DE60225282T2

DE60225282T2 - Lotzusammensetzung

Info

Publication number: DE60225282T2
Application number: DE60225282T
Authority: DE
Inventors: Tsutomu c/o Fuji Electric Co. Kawasaki-shi NISHINA; Kenji c/o Fuji Electric Co. Kawasaki-shi Okamoto
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2003010997A; CN1282519C; DE60225282D1; US20050039824A1; EP1402990A1; US7601228B2; EP1946882B8; EP1946882A1; EP1946882B1; WO2003002290A1; EP1402990A4; US20090320960A1; JP3888573B2; EP1402990B1; CN1543385A; US8206515B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine bleifreie Lotzusammensetzung, welche keine Flussmittelentfernung erfordert und nur geringen Veränderungen im Verlauf der Zeit hinsichtlich ihrer Druckfähigkeit und Lötfähigkeit unterliegt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die meisten üblichen Flussmittel für Lot enthalten Kolophonium (Baumharz) oder mit Baumharz modifiziertes Harz mit einem zugesetzten Aktivator wie eine organische Säure oder Halogenid. Kolophonium ist der Hauptbestandteil des Flussmittels und wenn es mit einem Lösungsmittel verdünnt wird, um eine geeignete Viskosität zu erreichen, kann es die Druckfähigkeit des Lotes verbessern, welches das Flussmittel enthält. Als ein Klebmittel wirkt außerdem Baumharz vorübergehend, um elektronische Bauteile an einem Substrat einer gedruckten Schaltung zu fixieren, damit sie nicht herunterfallen oder verrutschen. Baumharz enthält als einen aktiven Bestandteil von Abietinsäure, und selbst die Säure allein kann in gewissem Umfang für die Lötfähigkeit selbst wirksam sein. Zu Baumharz, das in Lotflussmittelcreme verwendet werden kann, gehören beispielsweise natürliches Baumharz, polymerisiertes Baumharz, disproportioniertes Baumharz, hydriertes Baumharz, maleinsäuremodifiziertes Baumharz. Jedoch verbleibt ein Flussmittel auf Baumharzbasis, das ein solches Baumharz enthält, nachdem damit gelötet wurde, als Rückstand auf Schaltplatten, und in vielen Fällen verursacht der Rückstand Korrosion des Substrats und Migration. Außerdem, wenn die Schaltplatte mit dem darauf verbleibenden Rückstand mit Harz (Kunstharz, z. B. Silicongel, Epoxyharz) verkapselt wird, kann der Rückstand Härtungsfehler in der Harzverkapselung verursachen und daher einen gewissen negativen Einfluss auf die Haftung des Harzes an der Plattenrückseite und Isolation dieser gegenüber haben. Um den Rückstand zu entfernen, wird die gelötete Schaltplatte im Allgemeinen mit einem Flon-Ersatz oder organischen Lösungs mittel gewaschen. Gegenwärtig ist jedoch das Waschmittel begrenzt wegen Umweltproblemen mit Flon und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC).
Ein Epoxyflussmittel ist eine Art von Flussmittel, das keine Substratkorrosion und Migration verursacht und keinen Härtungsfehler bei der Harzverkapselung verursacht, selbst wenn sein Rückstand nicht durch Waschen entfernt wird. Das Epoxyflussmittel enthält hauptsächlich ein Epoxyharz, eine Carbonsäure, ein Amin und ein thixotropes Mittel. Wenn Bauteile auf einer Schaltkreisplatte unter Verwendung eines Lotcremes montiert werden, der ein Epoxyflussmittel mit solchen Bestandteilen enthält, wird das Lot so geplant, dass die Leiterfläche in der Stufe des Rückflusslötens durch die Carbonsäure aktiviert wird, und gleichzeitig kann das Epoxyharz mit der Carbonsäure reagieren um zu härten, und seine Härtung kann zu Ende gebracht werden, wenn das zurückgeflossene Lot an den Teilen gehaftet hat. Nachdem das Lot zurückgeflossen ist, verbleibt das gehärtete Epoxyharz als ein Flussmittelrückstand. Im Vergleich mit dem Rückstand von gewöhnlichem Flussmittel auf Baumharzbasis stört der Rückstand des gehärteten Epoxyharzes nicht die Haftung des Verkapselungsharzes an Schaltkreisplatten, obwohl es nach dem Löten nicht entfernt wird, und die Platte mit darauf gelöteten Teilen kann direkt mit Harz verkapselt werden und ihre Isolation ist gut ( JP-A-2000-216300 ).
Andererseits wird eine SnPb-Legierung im Allgemeinen als eine Lotlegierung verwendet, die mit dem Flussmittel gemischt wird. Die SnPb-Legierung ist gut lötbar, und der Schmelzpunkt der eutektischen Zusammensetzung (63Sn37Pb) beträgt 183° und ist niedrig, und ihre Löttemperatur liegt nicht höher als 250°. Demgemäß verursacht sie keine Wärmeschäden an einem nicht-hitzebeständigen elektronischen Bauteil. Jedoch wird heutzutage ein bleifreies Lot gewünscht, um Umweltschutzprobleme zu vermeiden.
Zu Legierungen für bleifreies Lot gehören solche auf Sn-Basis, wie SnAg-Legierung und SnSb-Legierung. Von der SnAg-Legierung ist die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt eine eutektische Zusammensetzung von Sn3,5Ag mit einem Schmelzpunkt von 221°C. Die Löttemperatur der Lötlegierung mit dieser Zusammensetzung beträgt 260 bis 280°C und ist erheblich hoch. Wenn das Löten bei einer solchen Temperatur durchgeführt wird, können nicht-wärmebeständige elektronische Teile thermisch beschädigt werden, wodurch ihre Funktion verschlechtert sein kann, oder sie können zerbrochen werden. Von den SnSb-Legierungen ist die Zusammensetzung mit dem niedrigsten Schmelzpunkt Sn5Sb mit einem Schmelzpunkt von 235°C auf der Linie der festen Phase und 240°C auf der Linie der flüssigen Phase, und beide liegen hoch. Daher beträgt ihre Löttemperatur von 280 bis 300°C und ist viel höher als die der Sn3,5Ag-Legierung. Aus dem gleichen Grund können nicht-wärmebeständige elektronische Teile wärmebeschädigt werden.
Neuerdings hat ein bleifreies SnZn-Legierungslot in der Technik viel Aufmerksamkeit gefunden, dessen Schmelzpunkt niedriger als der der SnAg-Legierung und SnSb-Legierung liegt. Beispielsweise ist von den SnZn-Legierungen die eutektische Zusammensetzung Sn9Zn mit einem Schmelzpunkt von 199°C, der nahe dem Schmelzpunkt des eutektischen SnPb-Lots liegt. Die Löttemperatur der SnZn-Legierung liegt niedriger als die der SnAg-Legierung und SnSb-Legierung, und die SnZn-Legierung kann Wärmeschädigung an nicht-wärmebeständigen elektronischen Teilen verringern.
Wenn jedoch ein Lotcreme von bleifreier SnZn-Legierung unter Verwendung von üblichem Flussmittel auf Baumharzbasis hergestellt wird, können seine Druckfähigkeit und Lötfähigkeit unmittelbar nach seiner Herstellung fast die Gleichen sein wie die von üblichem Lotcreme. Wenn der Lotcreme aber beispielsweise eine Zeitlang bei Raumtemperatur gelagert wird, steigt seine Viskosität an und seine Druckfähigkeit sowie außerdem seine Lötfähigkeit verschlechtern sich. Weiter steigt im Verlauf der Zeit die Viskosität des Lotcremes auf SnZn-Basis weiter an und als Ergebnis verliert das Lot vollkommen seine Druckfähigkeit. In diesem Zustand kann, selbst wenn ein Lösungsmittel zugesetzt wird, um seine Viskosität herabzusetzen, und das so verdünnte Lot zum Drucken verwendet wird, das SnZn-Legierungspulver darin nicht mehr schmelzen und wird unbrauchbar zum Löten.
