DE60127911T2

DE60127911T2 - Verfahren zum Steuern der Zusammensetzung einer Schmelzlötlegierung in einem Lötbad

Info

Publication number: DE60127911T2
Application number: DE60127911T
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Suita-shi NISHIMURA; Masuo Kadoma-shi KOSHI; K. Kadoma-shi TODOROKI
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd; Panasonic Corp
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: DE60127911D1; EP1189725A1; CZ20013830A3; AU3415501A; KR20020007384A; MY122835A; ES2286099T3; US6699306B2; CZ301025B6; KR100852403B1; CA2368384C; CN1187161C; TW533115B; BR0104486B1; SK15152001A3; EP1189725B1; AU782095B2; JP3221670B2; ATE359894T1; SK286033B6

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für ein bleifreies Lötmittel und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Zusammensetzung einer Schmelzlötlegierung in einem Lötbad, um geeignete Lötverbindungen in einem Löttauchverfahren herzustellen.
Lötmittel benötigen bezeichnenderweise für ihre Benetzbarkeit auf Metallen eine relativ geringe Temperatur von 250°C (Grad Celsius) öder so. Wenn ein Leiterplatte oder ein Bleidraht aus Kupfer hergestellt werden, löst sich Kupfer von der Oberfläche der Zusammensetzung in das Lötbad bei einem Lötverfahren ab. Dies wird als Kupferauslaugen bezeichnet. In bleifreien Lötmitteln löst sich das Kupfer rasch während des Benetzens ab. Die Erfinder dieser Erfindung haben gelernt, daß die Kupferdichte schnell in einem Lötbad ansteigt. Mit dem Anstieg der Kupferdichte steigt der Schmelzpunkt des Lötmittels, Oberflächenspannung und Fließfähigkeit ändern sich, die zu Lötbrücken, Lücken, unvollständigen Lötverbindungen, Lötspitzen, Zapfen, etc. führen. Die Qualität der Lötverbindung wird dadurch wesentlich verschlechtert. Außerdem steigt mit Ansteigen der Kupferdichte der Schmelzpunkt. Einmal gestartet, nimmt der Anstieg der Kupferdichte zusammen mit dem Anstieg des Schmelzpunktes zu.
Einer der Erfinder dieser Erfindung hat eine neue Lötlegierung mit Nickel entwickelt (Internationale Veröffentlichung WO99/48639) und hat erfolgreich die Fließfähigkeit mit der Zugabe von Nickel in der offenbarten Technik verbessert. In diesem Fall ist die richtige Steuerung des Kupfergehalts erwünscht.
Wenn einmal die Kupferdichte zunimmt, ist das Ersetzen des gesamten Lötmittels in einem Bad mit neuem Lötmittel eine wirksame Maßnahme, um dieses Problem zu lösen. Das Ersetzen des Lötmittels muß jedoch öfter durchgeführt werden, erhöht die Kosten und benötigt unnötige Verwendung von Mitteln.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die obigen Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerungsverfahren zur Steuerung der Kupferdichte innerhalb eines passenden Bereichs bereitzustellen, ohne daß es nötig ist, das Lötmittel in dem Bad zu ersetzen.
Wenn in großem Umfang verwendete kupferplattierte Leiterplatten und Komponententeile mit Kupferbleidrähten einem Tauchlötverfahren unterzogen werden, nimmt die Kupferdichte in dem Schmelzlötmittel in dem Bad als Folge des Kupferauslaugens ab. Mit dem Wissen, daß es unmöglich ist, dieses Phänomen zu verhindern, haben wir beschlossen, daß positive Steuerung der Kupferdichte durch Verdünnen des Kupfergehalts das bestmögliche Verfahren ist.
