DE4404656C1 - Verfahren zur Bestimmung der Benetzungsfähigkeit von Lotpasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Be­ netzungsfähigkeit von Lotpasten mittels einer Benetzungswaa­ ge.

Sowohl beim Herstellen von Lotpasten, als auch beim Verarbei­ ten von Lotpasten entstehen an der Lotkugeloberfläche Oxide. Diese Oxide setzen die Oberflächenenergie stark herab, was zu schlechter Benetzung, zu Brückenbildung und Tochterkügelchen beim Löten führt. Der Oxidanteil hängt sowohl vom Herstell­ prozeß, dem Alter der Lotpaste, als auch vom Zustand der Ak­ tivatoren ab. Neben anderen Faktoren beeinflußt der Oxidge­ halt somit die Benetzungseigenschaften der Lotpaste. Eine Quantifizierung der Benetzungseigenschaften, sowie Aussagen über die Benetzungskraft und Benetzungsgeschwindigkeit, sind nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein prakti­ kables Verfahren anzugeben, um die "Lötfreudigkeit" von Lot­ pasten außerhalb des Fertigungsprozesses zu messen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung so verfah­ ren, daß in einem mit einer Benetzungswaage verbundenen und mit einer Bohrung versehenem Klotz aus lotabweisendem Metall Lotpaste eingefüllt und mit einer Spatel glattgestrichen wird, daß anschließend die Lotpaste geschmolzen und dann ein aktivierter Metallstift bis zu einer definierten Tiefe in die Lotpaste eingetaucht und dann der zeitliche Verlauf der Be­ netzungskraft unter Konstanthaltung aller Versuchsparameter wie Lotpastentemperatur und Zeit der Lotpastenaktivierung gemessen wird.

Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, daß stets gleiche Lotmengen garantiert sind, in die die zu benetzenden Stifte eintauchen, wobei auch die Stifteintauchtiefe definiert ist. Dadurch läßt sich die Benetzungskraft quantifizieren und die Benetzungsgeschwindigkeit eindeutig messen, so daß man da­ durch eine quantitative Aussage über die "Lötfreudigkeit" von Lotpasten erhält.

Der Metallklotz kann vorteilhafterweise aus Aluminium und die Metallstifte können aus Kupfer oder Kupferlegierungen beste­ hen.

Zur Aktivierung der Metallstifte läßt sich vorteilhaft ein Gemisch aus Phosphorsäure und Alkohol verwenden.

Anhand der Skizzen nach den Fig. 1 und 2, sowie des Dia­ gramms nach Fig. 3 wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den mit einer Bohrung versehenen und mit Lotpaste gefüllten Metallklotz 1 vor Beginn des Eintauchens,

Fig. 2 die gleiche Anordnung nach dem Eintauchen des Metall­ stifts und

Fig. 3 ein Benetzungskraft-Zeitdiagramm.

In Fig. 1 ist schematisch der Metallklotz 1, der bevorzugt aus Aluminium besteht, gezeigt. Er enthält eine Bohrung 4, in die Lotpaste 2 eingefüllt und mit einer Spatel glattgestri­ chen wird. Dadurch ist gewährleistet, daß stets die gleiche Lotmenge bei den einzelnen Messungen vorhanden ist. Oberhalb dieser Bohrung befindet sich die Probe 3, die beispielsweise ein Kupferstift sein kann.

Nach dem Einfüllen und Glattstreichen der Lotpaste wird diese auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, so daß sich in der Bohrung 4 eine Lotkugel bildet. Anschließend wird die als Stift ausgebildete Probe 3 in das aufgeschmolzene Lot bis zu einer vorgegebenen Tiefe eingetaucht und dann mit Hilfe einer nicht dargestellten Benetzungswaage, wie sie z. B. in dem Buch Soldering in Electronics von R.J. Klein Wassink, 2. Edition 1989, Seiten 303 bis 326, beschrieben ist, mit der der Me­ tallklotz 1 verbunden ist, die Benetzungskraft und die Benet­ zungszeit gemessen. Benetzungskraft und Benetzungszeit sind Kriterien für die "Lötfreudigkeit" einer derartigen Lotpaste. Um ausreichende Ergebnisse beim Löten zu erzielen, muß eine Mindestlotkraft in einer vorgegebenen Zeitspanne erreicht werden.

Aus der oben angegebenen Druckschrift ist im übrigen ein Ver­ fahren zur Bestimmung der Benetzungsfähigkeit durch geschmol­ zenes Lot mittels einer Benetzungswaage aufgezeigt, bei dem ein Metallstift, der aktiviert ist, bis zu einer vorbestimm­ ten, also definierten Tiefe in das Lot eingetaucht und der zeitliche Verlauf der Benetzungskraft unter Konstanthaltung aller Versuchsparameter, wie z. B. Lottemperatur, gemessen wird.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß in der Druckschrift DE 37 14 012 A1 ein Verfahren zum Messen von Benetzungskräf­ ten zwischen einem Metallstift und einem flüssigen Lot, also zum Bestimmen der Benetzungsfähigkeit, mittels einer Be­ netzungswaage beschrieben ist, bei dem ebenfalls der - akti­ vierte - Metallstift in das Lot eingetaucht und der zeitliche Verlauf der Benetzungskraft gemessen wird.