Andererseits treten selbst wenn eine Lotcremezusammensetzung auf Basis SnZn-Legierung unter Verwendung eines Epoxyflussmittels hergestellt wird, um Flussmittelrückstandsentfernung zu vermeiden, immer noch die gleichen Probleme auf wie die mit Lot mit Baumharzflussmittelgehalt hinsichtlich Viskosität, Druckfähigkeit und Lötfähigkeit desselben.
Diese Probleme werden nicht gelöst durch JP-A-2001-138089 , welche eine Lotzusammensetzung mit einer bleifreien SnZn-Legierung und einem Lotflussmittel beschreibt, das eine Fettsäure mit einem Schmelzpunkt bei rund 50°C und im Allgemeinen einem Molekulargewicht im Bereich von 100 bis 200 g/mol enthält, und auch nicht gelöst durch Flussmittel für bleihaltige Lotzusammensetzungen wie SnPb und InSn, die in US-A-5,989,362 und US-A-5,851,311 beschrieben sind, und wie SnPb, SnPbAg und SnPbSb, die in US-A-5,088,189 und WO 96/37336 beschrieben sind, wobei alle diese Flussmittel eine Baumharzbasis oder Epoxybasis haben und eine Carbonsäure und in einigen Fällen einen Alkohol enthalten. Außerdem beschreibt GB 2 293 342 die Verkapselung des Metalllotpulvers mit Monocarbonsäuren oder Komplexbildnern.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu lösen und eine Lotzusammensetzung bereitzustellen, die ein Epoxyflussmittel und eine bleifreie SnZn-Legierung enthält. Diese Lotzusammensetzung unterliegt geringen Veränderungen im Zeitablauf hinsichtlich ihrer Viskosität, Druckfähigkeit und Lötfähigkeit und erfordert keine Entfernung des Flussmittels.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wir, die Erfinder, haben herausgefunden, dass der Grund, warum sich die Viskosität, die Druckfähigkeit und Lötfähigkeit der Lotcremezusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und eine Epoxyflussmittel enthält, mit der Zeit verändern, darin besteht, dass der Zn-Bestandteil der SnZn-Legierung sehr reaktiv ist und daher im Verlauf der Zeit mit dem Bestandteil des Epoxyflussmittels, im Wesentlichen der organischen Carbonsäure im Flussmittel reagieren kann. Unter diesen Umständen haben wir gefunden, dass wenn die Reaktivität des Zn mit der organischen Carbonsäure in der Lotzusammensetzung herabgesetzt wird, dann das oben erwähnte Problem gelöst werden kann. Auf der Grundlage dieser Feststellung wurde die in den Ansprüchen definierte Erfindung geschaffen.
Die erste Ausführungsform der Erfindung ist eine Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die organische Carbonsäure in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz, und das Lot außerdem einen Alkohol enthält.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist eine Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, welches wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die SnZn-Legierung in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz, wobei das Lot außerdem einen Alkohol enthält.
Vorzugsweise ist die organische Carbonsäure in der Lotzusammensetzung als ein bei Raumtemperatur (25°C) fester Stoff dispergiert, und das Lotflussmittel enthält einen Alkohol.
Vorzugsweise hat die organische Carbonsäure ein Molekulargewicht von 100 bis 200 g/mol, und das Lotflussmittel enthält einen Alkohol.
Vorzugsweise ist die organische Carbonsäure in der Lotzusammensetzung als ein bei Raumtemperatur (25°C) fester Stoff dispergiert.
In der Lotzusammensetzung der Erfindung ist das Epoxyharz vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz, Bisphenol-F-Typ-Epoxyharz, Novolak-Typ-Epoxyharz, alicyclischem Epoxyharz und deren Gemische.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung ist der Alkohol vorzugsweise ein Polyalkohol.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung ist die organische Carbonsäure vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus gesättigter aliphatischer Dicarbonsäure, ungesättigter aliphatischer Dicarbonsäure, cycloaliphatischer Dicarbonsäure und aminogruppenhaltige Carbonsäure, hydroxylgruppenhaltige Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Gemische.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung hat die organische Carbonsäure vorzugsweise einen Schmelzpunkt von 130 bis 220°C.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung beträgt der Gesamtgehalt des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure im Flussmittel vorzugsweise von 70 bis 100 Gew.-% des Flussmittels, der Gehalt des Alkohols darin vorzugsweise von 0 bis 30 Gew.-% und das Epoxyharz und die organische Carbonsäure sind vorzugsweise so im Flussmittel formuliert, dass die Carboxylgruppe von 0,8 bis 2,0 Äquivalente, bezogen auf 1,0 Äquivalent der – Epoxygruppe darin, beträgt.
Da die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung eine bleifreie SnZn-Legierung enthält, ist ihr Schmelzpunkt niedriger als der anderer bleifreier Sn-enthaltender Legierungen, wie SnAg und SnSb, und als Ergebnis kann sie, wenn damit elektronische Teile rückflussgelötet werden, die nicht-wärmebeständig sind, deren Wärmeschädigung verringern. Außerdem ist sie, da sie ein Epoxyflussmittel enthält, frei von Problemen der Substratkorrosion und Migration und verursacht kein Härtungsversagen bei der Harzverkapselung und erfordert keine Flussmittelentfernung. Außerdem ist die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung speziell so formuliert, das Zn in SnZn nicht mit der als Komponente im Flussmittel enthaltenen organischen Carbonsäure reagiert, um Veränderungen im Zeitablauf hinsichtlich Viskosität, Druckfähigkeit und Lötfähigkeit der Zusammensetzung zu verursachen, so dass selbst wenn die Zusammensetzung über lange Zeit nach der Herstellung gelagert wird, die Lotzusammensetzung immer noch eine lang dauernde gute Lötbarkeit hat, welche nicht solchen Veränderungen mit der Zeit unterliegt.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Wie oben erwähnt, ist die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung eine solche, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält. Die bleifreie SnZn-Legierung hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als andere Legierungen auf Sn-Basis, wie SnAg und SnSb, und kann infolgedessen beim Rückflusslöten damit Wärmeschädigung von elektronischen Teilen verringern, die nicht wärmebeständig sind. Außerdem, da die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung ein Epoxyflussmittel enthält, verursacht sie keine Substratkorrosion und Migration und verursacht keinen Härtungsfehler bei der Harzverkapselung und erfordert keine Flussmittelentfernung.
Die bleifreie SnZn-Legierung umfasst SnZn, SnZnBi und SnZnIn, obgleich nicht darauf begrenzt. Vorzugsweise enthält die SnZn-Legierung als ihren Hauptbestandteil Sn, sowie 5 bis 15 Gew.-% Zn und höchstens 10 Gew.-% Bi oder In und hat einen Schmelzpunkt von etwa 180 bis 210°. Mehr bevorzugt sind eine eutektische Zusammensetzung von Sn9Zn (Smp 199°) und Sn8Zn3Bi (Smp 197°), Sn8Zn6Bi (Smp 194°) und Sn9Zn4In (Smp 190°) (Smp = Schmelzpunkt).