Unter den Lötlegierungen, die Kupfer als deren Hauptzusammensetzung enthalten, wurde zum Beispiel eine Zinn-Kupfer-Nickel-haltige Legierung hergestellt, um die Lötfähigkeit durch Zugabe einer kleinen Menge Nickel zu einer Zinn-Kupfer eutektischen Legierung zu verbessern, die grundlegende Zusammensetzungen für eine bleifreie Legierung sind. Dieses Lötmittel zeigt, wenn es gelöst ist, eine ausgezeichnete Fließfähigkeit und zeigt eine hohe Tauchlötleistung beim Aufbau einer großen Anzahl von elektronischen Platten. Dieses Lötmittel ist fast frei von Brücken, Lücken, unvollständigen Lötverbindungen, Lötspitzen, Zapfen, etc., die immer bei einer Massenproduktion problematisch sind. Es gibt jedoch einen wesentlichen Anstieg in der Kupferdichte des Schmelzlötmittels in dem Bad, der von dem Durchsatz des Bades abhängig ist. Das Kupferauslaugen führt zu einer intermetallischen Zinn-Kupfer-Verbindung mit einem hohen Schmelzpunkt und die außerstande ist, bei einer vorherbestimmten Verfahrenstemperatur gelöst zu werden. Wir haben beobachtet, daß die Legierung auf einem zu lötenden Objekt haftet, wobei die Lötqualität gemindert wird. Die Menge an Kupfer, die in dem Zinn gelöst wird, ändert sich mit der Temperatur. Weil Kupfer einen hohen Schmelzpunkt von 1083°C hat, führt nur ein kleine Anstieg an Kupfer zu einer wesentlichen Erhöhung des Schmelzpunktes der Lötmittels. Wir haben Wege der Weiterführung der Lötverfahren ohne Zunahme der Kupferdichte in der Legierung untersucht und das nachfolgende Verfahren entwickelt.
Wenn ein Anstieg der Kupferdichte in dem Schmelzlötmittel in einem Bad enthaltend Zinn, Nickel und Kupfer als dessen Hauptzusammensetzungen beobachtet wird, wird mit einer Legierung enthaltend wenigstens Zinn und Nickel und überhaupt kein weiteres Kupfer oder einen Kupfergehalt mit einer Dichte geringer als der des anfänglichen Schmelzlötmittels, das in dem Bad gehalten ist, wieder aufgefüllt. Wenn eine bleifreie Legierung mit etwa 0,5% Kupfer und etwa 0,05% Nickel, die mit Zinn als Rest ausgeglichen ist, in das Bad eingebracht wird, wird mit einer Legierung mit wenigstens etwa 0,05% Nickel, die mit Zinn ausgeglichen ist oder eine Legierung mit wenigstens etwa 0,05% Nickel, die mit Zinn aufgefüllt wird, die weniger als 0,5% Kupfer enthält, wieder aufgefüllt, um die Lötmittelvoraussetzungen durch die Ergänzung von Kupfer zu bewahren.
In einem anderen Beispiel wird eine bleifreie Legierung enthaltend etwa 0,8% Kupfer, etwa 3,5% Silber und etwa 0,05% Nickel, die mit Zinn ausgeglichen ist, in ein Lötbad eingebracht, es wird mit einer Legierung mit wenigstens etwa 3,5% Silber und etwa 0,05% Nickel, die mit Zinn ausgeglichen ist oder es wird eine Legierung mit wenigstens etwa 3,5% Silber und etwa 0,05% Nickel ausgeglichen mit Zinn, die weniger als 0,8% Kupfer enthält, wieder aufgefüllt, um die Lötmittelvoraussetzungen durch die Ergänzung von Kupfer zu bewahren..
Weil eine Legierung, die wieder aufgefüllt wird (im weiteren als aufgefüllte Legierung bezeichnet) überhaupt keinen Kupferanteil oder einen Kupferanteil mit einer Dichte geringer als der der Schmelzlötlegierung vor der Auffüllung der Legierung aufweist, ist das Kupfer in dem Bad verdünnt, wenn die aufgefüllte Legierung in dem Bad gelöst wird. Obwohl die Zugabe von Kupfer in der aufgefüllten Legierung nicht notwendig ist, wenn eine steigende Rate der Kupferdichte in Abhängigkeit von den Temperaturbedingungen des Lötbades geringer als erwartet ist, kann es besser sein, eine kleine Menge Kupfer zuzugeben. Das Lötmittel kann in einem großem Ausmaß verbraucht werden, zum Beispiel durch eine Leiterplatte mit einem Durchgangsloch. In diesem Fall wird für die Auffüllung einer Legierung ohne Kupferanteil erwartet, daß der Kupferanteil übermäßig erniedrigt wird und die Auffüllung mit einer Legierung, die eine kleine Menge Kupfer enthält, wird bevorzugt.
