DE4235575C2 - Weichlotpaste zum Löten von elektronischen Schaltungen - Google Patents
Weichlotpaste zum Löten von elektronischen SchaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Weichlotpaste zum Löten
von elektronischen Bauteilen und Schaltungen unter
Schutzgas, insbesondere unter Sticksoff mit niedrigem
Restsauerstoffgehalt, bestehend aus einem
Weichlotpulver, einem organischen Harz, einem
Aktivator und einem Lösungsmittel.
Weichlotpasten, bestehend aus Weichlotpulvern, Harzen,
Aktivatoren und Lösungsmitteln, werden in zunehmendem
Maße für Lötprozesse eingesetzt.
Die Aktivatoren in diesen Weichlotpasten, die in der
Elektronikindustrie zum Verbinden von elektronischen
Bauelementen eingesetzt werden, haben die Aufgabe,
durch Auflösung der störenden Oxidschichten des
Lotpulvers, der Substrate und der Bauteile, für eine
gute Benetzung beim Lötprozeß zu sorgen.
Da Lotpasten in der automatischen Fertigung von
elektronischen Schaltungen überwiegend im Sieb- und
Schablonendruck verarbeitet werden, können sie zur
Verbesserung der rheologischen Eigenschaften
zusätzlich Tenside, Additive und Thixotropiermittel
enthalten.
Übliche Weichlotpasten sind homogene Mischungen aus
einer Weichlotlegierung in Pulverform, die in einem
flüssigem Medium, das aus einem Harz, Aktivatoren,
Lösungsmitteln und Löthilfsstoffen besteht, dispergiert
ist.
Als Harze, die die Klebrigkeit (wichtig für die
Bestückung), Verarbeitbarkeit und Konsistenz der
Lotpasten bestimmen, werden üblicherweise Polymere
verwendet.
Zu den Polymeren gehören:
Natürliche Harze, wie Kolophonium und Kolophoniumderivate (Veresterungsprodukte von Kolophonium), Cellulosederivate, und Kunstharze auf der Basis von Reaktionsprodukten von gesättigten und ungesättigten Carbonsäuren mit Alkoholen.
Natürliche Harze, wie Kolophonium und Kolophoniumderivate (Veresterungsprodukte von Kolophonium), Cellulosederivate, und Kunstharze auf der Basis von Reaktionsprodukten von gesättigten und ungesättigten Carbonsäuren mit Alkoholen.
Die Weichlotpasten enthalten überwiegend
halogenhaltige Flußmittel und Aktivatoren, die während
des Lötprozesses Halogen abspalten und somit aus
arbeitsphysiologischer Sicht bedenklich sind. Zudem
sind in den Rückständen nach dem Lötprozeß große
Mengen ionischer Verunreinigungen enthalten, die bei
feuchter Lagerung der gelöteten Teile Korrosion
hervorrufen und somit mit
Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) abgewaschen
werden müssen, deren Umweltproblematik bekannt ist.
Flußmittel auf Kolophoniumbasis, die zur Verbesserung
der Flußmittelwirkung des Harzes zusätzlich mit
aliphatischen, alicyclischen oder aromatischen Mono-
oder Di-Carbonsäuren aktiviert sein können, sind
beispielsweise in der DE 29 21 827 B2, der EP
0 215 773 B1, der DD-PS 227 634 und in der US-PS
5,004,509 beschrieben.
Neben den Vorteilen, wie gute Flußmittelwirkung der
Abientinsäureisomeren im natürlichen Baumharz und der
hohen Klebrigkeit, haben Lotpasten mit Kolophonium
jedoch auch entscheidende Nachteile.
