vorteil auf, daß infolge der Anwesenheit von sowohl Phosphor
als auch Calcium die Bildung von Oxiden als Nebenprodukte
praktisch vollständig verhindert wird, während die Anwesen
heit von Gallium und Nickel die Bindungsfestigkeit und die
Beständigkeit gegenüber mechanischen Spannungen erhöht.
Ihr Schmelzbereich liegt zwischen 99 und 140°C.
Die Gehalte an Zinn und Wismut in den erfindungsgemäßen
Lötlegierungen wurden so gewählt, daß die gewünschten Schmelz
temperaturen, basierend auf dem Phasendiagramm eines konventio
nellen Systems Sn-Bi-Pb , eingestellt werden konnten.
Der Zinngehalt wurde jedoch auf den Bereich von 25 bis 35 Ge
wichtsprozent beschränkt, um eine Schmelztemperatur oberhalb
135°C einzustellen. Der Gehalt an Wismut wurde auf 35 Ge
wichtsprozent beschränkt, weil die Bindungsfestigkeit trotz
des Zusatzes von Gallium und Nickel oberhalb dieser Konzentra
tion abnimmt, während der untere Konzentrationswert von 25
Gewichtsprozent gewählt wurde, weil sonst die Schmelztempera
tur bzw. die Temperatur, wo sich eine flüssige Phase bildet,
scharf ansteigt. Geeignete Konzentrationen an Gallium wurden
auf den Bereich von 0,005 bis 1% beschränkt, weil unterhalb
eines Wertes von 0,005 Gewichtsprozent eine Schichtentrennung
bzw. -ablösung nicht immer vermieden werden kann, während
oberhalb einer Konzentration von 1 Gewichtsprozent keine zu
sätzlichen Vorteile eintreten.
Der Nickelgehalt wurde auf den Bereich von 0,01 bis 0,1 Ge
wichtsprozent beschränkt, weil unterhalb 0,01% die Bindungs
festigkeit abnimmt, während oberhalb 0,1% die Schmelztempera
tur scharf ansteigt.
Der Gehalt an Antioxidationsmittel, vorzugsweise Phosphor
und/oder Calcium, ist auf einen Wert unterhalb 0,5 Gewichtspro
zent beschränkt, weil oberhalb dieser Menge kein weiterer vor
teilhafter Effekt bezüglich einer Verhinderung der Oxidbildung
eintritt, während außerdem die Bindungsfestigkeit in uner
wünschter Weise herabgesetzt wird.
Die erfindungsgemäßen Lötmetall-Zusammensetzungen können in
üblicher Weise zu einem Draht oder einer Stange verformt wer
den, oder sie können als Pulver oder Paste eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäßen Lötmetall-Zusammensetzungen können bei
der praktischen Anwendung in der gleichen Weise gehandhabt wer
den wie konventionelle Lötmetalle des Sn-Bi-Pb-Systems, sie
ergeben jedoch eine bessere Benetzbarkeit und eine bessere
elastische Bindung, wodurch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit
gegenüber Spannungsrissen bzw. gegenüber einer Schichtentren
nung beim Biegetest erhalten werden, wie vorstehend bereits
beschrieben. Die erfindungsgemäßen, bei tiefer Temperatur
einsetzbaren Lötmetall-Zusammensetzungen eignen sich daher
für alle Anwendungsbereiche, wo die Lötarbeiten bei tieferen
Temperaturen durchgeführt werden müssen, insbesondere beim
Zusammenbau von Anordnungen, wie sie in der elektronischen
Industrie erforderlich sind, wo thermisch wenig widerstands
fähige kleindimensionierte Teile untereinander oder mit einem
Substrat verbunden werden müssen.
Claims (3)
1. Eine bei niedriger Löttemperatur einsetzbare Lötmetall-
Zusammensetzung mit einer Aufschmelztemperatur von maximal
150°C auf der Basis eines Sn-Bi-Pb-Systems, dadurch gekennzeichnet,
daß sie 25 bis 35 Gewichtsprozent Zinn, 25
bis 35 Gewichtsprozent Wismut, 0,005 bis 1 Gewichtsprozent
Gallium und gegebenenfalls 0,01 bis 0,1 Gewichtsprozent
Nickel sowie Blei als Restmenge auf 100 Gewichtsprozent
enthält.
2. Lötmetall-Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie zusätzlich ein Antioxidationsmittel in
einer Menge von weniger als 0,5 Gewichtsprozent enthält.
3. Lötmetall-Zusammensetzung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie Phosphor und/oder Calcium als Anti
oxidationsmittel enthält.
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