Das bleifreie Lötmittel in dem Bad schließt Zinn, Kupfer und Nickel ein. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann solange angewendet werden solange die Lötlegierung in dem Bad wenigstens Kupfer enthält. Die vorliegende Erfindung wird auch angewendet, wenn die Lötlegierung in dem Bad Elemente zur Verbesserung der Benetzbarkeit oder zur Antioxidation einschließt. Zu diesem Zweck könne in der Lötlegierung Silber, Wismut, Indium, Phosphor, Germanium etc. enthalten sein. Diese Mittel fallen auch in den Umfang der vorliegenden Erfindung.
Die Menge an aufgefülltem Lötmittel wird unter Berücksichtigung des Umsatzes des Schmelzlötmittels in dem Bad, der Liquidustemperatur, dem Lötmittelumsatz pro Charge an Leiterplatten etc. bestimmt. In vielen Fällen stehen ein Anstieg der Kupferdichte und der Durchsatz der Leiterplatten linear in Wechselwirkung. Das Niveau des Schmelzlötmittels in dem Bad wird kontinuierlich überwacht. Das Lötmittel wird dann wieder aufgefüllt, wenn die Menge des Lötmittels unter ein vorherbestimmtes Niveau fällt. Die Formen der aufgefüllten Lötmittelmasse schließen einen Lötstab oder einen Lötdraht ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Weil der Anstieg der Kupferdichte und der Durchsatz der Leiterplatten linear miteinander in Wechselwirkung stehen, wie bereits diskutiert, kann ein vorherbestimmtes Gewicht an Lötmittel als Antwort auf einen vorherbestimmten Durchsatz an Leiterplatten aufgefüllt werden. Wahlweise kann die Auffüllung des Lötmittels für einen vorherbestimmten Zeitraum durchgeführt werden. Diese Verfahren können wahlweise in Kombination verwendet werden.
Bei einer optimalen Steuerung zur Lösung der verschiedenen Probleme, die mit dem Anstieg der Kupferdichte verbunden sind, wird die Kupferdichte in dem Schmelzlötmittel, enthaltend Zinn, Kupfer und Nickel als dessen Hauptzusammensetzungen, vorzugsweise bei weniger als 0,85 Gewichts-% in dem Schmelzlötmittel bei einer Temperatur von etwa 225°C gehalten. Ein Dichtetarget von 0,85 Gewichts-% ist kein strikter Wert, aber ein ungefährer Wert und hat eine Spanne, die von einer Verschiebung der Liquidustemperatur abhängig ist. Da jedoch Lötverbindungen über 0,90 Gewichts-% abgebaut werden, kann das Kupferdichtetarget in diesem Sinne bei 0,85 Gewichts-% überwacht werden.
Eine Vorrichtung, die eine Leiterplatte enthält, die durch das Tauchbad hergestellt wurde, das mit dem obigen Verfahren gesteuert wurde, verhindert im wesentlichen das Einbringen von Blei, das als ein giftiges Metall angesehen wird. Diese Vorrichtung kontaminiert nicht die Arbeitsumgebung während der Herstellung und führt nicht zu ernsten Umweltproblemen, wenn sie verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das eine Änderung bei einer Kupferdichte in der bekannten Art graphisch darstellt;
2 ist ein Diagramm, das eine Änderung bei einer Kupferdichte darstellt, wenn ein Lötmittel enthaltend Sn-0,05% Nickel wieder aufgefüllt wird.