Das Epoxyharz für die Flussmittelkomponente ist bei Raumtemperatur (25°) flüssig und bewirkt, dass man beim Mischen mit dem festen (pulverförmigen) Lotbestandteil einen Lotcreme erhält und wirkt weiter beim Löten zum Härten mit der organischen Carbonsäure, um so die überschüssige Carbonsäure in ein gehärtetes Produkt umzuwandeln, das keine Flussmittelentfernung erfordert. Das gehärtete Epoxyharzprodukt beeinträchtigt nicht die Haftung des Verkapselungsharzes an einer Platte mit darauf gelöteten Teilen eines Schaltkreises selbst wenn die Platte nicht gewaschen sondern direkt der Harzverkapselung unterworfen wird, und außerdem ist seine Isolation gut. Vorzugsweise wird das Epoxyharz ausgewählt aus Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz, Bisphenol-F-Typ-Epoxyharz, Novolak-Typ-Epoxyharz, alicyclischem Epoxyharz und deren Gemischen. Mehr bevorzugt ist es ein Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz.
Die organische Carbonsäure für den Flussmittelbestandteil wirkt als ein Aktivator oder wirkt beim Löten zur Entfernung des oxidierten Films auf dem Leitermuster (z. B. Kupfer) einer Schaltplatte und zum Entfernen des oxidierten Films auf der Lotlegierungsoberfläche, so dass das Leitermuster mit dem Lot gut benetzt wird, und zusätzlich wirkt sie auch zum Härten mit dem Epoxyharz. Das erfindungsgemäße Flussmittel erfordert keinen anderen Aktivator (z. B. Amin- oder Halogenidaktivator) als die darin enthaltene organische Carbonsäure. In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung hat die organische Carbonsäure vorzugsweise einen Schmelzpunkt von 130 bis 220°. Von den unten erwähnten organischen Carbonsäuren haben die mehr bevorzugten einen Schmelzpunkt von 130 bis 220°. Der Grund dafür, dass organische Carbonsäuren mit einem Schmelzpunkt von 130 bis 220° bevorzugt sind für die Verwendung in der Erfindung ist, dass Carbonsäuren mit einem Schmelzpunkt von unter 130° schmelzen können, bevor die Leiteroberfläche von Schaltkarten aktiviert wird, und falls sie aktiviert wird, kann das Zn in der SnZn-Legierung mit der Carbonsäure vor der Aktivierung der Leiteroberfläche reagieren und infolgedessen wird die Benetzbarkeit der Leiterfläche schlecht sein. Andererseits können Carbonsäuren mit einem Schmelzpunkt von über 220° kaum während des Lotrückflusses schmelzen und können daher Leiter nicht aktivieren und mit Epoxyharzen nicht härten.
Die Lotzusammensetzungen der obigen Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit mehr Einzelheiten beschrieben.
Bei der Flussmittelherstellung wird im Allgemeinen eine Carbonsäure, die als ein Aktivator dient, mit anderen Flussmittelkomponenten erhitzt und geschmolzen, dann gerührt und abgekühlt, um ein gleichmäßiges Flussmittel zu erhalten. Bei diesem Verfahren ist jedoch die Carbonsäure bei Raumtemperatur flüssig wie das Epoxyharz, und ein SnZn-Legierungslot, das ein Flussmittel mit einer solchen flüssigen Carbonsäure enthält, kann häufigem Kontakt zwischen der Carbonsäure und Zn unterliegen, und die Lotzusammensetzung dieses Typs unterliegt daher im Verlauf der Zeit den oben erwähnten Veränderungen. Im Gegensatz dazu wird das Verfahren zur Flussmittelherstellung erfindungsgemäß nicht verwendet. Erfindungsgemäß wird ein Flussmittel, das eine organische Carbonsäure enthält, mit einer SnZn-Legierung bei Raumtemperatur gemischt, um die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung herzustellen. Demgemäß kann die organische Carbonsäure in der so erhaltenen Lotzusammensetzung als ein Feststoff dispergiert werden und, wie oben erwähnt, verändert sich die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung nicht im Verlauf der Zeit.
Die in der obigen Ausführungsform verwendete organische Carbonsäure ist vorzugsweise ausgewählt aus gesättigte aliphatische Dicarbonsäure, ungesättigte aliphatische Dicarbonsäure, cycloaliphatische Dicarbonsäure, aminogruppenhaltige Carbonsäure, hydroxylgruppenhaltige Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Gemische. Konkret sind darin eingeschlossen Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Dodecandisäure, Itaconsäure, Mesaconsäure, Cyclobutan-dicarbonsäure, Cyclohexan-dicarbonsäure, Cyclohexen-dicarbonsäure, Cyclopentan-tetracarbonsäure, Methyladipinsäure, L-Glutaminsäure, Zitronensäure, Apfelsäure, Weinsäure, Pyrazin-dicarbonsäure, Diglykolsäure, Phenylen-diessigsäure, Benzkatechin-diessigsäure, Thiopropionsäure, Thiodibuttersäure und Thioglykolsäure.
Vorzugsweise hat die organische Carbonsäure ein Molekulargewicht von 100 bis 200 g/mol. Die organische Carbonsäure ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Zn im SnZn reagiert, um in der oben erwähnten Weise ein Salz zu bilden.
Ein übliches Baumharzflussmittel enthält als seinen aktiven Bestandteil ein Baumharz mit einem hohen Molekulargewicht (etwa 300 bis 1000 g/mol). Daher kann das Zn im SnZn mit dem Baumharz im Flussmittel reagieren, um so ein Salz mit einem hohen Molekulargewicht zu bilden. Daraus folgen erhebliche Veränderungen im Zeitverlauf in der Viskosität, Druckfähigkeit und Lötfähigkeit von Lotcreme, der das Flussmittel dieses Typs enthält. Wenn jedoch ein Epoxyflussmittel, das eine organische Carbonsäure mit einem niedrigen Molekulargewicht enthält, im Lot verwendet wird, dann kann verhindert werden, dass das Lot sich im Verlauf der Zeit verändert, da die organische Carbonsäure mit Zn zu einem Salz mit einem niedrigen Molekulargewicht reagieren kann. Außerdem, da ein solches Salz mit niedrigem Molekulargewicht der Carbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht mit Zn vorab gebildet wird, wird verhindert, dass die Lotzusammensetzung während der Lagerung oxidiert oder mit irgendeinem anderen Bestandteil reagiert und sie ist daher stabil und erleidet wenig Veränderungen im Verlauf der Zeit.
Das Molekulargewicht der "organischen Carbonsäure mit einem niedrigen Molekulargewicht" fällt zwischen 100 und 200 g/mol, wie oben erwähnt. Der Grund dafür, dass das Molekulargewicht der organischen Carbonsäure so definiert ist, dass es zwischen 100 und 200 g/mol liegt, ist, weil organische Carbonsäuren mit einem Molekulargewicht von weniger als 100 g/mol zu reaktiv sind und mit Zn in SnZn-Legierungen stark reagieren können. Andererseits sind organische Carbonsäuren mit einem Molekulargewicht von mehr als 200 g/mol auch ungünstig, da das Molekulargewicht des von einer solchen organischen Carbonsäure und Zn in der Legierung gebildeten Salzes zu hoch sein kann und falls das der Fall ist, kann das Lot sich mit der Zeit verändern. Mehr vorzugsweise hat die organische Carbonsäure ein Molekulargewicht von 130 bis 180 g/mol.
Die erste Ausführungsform der Lotzusammensetzung der Erfindung enthält eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die organische Carbonsäure in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz.