Kolophonium ist ein Naturprodukt und unterliegt daher
beträchtlichen Schwankungen in der chemischen
Zusammensetzung, wodurch eine gleichbleibende Qualität
und Reinheit des Harzes nicht gewährleistet ist. Die
hohe Säurezahl des Kolophoniumharzes (SZ<160) bedingt
generell, unabhängig von einer eventuellen
zusätzlichen Aktivierung, hohe ionische
Verunreinigungen durch die Flußmittelrückstände. Die
gelbliche Eigenfarbe der Kolophoniumharze stört
außerdem die optische Inspektion der ungewaschenen
Leiterplatten und ist aus kosmetischen Gesichtspunkten
nicht akzeptabel. Weiterhin können
Kolophoniumrückstände, wenn sie auf der Lötstelle
verbleiben, mit Luftsauerstoff reagieren und
verspröden. Dieser Alterungseffekt führt zu
unerwünschten Korrosionserscheinungen auf der
Leiterplatte. Kolophoniumharze sind wenig
hitzebeständig. Bei höheren Löttemperaturen kann es
daher zur Bildung von Zersetzungsprodukten kommen, die
eine vollkommene Isolation der Rückstände vor
Feuchtigkeit nicht mehr gewährleisten und damit
Korrosion verursachen können.
Die GB-PS 2,198,676 beschreibt eine kolophoniumfreie
Lotpaste, die minimale oder keine Rückstände nach dem
Lötprozeß zeigt. Auf Grund der Zusammensetzung des
Binde-Flußmittelsystems besitzen diese Pasten jedoch
nicht die für den Siebdruck und das Bestücken mit
Bauteilen erforderliche Klebrigkeit.
In der DE-OS 27 25 701 wird eine kolophoniumfreie
Lotpaste erwähnt, deren Flußmittel im wesentlichen aus
dem Carbonsäureester eines Polyhydroxyalkohols
besteht. Diese Substanzen haben jedoch den Nachteil,
daß ihre Herstellung schwierig und teuer ist und zudem
bei höherer Temperatur und unter dem Einfluß von
Feuchtigkeit eine Zersetzung (Verseifung eines Esters)
in Alkohol und Säure eintritt, die dann Korrosion
hervorrufen kann.
In neuerer Zeit ist durch die US 4,919,729 eine
Lotpaste für den Einsatz in einer reduzierenden
Atmosphäre bekannt geworden. Diese Paste besteht aus
einer homogenen Suspension von Lotpulver in einem
höhersiedenden Alkohol. Die Flußmittelwirkung wird
hierbei durch das reduzierend wirkende Gas
(Wasserstoff oder Kohlenmonoxid) hervorgerufen. Dieses
Verfahren hat jedoch zwei gravierende Nachteile. Zum
einen tritt durch das Fehlen von Thixotropiermitteln
und Harzsubstanzen sehr schnell eine Separierung von
Lotpulver und Bindemittel ein. Außerdem beginnt die
Reduktion der Metalloxide durch Wasserstoff und
Kohlenmonoxid erst merklich ab 300°C, so daß die in
der Elektronik üblichen Lotlegierungen mit einem
Schmelzpunkt von ca. 180°C (Sn63Pb und Sn62Pb36Ag2)
nicht eingesetzt werden können.
Im Derwent Abstract Nr. 73-66-351 U/44 wird ein
Flußmittel beschrieben, das ein Terpenharz enthält.
Dieses Harz soll zwar zu einem nichtkorrosiven
Flußmittel führen, über dessen Langzeitverhalten gibt
es allerdings keine Angaben. Da Terpenharze
ungesättigte Bestandteile enthalten,
unterliegen sie einer allmählichen Oxydation unter
Ausbildung korrosiv wirkender Produkte, so daß die
Rückstände nach dem Lötvorgang abgewaschen werden müssen.