Vergleichsbeispiele:
Ein Lötbad wurde mit einem Lötmittel enthaltend etwa 0,5% Kupfer und etwa 0,05% Nickel, ausgeglichen mit Zinn, gefüllt. Eine große Menge Leiterplatten wurde bei einer Löttemperatur von 255 ± 2°C behandelt. Wenn mit Lötmittel mit der selben Zusammensetzung wie das Ausgangslötmittel kontinuierlich wieder aufgefüllt wurde, stieg die Kupferdichte in dem Bad auf ein unerwünschtes Niveau, wie in 1 gezeigt, in einem Überschuß eines Ausstoßes von 20000 Leiterplatten, an. Als ein Ergebnis stieg der Schmelzpunkt des Lötmittels in dem Bad, das Lötmittel in dem Bad änderte seine Oberflächenspannung und Fließfähigkeit. Die Lötbarkeit des Lötmittels wurde sehr schlecht mit Lötbrücken, Lücken, unvollständigen Lötverbindungen, Lötspitzen, Zapfen, etc. Die Prozentzahlen sind im weiteren überall in Gewichtsprozent angegeben.
Beispiel 1 dieser Erfindung:
Ein Lötbad wurde mit einem bleifreien Lötmittel enthaltend etwa 0,5% Kupfer und etwa 0,05% Nickel, ausgeglichen mit Zinn, gefüllt. Eine große Menge Leiterplatten wurden bei einer Löttemperatur von 255 ± 2°C unter den gleichen Bedingungen, wie im Vergleichsbeispiel, behandelt. Es wurde mit dem Lötmittel, die überhaupt kein Kupfer enthielt, wieder aufgefüllt. In diesem Beispiel wurde das aufgefüllte Lötmittel enthaltend etwa 0,05% Nickel mit dem Rest Zinn kontinuierlich wieder aufgefüllt. Die Kupferdichte war bei einem Niveau von 0,7% oder so, wie in 2 gezeigt, stabil. Es wurde keine schlechte Lötleistung erzeugt.
Beispiel 2 dieser Erfindung:
Ein Lötbad wurde mit einer Anfangslötlegierung enthaltend etwa 0,6% Kupfer, etwa 0,05% Nickel mit einem antioxidierenden Metall, wie Germanium, Phosphor oder Kalzium, das in einer geeigneten Menge zugegeben wurde, und dem Rest Zinn, gefüllt. Das Lötverfahren wurde unter den gleichen Bedingungen, wie denen des Vergleichsbeispiels, bei einer Löttemperatur von 255 ± 2°C durchgeführt. Eine Lötlegierung, die identisch mit der Anfangslötlegierung in dem Bad, aber ohne Kupfer war, wurde aufgefüllt. Als Ergebnis wurde ähnlich, wie in Beispiel 2, die Kupferdichte erhalten, die etwa 0,7% erreichte und gleichmäßig blieb und bei diesem Niveau stabilisiert wurde.
Beispiel 3 dieser Erfindunq
Ein Lötbad wurde mit einem bleifreien Lötmittel enthaltend etwa 0,6% Kupfer und etwa 0,05% Nickel, der Rest war Zinn, gefüllt. Das Lötverfahren wurde bei einer Löttemperatur von 255 ± 2°C unter den selben Bedingungen, wie denen des Vergleichsbeispiels, durchgeführt. Es wurde mit einem Zinn-Nickel-Lötmittel ohne Kupfer, aber mit einem Antioxidationsmetall, wie Germanium, Phosphor oder Kalzium enthalten in einer geeigneten Menge, wieder aufgefüllt. Als Ergebnis wurde, wie in den obigen Beispielen, erhalten, daß die Kupferdichte etwa 0,7% erreichte und gleichmäßig blieb und bei diesem Niveau stabilisiert wurde.
Die Lötlegierungen wurden als Zinn-Kupfer-Nickel-Legierungen verwendet. Positiv gesteuertes Element war nur Kupfer und es bestand kein Bedarf an einer Steuerung der anderen Elemente. Dies gilt für die Legierungen, die Silber, Wismut, Indium, Phosphor, Germanium etc. zur Verbesserung der Benetzbarkeit und der Antioxidation enthalten.
