DE4338418A1

DE4338418A1 - Flußmittel für Lötverfahren

Info

Publication number: DE4338418A1
Application number: DE19934338418
Authority: DE
Inventors: Alfred Suttner; Alfons Harpaintner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1995-05-11

Description

Die Erfindung betrifft ein Flußmittel für Lötverfahren, ins besondere für Tauchlötverfahren und Wellenlöten in der Kon densatorfertigung.

Flußmittel für Lötverfahren enthalten einen aktiven Bestand teil und ein Lösemittel, in dem der aktive Bestandteil aufge löst oder feindispers verteilt ist. Bei herkömmlich verwen deten Flußmitteln, wie z. B. Palmfett/Stearinsäure-Gemischen, ist ein Nachreinigungsschritt erforderlich, um Flußmittel rückstände, die u. a. die elektrischen Eigenschaften der ge löteten Baugruppen beeinträchtigen, zu entfernen. Dieser zusätzliche Schritt ist nicht nur arbeitsaufwendig, sondern bringt auch Umweltprobleme mit sich. Die Verwendung von für diesen Zweck geeigneten FCKW-Lösemittel kommt nicht mehr in Frage. Andere Lösemittel scheiden größtenteils aus, da mit ihnen keine zuverlässige Oberflächenqualität der Bauteile erreicht wird, sie gesundheitsschädlich sind, die Umwelt belasten, zu leicht entzündbar oder zu teuer sind. Es ist daher wichtig, reinigungsfreie Verfahren zu entwickeln.

Auf diese Problematik wird in Productronic 5, 1990, Seiten 18 ff., in einem Aufsatz von Eli Westerlaken eingegangen. Bei den reinigungsfreien Flußmitteln für die SMD-Technologie werden Mono- und Dicarbonsäuren als Aktivatoren und milde Alkohole als Lösemittel, insbesondere eine 1%ige Adipin säure/Isopropylalkohol-Lösung, genannt. Es wird ferner darauf hingewiesen, daß keine Carbonsäure alle idealen Eigen schaften eines Fluxaktivators, wie optimale Benetzungsfähig keit, maximale Trägheit nach dem Löten, breites Reaktions spektrum, erfüllt. Es wird daher empfohlen, ein sorgfältiges Gemisch verschiedener Säuren in milden Alkoholen als fest stoffarmes Flußmittel zu verwenden. In dem Aufsatz wird ferner auf das Flußmittel Cobar 385 hingewiesen. Dieses enthält unter 2 Gew.-% Dicarbonsäuren, Ethylalkohol und Isopropanol sowie geringe Mengen an verschiedenen Additiven.

Das Adipinsäure/Isopropanol Flußmittel weist einige gravierende Nachteile auf. Adipinsäure zersetzt sich beim längeren Erhitzen auf Temperaturen über ihren Schmelzpunkt, so daß beim Löten oberhalb von etwa 200°C unkontrollierbare Reaktionen auftreten können. Ferner hat Isopropanol einen niedrigen Flammpunkt, was eine erhöhte Explosionsgefahr zur Folge hat. Der niedrige Siedepunkt von Isopropanol führt zu einem starken Spritzen, wenn Bauteile vorgewärmt werden müssen, so daß Flußmittel auf Basis von Isopropanol zum Löten von vorgewärmten Bautei len ungeeignet sind. Flußmittel auf Basis von Isopropanol ergeben beim Verlöten von Scheiben-Keramikkondensatoren in der Praxis immer eine Zinnperlenbildung auf der freien Keramikoberfläche. Ähnliche Nachteile weist auch das Fluß mittel Cobar 385 auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein feststoff freies und reinigungsfreies Flußmittel für Lötverfahren von elektrischen Bauteilen zu schaffen, das möglichst rück standsfrei und unzersetzt verdampfbar ist, eine gute Be netzung der Oberfläche der elektrischen Bauteile ergibt, sicher handhabbar ist, nicht korrodierend wirkt und auch zum Löten vorgewärmter Bauteile geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein feststofffreies Fluß mittel für Lötverfahren, insbesondere elektrischer Bau teile vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es Ethylenglykol und/oder Diethylenglykol als Lösemittel und Pelargonsäure als Aktivator enthält.