Eine stromleitende als "Lotpaste" bezeichnete Paste wird im
Derwent Abstract Nr. 87-082 384/12 geoffenbart, bestehend
aus einem leitfähigen Pulver und einer Harzkomponente, die
einen Epoxibestandteil, ein Epoxisilan und ein spezielles
Harz aus einer Erdölfraktion erhält. Diese Paste härtet aus
und wird nicht wie ein Lot aufgeschmolzen.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Weichlotpaste zum Löten elektrischer Bauteile und
Schaltungen unter Schutzgas, insbesondere unter Stickstoff
mit niedrigen Restsauerstoffgehalten, zu entwickeln,
bestehend aus einem Weichlotpulver, einem organischen Harz,
einem Aktivator und einem Lösungsmittel, die
kolophoniumfrei ist, und deren Rückstände nach dem Löten
keine Korrosion verursachen und daher nicht mehr
abgewaschen werden müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
organische Harz ein gesättigtes, aliphatisches
Kohlenwasserstoffharz mit einer Säurezahl kleiner 50
mg/KOH/g ist und einen Erweichungspunkt von 50°C bis
150°C aufweist.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß Weichlotpasten
für Schutzgaslötprozesse, bestehend aus feinkörnigem
Weichlotpulver und den erfindungsgemäßen
Kohlenwasserstoffharzen, die zusätzlich noch geringe Mengen
von Aktivatoren, rheologischen Additiven und Lösungsmitteln
enthalten können, hinsichtlich der ionischen
Verunreinigungen der Lötrückstände und des
Oberflächenwiderstandes (Isolationswiderstand nach
DIN 32 513) deutlich bessere Ergebnisse als die
herkömmlichen Lotpasten auf Kolophoniumbasis oder
Terpenharzbasis ergeben.
Synthetische, vollständig gesättigte, acyclische
aliphatische Kohlenwasserstoffharze mit einer
Säurezahl kleiner 50 mg KOH/g Harz, vorzugsweise einer
Säurezahl von annähernd 0, zeichnen sich gegenüber den
konventionellen Harzen als Bindemittel in Lotpasten
durch mehrere positive Eigenschaften aus.
Synthetische aliphatische Kohlenwasserstoffharze sind
transparent und besitzen keine oder nur eine geringe
Eigenfarbe, wodurch eine optische Inspektion der
ungewaschenen Leiterplatten nicht beeinträchtigt wird.
Durch die vollständige Absättigung aller reaktiver
Gruppen sind gesättigte aliphatische
Kohlenwasserstoffharze besonders stabil gegenüber
Oxidationsvorgängen durch Luftsauerstoff und
Polymerisations- und/oder Zersetzungsreaktionen bei
den hohen Temperaturen des Lötprozesses.
Alterungserscheinungen, die zum Verspröden und
Abplatzen der Flußmittelrückstände führen, sowie eine
Korrosion der Lötstellen durch ionogene
Zersetzungsprodukte der Harze werden somit
ausgeschlossen.
Die geringe Säurezahl und die hydrophobe, unpolare
Oberfläche der aliphatischen Kohlenwasserstoffharze,
die die Aktivatorrückstände auf der Lötstelle
einschließen, verhindert die Anlagerung und das
Eindiffundieren von Wasser während der Lagerung und
dem Betrieb von elektronischen Schaltungen bei höheren
Luftfeuchtigkeiten.
Somit werden weniger ionische Verunreinigungen, die
infolge ihrer elektrolytischen Dissoziation Korrosion
hervorrufen können, aus den Lötrückständen
freigesetzt.
Da die synthetischen Kohlenwasserstoffharze aus
wohldefinierten Ausgangsverbindungen hergestellt
werden, können diese gegenüber den natürlich
gewonnenen Harzen (Kolophonium) in einer
gleichbleibenden Qualität und Reinheit als Bindemittel
in Lotpasten eingesetzt werden.
Als zusätzliche Aktivatoren sind zur Verbesserung der
Flußmittelwirkung gesättigte und/oder ungesättigte
organische Mono-, Di- und Polycarbonsäuren,
insbesondere gesättigte aliphatische Dicarbonsäuren
mit einer Kohlenstoffzahl von 4 bis 10, beispielsweise
Bernsteinsäure, Adipinsäure und Korksäure, die während
des Lötprozesses frei von ionogenen
Zersetzungsprodukten verdampfen, einsetzbar.
Durch die Verhinderung der Reoxidation des Lotpulvers
während des Lötprozesses unter einer
Schutzgasatmosphäre kann die Aktivatorkonzentration
gegenüber handelsüblichen Lotpasten sehr gering
gehalten werden, was naturgemäß zu einer Verringerung
der Umweltbelastung durch die beim Löten entstehenden
Zersetzungsprodukte führt.