In der Lotzusammensetzung dieser Ausführungsform ist die organische Carbonsäure, die mit der Zn-Komponente der SnZn-Legierung bei Raumtemperatur hoch reaktiv ist, mit einem inerten Film von beispielsweise Polyimid oder dergleichen, verkapselt. In diesem ist daher die organische Carbonsäure vor der Reaktion mit Zn geschützt, und die Lotzusammen setzung verändert sich kaum im Verlauf der Zeit. Wenn jedoch das Lot beim Rückfluss zum Löten erhitzt wird, wird der Film zerbrochen, und die darin enthaltene Carbonsäure löst sich heraus und aktiviert die zu lötende Objektfläche und aktiviert das Lotpulver. Gleichzeitig härtet außerdem das Epoxyharz mit der Carbonsäure, und das sie enthaltende Flussmittel kann daher seine ihm innewohnende Funktion beibehalten.
Die Mikrokapselstruktur ist nicht speziell definiert, soweit sie als eine Art der Mikroverkapselung hergestellt werden kann. Beispielsweise kann sie nach irgendeinem bekannten Verfahren der Mikroverkapselung hergestellt werden, wie Grenzflächenpolymerisation, Trocknen im flüssigen Zustand (in-liquid drying), Sprühtrocknen, Vakuumdampfabscheidung.
Die in dieser Ausführungsform zu verwendende organische Carbonsäure wird vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus gesättigte aliphatische Dicarbonsäure, ungesättigte aliphatische Dicarbonsäure, cycloaliphatische Dicarbonsäure, aminogruppenhaltige Carbonsäure, hydroxylgruppenhaltige Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Gemische. Die Carbonsäure wird mit einem Film von Polyimid oder dergleichen beschichtet, um die gewünschten Mikrokapseln herzustellen.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung ist eine Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die SnZn-Legierung in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz.
In der Lotzusammensetzung dieser zweiten Ausführungsform ist die SnZn-Legierung, die als einen wesentlichen Bestandteil Zn enthält, das bei Raumtemperatur mit einer organischen Carbonsäure bei Raumtemperatur stark reaktionsfähig ist, mit einem inerten Film überzogen. Darin ist also Zn vor der Reaktion mit der Carbonsäure geschützt, und die Lotzusammensetzung verändert sich kaum im Zeitablauf. Wenn jedoch der Lotrückfluss bei seiner Verwendung zum Löten Wärme aufnimmt, wird der Film zerbrochen, und das Lötlegierungspulver löst sich aus ihm heraus, und wenn der so erhitzte Lotfluss eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Lotlegierung erreicht, schmilzt das Lot, so dass damit gelötet werden kann.
Die Mikrokapselstruktur ist nicht speziell definiert insoweit sie in irgendeiner Art der Mikroverkapselung hergestellt werden kann. Sie kann beispielsweise nach irgendeinem bekannten Verfahren der Mikroverkapselung hergestellt werden, wie Grenzflächenpolymerisation, Trocknen in flüssigem Zustand (in-liquid drying), Sprühtrocknen, Vakuumdampfabscheidung.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung enthält der Flussmittelbestandteil vorzugsweise einen Alkohol als ein Lösungsmittel desselben. Das Alkohollösungsmittel löst die im Flussmittel vorhandene Carbonsäure, um so die Viskosität des Flussmittels herabzusetzen. Außerdem kann das Epoxyharz im Flussmittel mit dem Alkohol reagieren, und der Alkohol verbleibt nicht als ein Rückstand. Jedoch liefert das Flussmittel in der Erfindung auch dann eine bleifreie Lotzusammensetzung, wenn es keinen Alkohol enthält. Als Alkohol, der im erfindungsgemäßen Lotflussmittel verwendbar ist, sind geeignet unter anderem Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, Isobutyl-, Amyl-, Isoamyl-, Allylalkohol, Cyclohexanol sowie Polyalkohole wie unter anderem Ethylen-, Diethylen-, Triethylen-, Tetraethylen-, Propylen-, Octylen-, Polyethylenglykol, Propandiol und Glycerin und sogar deren Gemische. Bevorzugt sind Polyalkohole und besonders bevorzugt sind Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Propandiol und Glycerin.
Falls gewünscht, kann das Flussmittel andere Zusatzstoffe enthalten, wie thixotrope Säure, Chelatisierungsmittel, Entschäumungsmittel, Tensid und Antioxidationsmittel. Hinsichtlich der Menge dieser Zusatzstoffe im Flussmittel ist es erwünscht, dass das thixotrope Mittel von 0 bis 5 Gew.-% des Flussmittels, das Chelatisierungsmittel von 0 bis 5 Gew.-%, das Entschäumungsmittel von 0 bis 1 Gew.-%, das Tensid von 0 bis 2 Gew.-% und das Antioxidationsmittel von 0 bis 3 Gew.-% ausmachen.
Vorzugsweise ist die Lotzusammensetzung so formuliert, dass die Gesamtmenge des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure im Flussmittel von 70 bis 100 Gew.-% des Flussmittels und die Menge des Alkohols von 0 bis 30 Gew.-% des Flussmittels betragen, und das Epoxyharz und die organischen Carbonsäuren sind so im Flussmittel formuliert, dass die Carboxylgruppe von 0,8 bis 2,0 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe darin beträgt. Der Grund dafür, dass das Epoxyharz und die organische Carbonsäure so formuliert sind, dass die Carboxylgruppe von 0,8 bis 2,0 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquiva lent der Epoxygruppe im Flussmittel beträgt, liegt darin, dass wenn weniger als 0,8 Äquivalente Carboxylgruppe vorhanden sind, die Aktivität der Carbonsäure gering ist und die Lotnetzfähigkeit dadurch herabgesetzt wird. Wenn auf der anderen Seite mehr als 2,0 Äquivalente Carboxylgruppe vorhanden sind, verschlechtert zu viel feste Carbonsäure die Fließfähigkeit des Flussmittels und setzt damit die Lotnetzfähigkeit herab. Vorzugsweise wird das Mischungsverhältnis des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure so eingestellt, dass die Carbongruppe von 1,0 bis 1,3 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe beträgt, vorzugsweise 1,0 Äquivalent Carboxylgruppe. Der Grund dafür, dass die Gesamtmenge von Epoxyharz und organischer Carbonsäure im Flussmittel 70 bis 100 Gew.-% des Flussmittels beträgt, liegt darin, dass wenn sie kleiner als 70 Gew.-% ist, die Aktivität der Carbonsäure gering ist und die Lotnetzfähigkeit dadurch herabgesetzt ist. Der Grund dafür, dass die Menge des Alkohols von 0 bis 30 Gew.-% des Flussmittels beträgt, ist, dass wenn die Alkoholmenge größer als 30 Gew.-% ist, sie Fehler bei der Verkapselung mit dem Harz, besonders mit Silicongel, verursacht. Vorzugsweise ist die Gesamtmenge von Epoxyharz und der organischen Carbonsäure von 75 bis 85 Gew.-% des Flussmittels, und die Menge des Alkohols 15 bis 25 Gew.-% desselben. Mehr bevorzugt ist die Gesamtmenge von Epoxyharz und organischer Carbonsäure 77 Gew.-% des Flussmittels und die Alkoholmenge 23 Gew.-% desselben. Wenn das Flussmittel für die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung, wie oben formuliert wird, vermeidet man die Probleme, dass die Hauptmenge der als ein Aktivator dienenden Carbonsäure für die Härtungsreaktion mit dem Epoxyharz verbraucht wird, bevor die SnZn-Legierung schmilzt, so dass die Carbonsäure ihre Aktivität nicht mehr behält und das Flussmittel seine Fließfähigkeit verliert und daher die Lotnetzfähigkeit herabgesetzt wird.