Das erfindungsgemäße Flußmittel ist bei Lötverfahren zur Herstellung von Leiterplatten geeignet, wie sie in dem Auf satz in Productronic 5, 1990, Seite 18 ff genannt werden.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Flußmittel in der Kondensatorfertigung zum Bedrahten versilberter Scheiben geeignet. Das Flußmittel ist bei Tauchlötverfahren und beim Wellenlöten anwendbar. Der Flußmittelauftrag kann auch durch Sprühen erfolgen. Wie weiter unten bei den Versuchen ausge führt wird, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ins besondere bei einem modifizierten Tauchlötverfahren und beim Wellenlöten sehr gute Ergebnisse erzielt.

Die Lösemittel Ethylenglykol und Diethylenglykol ergeben eine gute Benetzung der Oberflächen der elektrischen Bau teile mit dem Lötbad. Sie lassen sich schnell und rück standsfrei verdampfen, sind toxikologisch unbedenklich und haben einen relativ hohen Flammpunkt. Auf der Oberfläche der gelöteten Kondensatoren sind unter dem Stereomikroskop keine Spuren dieser Lösemittel oder von Zersetzungspro dukten zu entdecken. Ferner weisen sie keinen unangenehmen Geruch auf.

Besonders vorteilhaft sind Mischungen von Ethylenglykol und Diethylenglykol und insbesondere Mischungen mit Zusammen setzungen, die annähernd dem Mischungsverhältnis des azeotropen Gemischs entsprechen, das die beiden Lösemittel bilden. Das azeotrope Gemisch von Ethylenglykol und Diethylenglykol siedet bei 210°C und hat ein Mischungs verhältnis von 55 Gew.-% Diethylenglykol und 45 Gew.-% Ethylenglykol. Dieses Gemisch hat somit einen Siedepunkt, der knapp über der Temperatur des Zinnbades liegt, so daß das Gemisch schnell verdampft ohne Spritzeffekte zu erge ben, die bei niedriger siedenden Lösemittel auftreten. Ferner ist ein nachträgliches Trocknen der gelöteten Bau teile nicht notwendig, das bei Verwendung von Lösemitteln mit Siedepunkten über 250°C notwendig werden kann. Ferner ist der Dampfdruck der erfindungsgemäß eingesetzten Löse mittel unterhalb des Siedepunktes relativ niedrig.

Als Aktivator enthält das erfindungsgemäße Flußmittel Pelargonsäure. Pelargonsäure ergibt eine gute Benetzung mit dem Lot. Sie zersetzt sich nicht bei der Löttemperatur, entwickelt keinen unangenehmen Geruch bei der Löttempe ratur und hat einen Siedepunkt, der relativ dicht ober halb der Löttemperatur liegt.

Ein möglichst dicht oberhalb der Löttemperatur liegender Siedepunkt und folglich ein möglichst hoher Dampfdruck bei der Temperatur des Lötbades ist wichtig, damit die Ver weilzeit der Carbonsäure auf der Lötbadoberfläche möglichst gering ist. Dadurch wird die Bildung von Zersetzungspro dukten und deren Reaktionsprodukten mit Metalloxiden ver hindert oder zumindest möglichst gering gehalten, die sich beim Herausziehen der Kondensatoren auf deren Zinn- und Keramikoberflächen als Verunreinigungen absetzen können.

Bevorzugt enthält das Flußmittel 0,5 bis 5 Gew.-% Pelargon säure, besonders bevorzugt etwa 2 Gew.-%.