Weiterhin ist sichergestellt, daß die Lötrückstände in
feuchter Atmosphäre nicht nachträglich zu Korrosion
der Lötstelle führen.
Auf eine Reinigung der elektronischen Schaltungen mit
umweltschädlichen FCKW kann somit verzichtet werden.
Als besonders geeignete Harze in Weichlotpasten für
Schutzgaslötprozesse haben sich die synthetischen
Kohlenwasserstoffharze Arkon P70, Arkon P100 der Firma
Arakawa Chemical Industries, Ltd., sowie die Harze
Escorez 1304 und Escorez 1310 der Esso Chemie GmbH
erwiesen.
Als Lösungsmittel im Rahmen der erfindungsgemäßen
Weichlotpaste für Schutzgaslötprozesse werden mit
Vorteil hochsiedende, nicht hygroskopische Alkohole
und Ester, insbesondere Alkanole mit 13-20
Kohlenstoffen, oder Glykole und Glykolether, wie
beispielsweise Dibutyldiglykol eingesetzt.
Netzmittel und Thixotropiermittel sind als Additive in
Lotpasten allgemein bekannt.
Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen die
erfindungsgemäßen Weichlotpasten näher erläutern:
- 1. Es wird ein Harz-Flußmittelsystem für eine
Schutzgaslotpaste gemäß folgender Rezeptur
hergestellt:
Kohlenwasserstoffharz (Arkon P100) 41.00 Teile Isohexadecylalkohol 46.50 Teile Adipinsäure 3.75 Teile Korksäure 3.75 Teile Thixotropiermittel 5.00 Teile 100.00 Teile
Der Oberflächenwiderstand dieser Lotpaste liegt bei Messung nach der DIN 32 513 bei größer 10¹¹ Ohm. Die Verarbeitbarkeit, Lagerstabilität und Viskositätsstabilität entspricht den herkömmlichen Lotpasten auf Kolophoniumbasis. - 2. Es wird ein Harz-Flußmittelgemisch folgender
Zusammensetzung hergestellt:
Kohlenwasserstoffharz (Escorez 1304) 39.50 Teile Adipinsäure 3.00 Teile Maleinsäure 1.00 Teile Ethylcellulose 4.50 Teile Tripropylenglykol 48.00 Teile 100.00 Teile
Diese Paste wird im Schablonendruck auf ein Substrat aufgebracht, die Bauelemente aufgesetzt und anschließend in einem IR-Reflowofen unter Stickstoffatmosphäre aufgeschmolzen. Die Paste ergibt eine sehr gute Benetzung an den Bauteilanschlüssen. Da die Pastenrückstände kaum ionogenen Charakter besitzen, bei einer Messung im Ionographen liegen die ionischen Verunreinigungen unter dem Grenzwert von 3.1 µg NaCl/cm², tritt auch bei einer anschließenden Lagerung im Feuchteklima (DIN 32 513, 40°C, 92% r. Feuchte) keine Korrosion der Lötstellen auf.
In beiden Fällen kann bei Verwendung der
erfindungsgemäßen Weichlotpaste für
Schutzgaslötprozesse, insbesondere bei Lötungen
unter Stickstoff mit sehr geringen
Restsauerstoffgehalten, auf die stark
umweltschädlichen Reinigungsmedien, wie Chlor- oder
Fluorchlorkohlenwasserstoffe, gänzlich verzichtet
werden.
Claims (1)
- Weichlotpaste zum Löten von elektronischen Bauteilen und Schaltungen unter Schutzgas, insbesondere unter Stickstoff mit niedrigen Restsauerstoffgehalten, bestehend aus einem Weichlotpulver, einem organischen Harz, einem Aktivator und einem Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Harz ein gesättigtes, aliphatisches Kohlenwasserstoffharz mit einer Säurezahl (SZ) von kleiner 50 mg KOH/g ist und einen Erweichungspunkt zwischen 50 und 150°C aufweist.
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