Löten mit der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung, das ohne Flussmittelentfernung von der Zusammensetzung erreicht werden kann, wird im Folgenden beschrieben. Wenn die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung zum Löten verwendet wird, beispielsweise für Rückflusslöten von elektronischen Teilen, beginnt das Epoxyflussmittel in ihr zuerst zu reagieren, bevor das darin enthaltene bleifreie SnZn-Lot schmilzt, und der Aktivator, organische Carbonsäure, reinigt die durch Löten zu verbindende Objektfläche. Als Nächstes schmilzt bei Erhöhung seiner Temperatur das bleifreie Lot, um elektronische Teile an das Leitermuster einer Schaltkarte anzulöten. Selbst in dieser Stufe setzt sich die Flussmittelhärtungsreaktion fort, und fast zur gleichen Zeit, wenn das Löten beendet ist oder wenn nach dem Löten erhitzt wird (um das Verkapselungsharz zu härten), ist die Reaktion beendet und das gehärtete – Epoxyharz bedeckt die gelötete Fläche, um so den Verbund zu verstärken. Im rückflussgelöte ten Zustand kann ein gewisser Überschuss von carbonsäureenthaltendem Epoxyflussmittelrückstand in der gelöteten Fläche auf der Schaltkarte verbleiben. Dann wird ohne Waschen die Schaltkarte rings um die verbundenen Teile direkt mit Harz verkapselt (z. B. Epoxyharz, Silicongel), worauf die noch im Flussmittelrückstand verbliebene Carbonsäure mit dem Verkapselungsharz reagiert und als Ergebnis fast die gesamte Carbonsäure so durch die Härtungsreaktion verbraucht wird und daher nicht mehr aktiv ist für Korrosion. Außerdem bindet sich der Hauptbestandteil Epoxyharz im Epoxyflussmittel fest an das Verkapselungsharz. Wenn also das Epoxyflussmittel des hier angegebenen Typs verwendet wird, so sorgt es für gute Lotnetzfähigkeit und obgleich der Flussmittelrückstand nach der Verwendung beim Löten nicht entfernt wird, bleibt die Isolationszuverlässigkeit immer noch gut ohne Härtungsfehler beim Verkapselungsharz.
(Beispiele)
Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung wird konkret mit Bezug auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
(Beispiel 1)
4,16 g von 2,2-Dimethylglutarsäure (Smp. 84°; Mol-Gew. 160), die zu Mikrokapseln geformt waren, wurden zu einer Mischung von 4,33 g Triethylenglykol und 10 g Epoxyharz AER260 (Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalent von 192 g/Äq., von Asahi Kasei Epoxy) bei Raumtemperatur (25°) gegeben und gemischt, um ein Flussmittel herzustellen. Epoxyharz, das mit Zn bei Raumtemperatur (25°) nicht reagiert, wurde als das Kapselmaterial für die Mikrokapseln verwendet, und die Säure wurde durch Grenzflächenpolymerisation in Mikrokapseln geformt. Die Größe der Mikrokapseln betrug 2 μM und die Kapselwanddicke war 0,2 μm.
Im Flussmittel wurden das Epoxyharz und die Carbonsäure so formuliert, dass die Epoxygruppe 1 Äquivalent bezogen auf 1 Äquivalent der Carboxylgruppe war. Das Flussmittel wurde bei Raumtemperatur (25°C) zu einer Legierung von Sn8Zn3Bi gegeben und gemischt, um einen Lotzusammensetzungscreme herzustellen. Der Gehalt der Lotzusammensetzung an Lotlegierung betrug 88 Gew.-%. Da die 2,2-Dimethylglutaminsäure im Lotcreme eine organische Carbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht ist, reagiert sie mit Zn, um ein Salz mit niedrigem Molekulargewicht zu bilden. Die Carbonsäure wurde in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur dispergiert.
Eine Stunde nach der Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und betrug 250 Pa.s. Nach drei Monaten Aufbewahrung in einem Kühlschrank (5°) betrug die Viskosität der Lotzusammensetzung 250 Pa.s und war die gleiche wie die der frischen Zusammensetzung. Das bestätigt, dass die Lotzusammensetzung sich im Verlauf der Zeit wenig verändert. Andererseits war die Lotnetzfähigkeit gut und obgleich der Flussmittelrückstand nach dem Löten nicht entfernt wurde, verursachte er keinen Härtungsfehler bei der Verkapselung mit Silicongel. Ohne dass eine Flussmittelentfernung erforderlich ist, gewährleistet das bleifreie Lot eine gute Lötbarkeit.
(Vergleichsbeispiel 1)
5,80 g Triethylenglykol wurden zu 9,32 g Benzoyl-D-weinsaure (Smp. 155°; Molekulargewicht 358) zugesetzt, und Phthalsäure wurde auf etwa 130° erwärmt und gelöst. Dann wurde das auf 100° oder darunter abgekühlt und dann 10 g Epoxyharz AER260 (Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalent von 192 g/Äq. von Asahi Kasei Epoxy) zugefügt und gerührt, um ein Flussmittel zu ergeben. In dem Flussmittel waren das Epoxyharz und die Carbonsäure so formuliert, dass die Epoxygruppe 1 Äquivalent bezogen auf 1 Äquivalent der Carboxylgruppe war. Das Flussmittel wurde auf Raumtemperatur (25°C) abgekühlt und zu einer Legierung von Sn8Zn3Bi gegeben und gemischt, um eine Lotzusammensetzungscreme herzustellen. Der Lotlegierungsgehalt der Lotzusammensetzung betrug 88 Gew.-%. Da Benzoyl-D-weinsäure bei Raumtemperatur in der Lotzusammensetzung flüssig ist, reagiert sie leicht mit Zn in der Lotlegierung. Bei der Umsetzung mit Zn bildet diese Säure ein Salz mit einem hohen Molekulargewicht.
Eine Stunde nach der Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und betrug 260 Pa.s. Nach 10 Tagen Aufbewahrung in einem Kühlschrank (5°C) war die Lotzusammensetzung nicht mehr cremig sondern bildete einen festen Körper. Offensichtlich veränderte sich die Lotzusammensetzung mit der Zeit.
Üblicher Baumharz-Flussmittel enthält als seinen aktiven Bestandteil ein Baumharz mit einem hohen Molekulargewicht (etwa 300–1000 g/mol). Daher kann mit der Zeit Zn in SnZn mit dem Baumharz im Flussmittel reagieren, um ein Salz mit einem hohen Molekulargewicht zu bilden. Infolgedessen treten bemerkenswerte Veränderungen im Verlauf der Zeit bei Viskosität, Druckfähigkeit und Lötfähigkeit des Lotcremes auf, welcher eine solche Art von Flussmittel enthält. Wenn jedoch ein Epoxyflussmittel, das eine organische Carbonsäure mit einem niedrigen Molekulargewicht enthält, im Lot verwendet wird, dann kann man verhindern, dass das Lot sich im Verlauf der Zeit verändert, da die organische Carbonsäure mit Zn reagieren kann, um ein Salz mit einem niedrigen Molekulargewicht zu bilden. Außerdem, da ein solches Salz mit geringem Molekulargewicht der Carbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht mit Zn zuvor gebildet wird, wird verhindert, dass die Lotzusammensetzung beim Lager oxidiert oder mit irgendeinem anderen Bestandteil reagiert, und sie ist daher stabil und verändert sich kaum mit der Zeit.