Um die Benetzung der elektrischen Bauteile mit dem Lot noch weiter zu verbessern, kann das erfindungsgemäße Flußmittel einwertige, aliphatische Alkohole mit 8 bis 12, insbesondere 10 bis 12 C-Atomen enthalten. Diese sind bevorzugt gesättigt und unverzweigt. Es kann ein Gemisch dieser Alkohole einge setzt werden, z. B. Contraspum. Die Alkohole werden bevorzugt in einer Menge von 2 bis 4 Gew.-% dem Flußmittel zugesetzt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Flußmittel an Hand von verschiedenen Tests näher beschrieben.

Diese Versuche zeigen, daß mit dem erfindungsgemäßen Flußmittel in der Kondensatorfertigung sehr gute Ergebnisse erzielt werden, ohne daß ein Reinigungsschritt der Konden satoren nach dem Löten notwendig ist. Die elektrischen Eigenschaften auch nach einer Dauerlast- und Feuchteprüfung sind mit Kondensatoren vergleichbar, die mit herkömmlich verwendeter Palmfett/Stearinsäure-Mischung mit anschließen dem Reinigungsschritt erzielt werden.

Das getestete Flußmittel (im folgenden als Flußmittel A bezeichnet) hatte folgende Zusammensetzung:
54 Gew.-% Diethylenglykol
44 Gew. -% Ethylenglykol
2 Gew.-% Pelargonsäure.

Als Vergleichsflußmittel wurde eine Palmfett/Stearin säuremischung mit folgender Zusammensetzung verwendet:
67 Gew. -% Palmfett
33 Gew.-% einer 1 : 1 Palmitinsäure/Stearin säure-Mischung.

Ein Lötautomat mit Bestückungsautomat, anschließender Vor wärmzone und Tauchbecken für das Flußmittel und Lötzinnbad wurde von eingebrannten Palmfettresten gesäubert. Dann wurde das Flußmittel A in das Tauchbecken gefüllt. Die Konden satorscheiben wurden jeweils ca. 10 Sekunden in das auf 120°C erwärmte Flußmittel getaucht und anschließend ca. 3 Sekunden in das auf 206°C erhitzte Lötzinnbad. Nach längerer Betriebszeit konnte die Bildung von bräunlichen festen Rückständen auf der Oberfläche des Lötzinnbades be obachtet werden, vermutlich durch Polymerisation von Ethylen glykol und Diethylenglykol. Um den Einfluß dieser Rückstände auf die Eigenschaften der gelöteten Kondensatoren zu prüfen sowie um das erfindungsgemäße Flußmittel mit der oben ange gebenen Palmfett/Stearinsäure-Mischung zu vergleichen, wurden folgende Versuche durchgeführt.

Kondensatoren (WKO 3.3 nF) wurden im Lötautomaten gelötet, wobei die Flußmittelbad-Temperatur 100 bis 105°C und die Lötzinnbad-Temperatur 203 bis 206°C betrug. Es wurden vier Gruppen von jeweils 45 Kondensatoren, wie folgt, behandelt.

1) Eine erste Gruppe von Kondensatoren wurde mit dem Fluß mittel A behandelt, gelötet, ohne daß die Zinnbadober fläche zwischendurch gereinigt wurde, und anschließend gewaschen.
2) Eine zweite Gruppe von Kondensatoren wurde mit dem Flußmittel A behandelt, gelötet, wobei die Zinnober fläche zwischendurch gereinigt wurde, und nicht ge waschen.
3) Eine dritte Gruppe von Kondensatoren wurde mit dem Flußmittel A behandelt, gelötet, ohne daß die Zinn oberfläche zwischendurch gereinigt wurde, und nicht gewaschen.
4) Eine vierte Gruppe von Kondensatoren wurde mit dem oben angegebenen Palmfett/Stearinsäure-Gemisch behandelt, gelötet und anschließend gewaschen.

Zum Waschen wurde Trichlorethan verwendet.

Die Ergebnisse der elektrischen Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle I

Es sind jeweils der höchste und der niedrigste gemessene Wert sowie der Mittelwert der gemessenen Werte (unter strichener Wert) angegeben.