Auch aus der Druckschrift DE 32 43 483 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Benetzungskräften zwischen einem Metall­ stift und einem sich in einem Topf befindenden Lot mittels einer Benetzungswaage entnehmbar, wobei entweder der Topf mit dem Lot eine Hubbewegung ausführt, um den Metallstift in das Lot einzutauchen oder der Metallstift bewegt wird, um in das Lot im stationären Topf einzutauchen.

In Fig. 3 ist das Kraftzeitdiagramm für den Benetzungsvor­ gang dargestellt. In der Abszisse ist die Kraft F in Milli­ newton, in der Ordinate die Zeit t in Sekunden dargestellt. Oberhalb des Diagramms ist der zeitlich ablaufende Eintauch­ vorgang des Metallstifts in das aufgeschmolzene Lot darge­ stellt. Im Zeitpunkt a steht der Lotstift vor seinem unmit­ telbaren Eintauchen in das Lot. Der Zeitpunkt b stellt den Augenblick nach dem unmittelbaren Eintauchen des Stiftes dar, wenn die Benetzung noch nicht begonnen hat und daher sind die Oberflächenspannung und die Benetzungskraft negativ. Zum Zeitpunkt c hat die Benetzung begonnen, und die Kraft ist an dem Punkt angelangt, wo die vertikale Komponente der Ober­ flächenspannung 0 ist, und die Benetzungskraft der Probe ist gleich ihrer Auftriebskraft. Im Zeitpunkt d erreicht die Be­ netzungskraft einen konstanten Wert. Im Zeitpunkt e ist der Stift wieder aus der Probe herausgezogen. Die Oberflächen­ spannung und ein möglicher Oxidfilm auf dem Lot verursachen ein Verschleppen des Lotes, und im Zeitpunkt f ist die Probe vollkommen aus dem Lotbad herausgezogen, ist aber schwerer, als zu Beginn des Test durch den anhaftenden Lotüberzug. Die Versuchsparameter, wie z. B. Lotpastentemperatur, die Zeit der Lotpastenaktivierung und die Eintauchtiefe des Stiftes, sind bei diesen Versuchen stets konstant gehalten. Die Benet­ zungsgeschwindigkeit und die maximale Benetzungskraft sind dann von der Art bzw. dem Zustand der Lotpaste abhängig, und man hat damit quantitative Aussagen über die Lötfreudigkeit von Lotpasten. Nach dem Test kann die Bohrung des Metallklot­ zes mit Alkohol gereinigt werden, so daß der Metallklotz für weitere Tests zur Verfügung steht. Als definiertes Benet­ zungsobjekt eignen sich Metallstifte, z. B. aus Kupfer oder Kupferlegierung, die jeweils unmittelbar vor dem Test akti­ viert werden, z. B. mit einem Gemisch aus Phosphorsäure und Alkohol.

Anschließend sind die Einflußgrößen auf die gemessene Benet­ zungskraft dargestellt.

F_ges = F_B - F_A = γ_c · cos θ - ρgν

F_A = Auftriebskraft = ρgν
F_B = Benetzungskraft = γc · cosθ

ρ = Dichte des Lots
g = Gravitätskonstante
ν = verdrängtes Lotvolumen
γ = Oberflächenspannung des Lots in Kontakt mit Flußmittel
c = Umfang der Probe

m = Lotanstieg.
Θ = Winkel zwischen dem Lot und dem Probestift während des Herausziehens des Probestiftes aus dem Lot, wenn berück­ sichtigt ist, daß die Lotoberfläche am Eintauchort des Probestiftes plan ist (Benetzungswinkel),
α = Winkel zwischen dem Lot und dem Probestift während des Herausziehens des Probestiftes aus dem Lot, wenn berück­ sichtigt ist, daß die Lotoberfläche am Eintauchort des Probestiftes gekrümmt ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Benetzungsfähigkeit von Lot­ pasten mittels einer Benetzungswaage, bei dem in einem mit der Benetzungswaage verbundenen und mit einer Bohrung verse­ henem Klotz aus lotabweisendem Metall Lotpaste eingefüllt und mit einer Spatel glattgestrichen wird, anschließend die Lotpaste geschmolzen und dann ein aktivierter Metallstift bis zu einer definierten Tiefe in die Lotpaste eingetaucht und dann der zeitliche Verlauf der Benetzungskraft unter Kon­ stanthaltung aller Versuchsparameter wie Lotpastentemperatur und Zeit der Lotpastenaktivierung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Me­ tallklotz aus Aluminium besteht.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ tallstifte aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung bestehen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Me­ tallstifte mit einem Gemisch aus Phosphorsäure und Alkohol aktiviert werden.