Das Molekulargewicht der "organischen Carbonsäure mit einem niedrigen Molekulargewicht" liegt zwischen 100 und 200 g/Mol, wie oben erwähnt. Der Grund dafür, dass das Molekulargewicht der organischen Carbonsäure so definiert ist, dass es zwischen 100 und 200 g/Mol liegt, ist, dass organische Carbonsäuren mit einem Molekulargewicht von unter 100 g/Mol zu reaktiv sind und mit Zn in SnZn-Legierungen stark reagieren können. Andererseits sind auch organische Carbonsäuren mit einem Molekulargewicht von mehr als 200 g/Mol ungünstig, da das Molekulargewicht eines von einer solchen organischen Carbonsäure und Zn in der Legierung gebildeten Salzes zu hoch sein kann und deshalb das Lot sich mit der Zeit verändern kann. Mehr bevorzugt hat die organische Carbonsäure ein Molekulargewicht von 130 bis 180 g/Mol.
Die in dieser Ausführungsform zu verwendende organische Carbonsäure hat ein Molekulargewicht von 100 bis 200 g/Mol und wird vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus gesättigte aliphatische Dicarbonsäure, ungesättigte aliphatische Dicarbonsäure, cycloaliphatische Dicarbonsäure, aminogruppenhaltige Carbonsäure, hydroxylgruppenhaltige Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Mischungen. Konkreter umfasst die Gruppe Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Azelainsäure, Itaconsäure, Citraconsäure, Mesaconsäure, Cyclobutan-dicarbonsäure, Cyclohexan-dicarbonsäure, Cyclohexendicarbonsäure, Dimethylglutarsäure, Methyladipinsäure, L-Glutaminsäure, Asparaginsäure, Zitronensäure, Äpfelsäure, Weinsäure, Pyridin-dicarbonsäure, Pyrazin-dicarbonsäure, Diglykolsäure, Phenylen-diessigsäure, Thiopropionsäure, Thiobuttersäure und Thioglykolsäure. Bevorzugt sind Cyclohexen-dicarbonsäure, L-Glutaminsäure, Dimethylglutarsäure und Itaconsäure.
Die in der Lotzusammensetzung dieser Ausführungsform zu verwendende organische Carbonsäure kann in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur (25°C) oder als eine Flüssigkeit darin verteilt werden. Wenn die organische Carbonsäure als eine Flüssigkeit bei Raumtemperatur (25°C) dispergiert wird, wird die Carbonsäure, die als ein Aktivator dient, zusammen mit irgendeinem anderen Flussmittelbestandteil erhitzt und geschmolzen und dann gerührt und abgekühlt, um ein gleichmäßiges Flussmittel herzustellen, und dieses wird dann mit einer Lotlegierung gemischt. Insoweit im Flussmittel die oben erwähnte organische Carbonsäure mit einem niedrigen Molekulargewicht verwendet wird, kann selbst das SnZn-Legierungslot, das das Flussmittel mit Gehalt an flüssiger Carbonsäure enthält, vor einer Veränderung im Verlauf der Zeit bewahrt werden. Jedoch ist es, wie oben beschrieben, im Hinblick auf Verringerung des Kontakts zwischen der organischen Carbonsäure und Zn erwünscht, dass die organische Carbonsäure in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur (25°C) dispergiert ist. Beispielsweise wird eine organische Carbonsäure in Pulverform bei Raumtemperatur mit einem Epoxyharz gemischt, um ein Flussmittel herzustellen, und das Flussmittel kann mit einer SnZn-Legierung gemischt werden, wodurch die organische Carbonsäure als ein Feststoff in der erhaltenen Lotzusammensetzung dispergiert sein kann.
Die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung enthält eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die organische Carbonsäure in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyhamstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz.
In der Lotzusammensetzung dieser Ausführungsform ist die organische Carbonsäure, die mit dem Zn-Bestandteil der SnZn-Legierung bei Raumtemperatur hoch reaktiv ist, mit einem inerten Film aus beispielsweise Polyimid oder dergleichen verkapselt. In diesem ist daher die organische Carbonsäure vor Reaktion mit Zn geschützt, und die Lotzusammensetzung verändert sich kaum im Verlauf der Zeit. Wenn jedoch das Lot Wärme aufnimmt während des Rückflusses zum Löten, wird der Film zerbrochen und die organische Carbonsäure löst sich heraus und aktiviert die zu lötende Objektfläche und das Lotpulver. Gleichzeitig härtet das Epoxyharz mit der organischen Carbonsäure und das sie enthaltende Flussmittel kann daher seine intrinsische Funktion beibehalten.
Die Mikrokapselstruktur ist nicht speziell definiert insoweit als sie in einer Art von Mikroverkapselung hergestellt werden kann. Beispielsweise kann sie nach irgendeinem bekannten Verfahren der Mikroverkapselung hergestellt werden, wie Grenzflächenpolymerisation, In-Flüssigkeit-Trocknen, Sprühtrocknen, Vakuumdampfabscheidung.
Die in dieser Ausführungsform zu verwendende organische Carbonsäure wird vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus gesättigte aliphatische Dicarbonsäure, ungesättigte aliphatische Dicarbonsäure, cycloaliphatische Dicarbonsäure, aminogruppenhaltige Carbonsäure, hydroxylgruppenhaltige Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Gemische. Die Carbonsäure wird mit einem Film von Polyimid oder dergleichen überzogen, um die gewünschten Mikrokapseln herzustellen.
Die vierte Ausführungsform der Erfindung ist eine Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, das wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, wobei die SnZn-Legierung in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz.
In der Lotzusammensetzung dieser Ausführungsform ist die SnZn-Legierung, die als ihren wesentlichen Bestandteil das bei Raumtemperatur mit einer organischen Carbonsäure stark reagierende Zn enthält, mit einem inerten Film beschichtet. Darin ist daher das Zn geschützt vor der Reaktion mit der Carbonsäure und die Lotzusammensetzung verändert sich kaum mit der Zeit. Wenn jedoch der Lotrückfluss Wärme aufnimmt, während er zum Löten verwendet wird, wird der Film zerbrochen und das Lotlegierungspulver löst sich aus ihm heraus und wenn der so erwärmte Lotfluss eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Lotlegierung erreicht, schmilzt das Lot, so dass mit ihm gelötet werden kann.
Die Mikrokapselstruktur ist nicht besonders definiert soweit sie in irgendeiner Art von Mikroverkapselung hergestellt werden kann. Beispielsweise kann sie nach irgendeinem be kannten Verfahren der Mikroverkapselung hergestellt werden, wie Grenzflächenpolymerisation, In-Flüssigkeit-Trocknen, Sprühtrocknen, Vakuumdampfabscheidung.
In der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung enthält der Flussmittelbestandteil vorzugsweise einen Alkohol als ein Lösungsmittel desselben. Das Alkohollösungsmittel löst die Carbonsäure im Flussmittel und senkt so dessen Viskosität. Außerdem kann das Epoxyharz im Flussmittel mit dem Alkohol reagieren und der Alkohol verbleibt nicht als ein Rückstand. Auch wenn das Flussmittel in der Erfindung keinen Alkohol enthält, ist es dennoch für ein bleifreies Lot geeignet. Der im erfindungsgemäßen Lotflussmittel verwendbare Alkohol ist unter anderen Methylalkohol, Ethylalkohol, Propylalkohol, Butylalkohol, Isobutylalkohol, Amylalkohol, Isoamylalkohol, Allylalkohol, Cyclohexanol sowie Polyalkohole wie Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Octylenglykol, Polyethylenglykol, Propandiol und Glycerin und sogar deren Gemische. Bevorzugt sind Polyalkohole und mehr bevorzugt sind Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Tetraethylenglykol, Propylenglykol, Polyethylenglykol, Propandiol und Glycerin.