Die vorliegende Erfindung steuert in einem Schmelzlötmittel in einem Bad positiv Kupfer, das ein unentbehrlich benötigtes Metall ist, aber nachteilig für die Lötfähigkeit ist, wenn dessen Dichte einen Grenzwert übersteigt. Gerade wenn eine große Anzahl von Lötverfahren unter Verwendung des gleichen Lötbads durchgeführt wird, ist die Qualität der Lötverbindungen auf einem hohen Niveau gehalten. Eine Vorrichtung, in der eine Leiterplatte, die mit dem Löttauchbad hergestellt wurde, das in Übereinstimmung mit dem obigen Verfahren gesteuert wurde, vorhanden ist, reduziert im wesentlichen Blei und kontaminiert weder die Herstellungsumgebung und fakultative Umgebungen noch wird eine große Menge an Blei Entsorgungsverfahren emittiert. Die Kontamination der Umwelt mit Großproduktionen wird so im wesentlichen kontrolliert.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad, in dem eine Schmelzlötlegierung gehalten wird, die wenigstens Kupfer als deren Hauptzusammensetzungen während des Tauchlötschrittes von einer Leiterplatte mit einer damit verbundenen Kupferfolie und einem Komponententeil mit einer damit verbundenen Kupferspitze enthält, das Verfahren umfaßt einen Schritt des Einführens eines wieder aufgefüllten Lötmittels überhaupt ohne Kupfer oder einem Kupferanteil mit einer Dichte, die geringer ist als die des Schmelzlötmittels, das in dem Bad vor der Zufuhr des wieder aufgefüllten Lötmittels in das Bad gehalten wird, so daß die Kupferdichte in dem Bad auf eine vorherbestimmte konstante Dichte oder geringer gesteuert werden kann.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad gemäß Anspruch 1, bei dem die Schmelzlötlegierung in dem Bad, Zinn, Kupfer und Nickel als deren Hauptzusammensetzungen umfaßt und bei dem das wieder aufgefüllte Lötmittel Zinn und Nickel als dessen Hauptzusammensetzungen umfaßt.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad gemäß Anspruch 1, bei dem die Schmelzlötlegierung in dem Bad, Zinn, Kupfer und Nickel als deren Hauptzusammensetzungen umfaßt und bei dem das wieder aufgefüllte Lötmittel Zinn, Kupfer und Nickel als dessen Hauptzusammensetzungen umfaßt.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad gemäß Anspruch 1, bei dem die Schmelzlötlegierung in dem Bad, Zinn, Kupfer und Silber als deren Hauptzusammensetzungen umfaßt und bei dem das wieder aufgefüllte Lötmittel Zinn und Silber als dessen Hauptzusammensetzungen umfaßt.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad gemäß Anspruch 1, bei dem die Schmelzlötlegierung in dem Bad, Zinn, Kupfer und Silber als deren Hauptzusammensetzungen umfaßt und bei dem das wieder aufgefüllte Lötmittel Zinn, Kupfer und Silber als dessen Hauptzusammensetzungen umfaßt.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das wieder aufgefüllte Lötmittel wird zugeführt, wenn das Niveau des Schmelzlötmittels in dem Bad unter ein vorherbestimmtes Niveau fällt.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das wieder aufgefüllte Lötmittel jeweils bei der eine vorherbestimmte Anzahl an Leiterplatten, die durch das Bad geführt wurden, zugegeben wird.
Verfahren zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Kupferdichte in dem Schmelzlötmittelbad auf weniger als 0,85 Gewichts-% mit der Schmelzlötlegierung bei einer Temperatur von ungefähr 255°C gesteuert wird.
Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer Lötverbindung, die einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung vorhanden ist.
Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Einführung eines wieder aufgefüllte Lötmittels in ein Schmelzlötmittelbad, in dem eine Schmelzlötlegierung gehalten wird, die Zinn, Kupfer und Nickel als deren Hauptzusammensetzungen enthält, das wieder aufgefüllte Lötmittel umfaßt Zinn und Nickel als dessen Hauptzusammensetzungen.
Verwendung des Verfahrens zur Steuerung der Kupferdichte in einem Löttauchbad nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Einführung eines wieder aufgefüllte Lötmittels in ein Schmelzlötmittelbad, in dem eine Schmelzlötlegierung gehalten wird, die Zinn, Kupfer und Silber als deren Hauptzusammensetzungen enthält, das wieder aufgefüllte Lötmittel umfaßt Zinn und Silber als dessen Hauptzusammensetzungen.