Wie der Tabelle I zu entnehmen ist, sind die elektrischen Eigenschaften nicht wesentlich geändert, wenn mit dem er findungsgemäßen Flußmittel A gearbeitet wird und die Kon densatoren nicht gewaschen werden, verglichen mit der Ver wendung von Palmfett /Stearinsäure als Flußmittel mit einem Waschschritt nach dem Löten. Ferner ist der Tabelle I zu entnehmen, daß ein Waschschritt beim erfindungsgemäßen Flußmittel A keine wesentlichen Änderungen der elektrischen Eigenschaften zur Folge hat, wenn man die Werte bei jeweils ungereinigter Zinnbadoberfläche miteinander vergleicht.

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt, um die elektrischen Eigenschaften von WY9 2,2 nF Kondensatoren zu vergleichen, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Flußmittels A gelötet wurden ohne zwischenzeitliche Reinigung der Zinnbad oberfläche und ohne Waschschritt, sowie den entsprechenden Kondensatoren, die nach dem Löten gewaschen wurden. Die Flußmittelbad-Temperatur betrug 106°C und die Lötzinnbad- Temperatur betrug 205°C. Es wurden jeweils 24 Kondensatoren getestet. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle II

Den Ergebnissen dieser Tabelle ist wiederum zu entnehmen, daß die elektrischen Eigenschaften der gewaschenen Konden satoren sich nicht wesentlich von denen der ungewaschenen Kondensatoren unterscheiden, d. h. daß mit dem erfindungs gemäßen Flußmittel auf einen Reinigungsschritt nach dem Löten verzichtet werden kann, ohne daß sich dadurch die elektrischen Eigenschaften verschlechtern.

In einem weiteren Versuch wurde geprüft, wie die mit und ohne Reinigungsschritt mit dem erfindungsgemäßen Flußmittel A hergestellten Kondensatoren einer Dauerlastprüfung von 3 kV/85°C/1010 h standhalten. Es wurden umhüllte WY9 2,2 nF Kondensatoren, die nach der Lötung gewaschen wurden, mit den entsprechenden ungewaschenen Kondensatoren verglichen. Die Temperaturen von Flußmittel- und Lötzinnbad entsprachen dem vorigen Versuch. Die Oberfläche des Lötzinnbades wurde zwischendurch gereinigt. Die Anzahl der untersuchten Kondensatoren betrug jeweils 24 Stück. Alle Prüflinge wurden in der Fertigung bei 4 kV vor Dauerlast geprüft. Die Ergeb nisse sind in der folgenden Tabelle III zusammengestellt.

Tabelle III

Wie den Ergebnissen der Tabelle III zu entnehmen ist, ent standen keine Ausfälle bei Kondensatoren, die unter Ver wendung des erfindungsgemäßen Flußmittels ohne Reinigungs schritt hergestellt worden waren. Auch die elektrischen Eigenschaften, gemessen vor und nach Dauerlast, zeigen keine wesentlichen Unterschiede.

Außerdem wurden die mit dem erfindungsgemäßen Flußmittel A hergestellte Kondensatoren einer Feuchteprüfung unterworfen. Wie bei dem Versuch der Tabelle I beschrieben, wurden die vier Gruppen von Kondensatoren hergestellt, pro Gruppe je weils 24. Die umhüllten Kondensatoren wurden bei 40°C, 93% relativer Luftfeuchte, U = 3 kVdc 200 Stunden gelagert. Die Ergebnisse sind der folgenden Tabelle IV zu entnehmen.