Falls gewünscht, kann das Flussmittel andere Zusatzstoffe enthalten, wie thixotrope Säure, Chelatisierungsmittel, Entschäumungsmittel, Tensid und Antioxidationsmittel. Betreffend die Menge dieser Zusatzstoffe im Flussmittel ist es erwünscht, dass das thixotrope Mittel 0 bis 5 Gew.-% des Flussmittels, das Chelatisierungsmittel 0 bis 5 Gew.-%, das Entschäumungsmittel 0 bis 1 Gew.-%, das Tensid 0 bis 2 Gew.-% und das Antioxidationsmittel 0 bis 3 Gew.-% beitragen.
Vorzugsweise ist die Lotzusammensetzung so formuliert, dass die Gesamtmenge des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure im Flussmittel 70 bis 100 Gew.-% des Flussmittels und die Menge des Alkohols 0 bis 30 Gew.-% des Flussmittels betragen, und das Epoxyharz und die organischen Carbonsäuren sind so im Flussmittel formuliert, dass die Carboxylgruppe 0,8 bis 2,0 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe darin beträgt. Der Grund dafür, dass das Epoxyharz und die organische Carbonsäure so formuliert sind, dass die Carboxylgruppe 0,8 bis 2,0 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe im Flussmittel beträgt, liegt darin, dass wenn die Carboxylgruppe kleiner als 0,8 Äquivalente ist, die Aktivität der Carbonsäure gering ist und die Lotnetzfähigkeit dadurch verringert wird. Wenn andererseits die Carboxylgruppe größer als 2,0 Äquivalente ist, verschlechtert zu viel feste Carbonsäure die Fließfähigkeit des Flussmittels und die Lotnetzfähigkeit wird dadurch herabgesetzt. Vorzugsweise wird das Mischungsverhältnis des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure so eingestellt, dass die Carboxylgruppe 1,0 bis 1,3 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe beträgt, mehr bevorzugt ist 1,0 Äquivalent Carboxylgruppe. Der Grund, warum die Gesamtmenge von Epoxyharz und organischer Carbonsäure im Flussmittel 70 bis 100 Gew.-% des Flussmittels beträgt ist, dass wenn sie kleiner als 70 Gew.-% ist, die Aktivität der Carbonsäure gering ist und die Lotnetzfähigkeit dadurch herabgesetzt ist. Der Grund, warum die Menge des Alkohols von 0 bis 30 Gew.-% im Flussmittel beträgt, ist, dass wenn die Alkoholmenge größer als 30 Gew.-% ist, sie Härtungsfehler in der Verkapselung mit Harz, besonders mit Silicongel, verursacht. Vorzugsweise beträgt die Gesamtmenge des Epoxyharzes und der organischen Carbonsäure von 75 bis 85 Gew.-% des Flussmittels und die Menge des Alkohols 15 bis 25 Gew.-% desselben. Mehr bevorzug beträgt die Gesamtmenge von Epoxyharz und organischer Carbonsäure 77 Gew.-% des Flussmittels und die Alkoholmenge 23 Gew.-% desselben. Wenn das Flussmittel in der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung wie oben definiert ist, werden die Probleme vermieden, dass die Hauptmenge der als ein Aktivator dienenden Carbonsäure für die Härtungsreaktion mit dem Epoxyharz verbraucht wird, bevor die SnZn-Legierung schmilzt und dass daher die Carbonsäure ihre Aktivität nicht aufrechterhalten kann und das Flussmittel seine Fließfähigkeit verliert und daher die Lotnetzfähigkeit herabgesetzt ist.
Das Löten mit der erfindungsgemäßen Lotzusammensetzung, das ohne Flussmittelentfernung aus der Zusammensetzung erhalten werden kann, wird im Folgenden beschrieben. Wenn die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung zum Löten verwendet wird, beispielsweise zum Rückflusslöten von elektronischen Teilen, beginnt das Epoxyflussmittel zunächst zu reagieren, bevor das bleifreie SnZn-Lot darin schmilzt, und der Aktivator, organische Carbonsäure, reinigt die durch Löten zu verbindende Objektfläche. Dann schmilzt bei Steigerung seiner Temperatur das bleifreie Lot, um elektronische Teile an dem Leitermuster einer Schaltkarte anzulöten. Selbst in dieser Stufe schreitet die Flussmittelhärtungsreaktion weiter fort und fast zur gleichen Zeit, wenn das Löten beendet ist oder wenn nach dem Löten erhitzt wird (zum Härten des Verkapselungsharzes), wird die Reaktion beendet und das gehärtete Epoxyharz bedeckt die gelötete Fläche, um so das Verbinden zu verstärken. Im rückflussgelöteten Zustand kann etwas überschüssiger carbonsäurehaltige Epoxyflussmittelrückstand in der gelöteten Fläche auf der Schaltkarte zurückbleiben. Als Nächstes wird ohne Waschen die Schaltkarte direkt mit Harz (z. B. Epoxyharz, Silicongel) rings um die angelöteten Teile verkapselt, worauf die immer noch im Flussmittelrückstand verbliebene Carbonsäure mit dem Verkapse lungsharz reagiert und als Ergebnis fast die gesamte Carbonsäure so durch die Härtungsreaktion verbraucht wird und daher für Korrosion nicht mehr aktiv ist. Zusätzlich bindet die Hauptkomponente das Epoxyharz im Epoxyflussmittel fest an das Verkapselungsharz. Wenn daher das Epoxyflussmittel des hier beschriebenen Typs verwendet wird, sorgt es für gute Lotnetzfähigkeit und, obgleich der Flussmittelrückstand nach der Verwendung beim Löten nicht entfernt wird, ist die Zuverlässigkeit der Isolation weiter gut ohne Fehler beim Härten des Verkapselungsharzes.
(Beispiele)
Die erfindungsgemäße Lotzusammensetzung wird konkret mit Bezug auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
(Beispiel 1)
4,42 g cis-4-Cyclohexen-1,2-dicarbonsäure (Smp. 167°C; Molekulargewicht 170) wurden in einem Mörser zu feinem Pulver zerstoßen und dieses wurde zu einer Mischung von 4,33 g Triethylenglykol und 10 g Epoxyharz AER260 (Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalent von 192 g/Äq. von Asahi Kasei Epoxy) bei Raumtemperatur (25°C) gegeben und gemischt, um ein Flussmittel herzustellen. Im Flussmittel waren das Epoxyharz und die Carbonsäure so formuliert, dass 1 Äquivalent Epoxygruppe auf 1 Äquivalent der Carboxylgruppe vorlag. Das Flussmittel wurde zu einer Legierung von Sn8Zn3Bi bei Raumtemperatur (25°C) gegeben und gemischt, um einen Lotzusammensetzungscreme herzustellen. Der Lotlegierungsgehalt der Lotzusammensetzung betrug 88 Gew.-%. Da cis-4-Cyclohexen-1,2-dicarbonsäure im Lotcreme eine organische Carbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht ist, reagiert sie mit Zn, um ein Salz mit niedrigem Molekulargewicht zu bilden. Die Carbonsäure war in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur dispergiert.