Tabelle IV

Wie der Tabelle IV zu entnehmen ist, entstand bei Verwendung des erfindungsgemäßen Flußmittels ohne Waschschritt und ohne zwischenzeitliche Reinigung der Lötbadoberfläche 1 Ausfall nach 200 h Feuchteprüfung. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß die auf der Oberfläche des Lötbades sich bildenden Polymerisationsprodukte des Ethylen- und Diethylen glykols an der Kondensatoroberfläche haften bleiben können, die ionenbildende Bestandteile einschließen, z. B. SnO, Ag₂O, die bei Feuchtezutritt dissoziieren. Daher empfiehlt es sich, die Zinnbadoberfläche zwischenzeitlich, wenn sich feste Rückstände auf der Oberfläche bilden, mittels eines Abstrei fers zu reinigen. Eine andere Möglichkeit bietet die Ver wendung von Wellenlöten.

Bei einem gleichen Versuch mit WY9 2,2 nF Kondensatoren, wurden bei der Feuchteprüfung keine Ausfälle beobachtet. Dies ist der folgenden Tabelle IV zu entnehmen.

Tabelle V

Um das Ionisierungspotential fester und eventuell flüssiger Lötrückstände auf der Kondensatoroberfläche feststellen zu können, wurde eine Extraktion mit deionisiertem Wasser durch geführt und anschließend die Leitfähigkeit mit dem Kondukto meter LF 2000/C der Firma WTW gemessen. Für das zur Extrak tion verwendete Wasser war eine Rest-Leitfähigkeit von (0,1 µS/cm angegeben. Es wurden jeweils 50 Kondensatoren in 150 ml Wasser extrahiert. Die Temperaturabhängigkeit ist bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit kompensiert und die Werte sind auf eine Referenztemperatur von 25°C bezogen.

Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle VI angegeben.

Probe
Meßwert in µS/cm
Blindprobe
1,07
Wasser von Kondensator, der mit Flußmittel A, ungereinigter Zinnbadoberfläche und Waschschritt hergestellt war	3,31
Wasser von Kondensator, der mit Flußmittel A, gereinigter Zinnbadoberfläche ohne Waschschritt hergestellt war	3,35
Wasser von Kondensator, der mit Flußmittel A, ungereinigter Zinnbadoberfläche ohne Waschschritt hergestellt war	4,87
Wasser von Kondensator, der mit Palmfett/Stearinsäure und Waschschritt hergestellt war	2,57

Alle erhaltenen Meßwerte liegen im Leitfähigkeitsbereich von destilliertem Wasser, der mit 1 bis 7 µS/cm angegeben wird. Der Wert der Blindprobe zeigt, daß bereits durch heißes Wasser im Duran-Becherglas Ionen aus der Glasober fläche herausgelöst werden. Der höhere Wert bei den Kon densatoren, die ohne Reinigung der Zinnbadoberfläche und ohne Waschschritt nach dem Löten hergestellt wurden, weist darauf hin, daß sich auf der Kondensatoroberfläche Reste von Polymerisationsprodukten des Flußmittels mit einge schlossene ionogenen Bestandteilen befinden. Durch eine automatisierte Zinnbadreinigung mittels eines Abstreifers oder durch Wellenlöten können diese geringfügigen Reste auf der Kondensatoroberfläche verhindert werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Flußmittel ist es daher möglich, ohne einen umweltbelastenden und aufwendigen Waschschritt Kondensatoren zu fertigen, deren elektrische Eigenschaften selbst nach Dauerlast und Lagerung in hoher Luftfeuchtig keit mit denen vergleichbar sind, die mit herkömmlichen Flußmitteln erst nach einem Waschschritt erzielt werden.

Claims

1. Flußmittel für Lötverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß es Ethylenglykol und/oder Diethylenglykol als Lösemittel und Pelargonsäure als Aktivator enthält.

2. Flußmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,5 bis 5 Gew.-% Pelargonsäure enthält.

3. Flußmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es 2 Gew.-% Pelargonsäure enthält.

4. Flußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mischung aus 40 bis 50 Gew.-% Ethylenglykol und 50 bis 60 Gew. -% Diethylenglykol als Lösemittel enthält.

5. Flußmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es aliphatische, einwertige Alkohole mit 10-12 C-Atomen enthält.

6. Flußmittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es 2 bis 4 Gew.-% Alkohole enthält.