Eine Stunde nach der Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und betrug 230 Pa.s. Nach drei Monaten Lagerung in einem Kühlschrank (5°C) betrug die Viskosität der Lotzusammensetzung 240 Pa.s und war fast die gleiche wie die der frischen Zusammensetzung. Das bestätigt, dass sich die Lotzusammensetzung im Verlauf der Zeit wenig verändert. Andererseits war die Lotbenetzungsfähigkeit gut und, obgleich der Flussmittelrückstand nach dem Löten nicht entfernt wurde, trat kein Härtungsfehler beim Verkapseln mit Silicongel auf. Ohne dass ein Entfernen des Flussmittels erforderlich ist, gewährleistet das bleifreie Lot eine gut Lötfähigkeit.
(Beispiel 2)
Löten wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 versucht, wobei jedoch 3,83 g L-Glutaminsäure (Smp. etwa 200°C; Molekulargewicht 147) anstelle der cis-4-Cyclohexen-1,2-dicarbonsäure im Beispiel 1 verwendet wurde. Da L-Glutaminsäure im Lotcreme eine organische Carbonsäure mit niedrigem Molekulargewicht ist, reagiert sie mit Zn, um ein Salz mit niedrigem Molekulargewicht zu bilden. Die Carbonsäure wurde in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur dispergiert.
Eine Stunde nach der Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und war 260 Pa.s. Nach drei Monaten Lagerung in einem Kühlschrank (5°C) betrug die Viskosität der Lotzusammensetzung 265 Pa.s und war fast die gleiche wie die der frischen Zusammensetzung. Das bestätigt, dass die Lotzusammensetzung sich im Verlauf der Zeit wenig verändert. Andererseits war die Lotbenetzungsfähigkeit gut und, obgleich der Flussmittelrückstand nach dem Löten nicht entfernt wurde, verursachte er keinen Härtungsfehler beim Verkapseln mit Silicongel. Ohne dass eine Entfernung von Flussmittel erforderlich ist, gewährleistet das bleifreie Lot eine gute Lötfähigkeit.
(Beispiel 3)
Löten wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 vorgenommen, wobei jedoch 4,16 g von 2,2-Dimethylglutarsäure (Smp. 84°C; Molekulargewicht 160), die in Mikrokapseln geformt worden waren, anstelle der cis-4-Cyclohexen-1,2-dicarbonsäure in Beispiel 1 verwendet wurden. Als das Mantelmaterial für die Mikrokapseln wurde Epoxyharz verwendet, das mit Zn bei Raumtemperatur (25°C) nicht reagiert, und die Säure wurde zu Mikrokapseln durch Grenzflächenpolymerisation geformt. Die Größe der Mikrokapseln war 2 um und die Kapselwanddicke war 0,2 μm.
Eine Stunde nach ihrer Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und betrug 250 Pa.s. Nach drei Monaten Lagerung in einem Kühlschrank (5°C) betrug die Viskosität der Lotzusammensetzung 250 Pa.s und war die gleiche wie die der frischen Zusammensetzung. Das bestätigt, dass die Lotzusammensetzung sich im Verlauf der Zeit wenig verändert. Andererseits war die Lotbenetzungsfähigkeit gut und, obgleich der Flussmittelrückstand nach dem Löten nicht entfernt wurde, verursachte er kein Härtungsversagen beim Verkapseln mit Silicongel. Ohne dass Flussmittelentfernung erforderlich ist, gewährleistet das bleifreie Lot gute Lötfähigkeit.
(Vergleichsbeispiel 1)
5,80 g. Triethylenglykol wurden zu 9,32 g Benzoyl-D-weinsaure (Smp. 155°C; Molekulargewicht 358) gegeben und Phthalsäure wurde auf etwa 130°C erhitzt und gelöst. Dann wurde das auf 100°C oder darunter abgekühlt und dann wurden 10 g Epoxyharz AER260 (Bisphenol-A-Typ-Epoxyharz mit einem Epoxyäquivalent von 192 g/Äq. von Asahi Kasei Epoxy) hinzugefügt und gerührt, um ein Flussmittel zu erhalten. In dem Flussmittel waren das Epoxyharz und die Carbonsäure so formuliert, dass die Epoxygruppe 1 Äquivalent bezüglich 1 Äquivalent der Carboxylgruppe war. Das Flussmittel wurde auf Raumtemperatur (25°C) abgekühlt und dann zu einer Legierung von Sn8Zn3Bi gegeben und gemischt, um eine Lotcremezusammensetzung herzustellen. Der Lotlegierungsgehalt der Lotzusammensetzung war 88 Gew.-%. Da Benzoyl-D-weinsaure bei Raumtemperatur in der Lotzusammensetzung flüssig ist, reagiert sie leicht mit Zn in der Lotlegierung. Wenn sie mit Zn reagiert, bildet die Säure ein Salz mit einem hohen Molekulargewicht.
Eine Stunde nach ihrer Herstellung wurde die Viskosität der Lotzusammensetzung gemessen und betrug 260 Pa.s. Nach 10 Tagen Lagerung in einem Kühlschrank (5°C) war die Lotzusammensetzung nicht mehr cremig sondern bildete einen festen Körper. Offensichtlich hatte sich die Lotzusammensetzung im Verlauf der Zeit geändert.

Claims

Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, welches wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, worin die organische Carbonsäure in Mikrokapseln vorhanden ist, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz besteht, und das Lotflussmittel einen Alkohol enthält.
Lotzusammensetzung, die eine bleifreie SnZn-Legierung und ein Lotflussmittel enthält, welches wenigstens ein Epoxyharz und eine organische Carbonsäure enthält, wobei die SnZn-Legierung in Mikrokapseln vorliegt, die mit einem Film verkapselt sind, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Epoxyharz, Polyimidharz, Polycarbonatharz, Polyamidharz, Polyesterharz, Polyharnstoffharz, Polyolefinharz und Polysulfonharz, und das Lotflussmittel einen Alkohol enthält.
Lotzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Carbonsäure in der Lotzusammensetzung als ein Feststoff bei Raumtemperatur (25°C) dispergiert ist und das Lotflussmittel einen Alkohol enthält.
Lotzusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Carbonsäure ein Molekulargewicht von 100 bis 200 g/mol hat und das Lotflussmittel einen Alkohol enthält.
Lotzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Carbonsäure in der Lotzusammensetzung als ein fester Stoff bei Raumtemperatur (25°C) dispergiert ist.
Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Epoxyharz ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Bisphenol-A-Typ- Epoxyharz, Bisphenol-F-Typ-Epoxyharz, Novolak-Typ-Epoxyharz, alicyklischem Epoxyharz und deren Mischungen.
Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Carbonsäure ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus gesättigter aliphatischer Dicarbonsäure, ungesättigter aliphatischer Dicarbonsäure, cycloaliphatische Dicarbonsäure, Aminogruppen enthaltende Carbonsäure, Hydroxylgruppe enthaltende Carbonsäure, heterocyclische Dicarbonsäure und deren Mischungen.
Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Carbonsäure einen Schmelzpunkt von 130 bis 220°C hat.
Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ein Polyalkohol ist.
Lotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, der Gesamtgehalt an dem Epoxyharz und der organischen Carbonsäure im Flussmittel vorzugsweise von 70 bis 100% bezogen auf Masse des Flussmittels, der Gehalt des Alkohols darin vorzugsweise bis zu 30% bezogen auf Masse beträgt und das Epoxyharz und die organische Carbonsäure vorzugsweise im Flussmittel so formuliert sind, dass die Carboxylgruppe 0,8 bis 2,0 Äquivalente bezogen auf 1,0 Äquivalent der Epoxygruppe darin beträgt.