DE68907745T2

DE68907745T2 - Flussmittelloses Auftragen einer Metall enthaltenden Schicht.

Info

Publication number: DE68907745T2
Application number: DE89102084T
Authority: DE
Inventors: Mark Stephen Nowotarski
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1988-02-08
Filing date: 1989-02-07
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2009-02-08
Also published as: DE68907745D1; MX165299B; KR890013207A; ATE91936T1; BR8900513A; EP0330867B1; US4821947A; JPH02147161A; EP0330867A1; KR930007144B1; ES2042816T3; CA1337037C

Description

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Aufbringen eines Metall aufweisenden Überzugs auf eine Metall aufweisende Oberfläche. Genauer wird ein Verfahren offenbart, das ein Aufbringen des Überzugs ohne die Anwendung eines mit der Metall aufweisenden Oberfläche in Kontakt stehenden Flußmittels ermöglicht. Der Überzug wird in einer mindestens gegenüber dem Überzugsmaterial während der Dauer seiner Anwendung inerten Umgebung aufgebracht.

Hintergrund der Erfindung

Weichlöten und Hartlöten sind bekannte Verfahren, um metallische Gegenstände miteinander zu verbinden. Bei beiden Verfahren werden Metallteile mit einem flüssigen "Füll"-Metall bei einer erhöhten Temperatur benetzt, und man läßt dann die Teile unter den Soliduswert des Füllmetalls abkühlen. Wenn das Füllmetall erstarrt, sind die Teile miteinander verbunden.
Verzinnen und Galvanisieren sind bekannte Verfahren, bei denen Teile, die ein Metall aufweisen, mit einem Metallschutzüberzug überzogen werden, indem die Teile in ein Schmelzbad des Metalls getaucht werden, das den Schutzüberzug ergeben soll.
Löten, Verzinnen und Galvanisieren und ähnliche Verfahren, bei denen eine feste, Metall aufweisende Oberfläche mit einem flüssigen, Metall aufweisenden Überzug benetzt wird, erfordern, daß die Oberfläche und der Überzug sauber und frei von Verbindungen sind, die eine Benetzung während des Auftrags des Überzugs verhindern. Eine normale Handhabung der Metall aufweisenden Teile und des Metall aufweisenden Überzugs führt oft zu der Bildung von Verbindungen, die der Benetzung abträglich sind, wie z.B. Metalloxide. Außerdem verursacht häufig die Umgebung des Überzugauftragsverfahrens selbst die Bildung solcher Verbindungen. Andere Verbindungen, die typischerweise während der Bearbeitung gebildet werden, und die einer guten Benetzung schaden, sind Chloride, Sulfide, Carbonate und andere ionische, kovalente und organische Verbindungen.
Um eine gute Benetzung und somit eine gute Verbindung des Überzugs mit der Oberfläche zu erzielen, müssen solche Verbindungen zurück zu einem Metall reduziert werden, für die Bildung einer anderen Komponente, die der Benetzung nicht abträglich ist, reagiert werden, oder durch Techniken, wie z.B. Lösen oder mechanisches Reinigen entfernt werden.
US-A-4 538 757 von Bertiger offenbart ein Verfahren, wie es in dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist. Insbesondere wird dort ein Verfahren zum Wellenlöten in einer Atmosphäre offenbart, die ein gasförmiges Reduktionsmittel (Wasserstoff) aufweist, das für eine Flußmittelwirkung während der Wellenlötprozedur dient. Die praktische Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß Oxide des Metall aufweisenden Überzugs durch eine Reduktionsatmosphäre, insbesondere durch eine Wasserstoff enthaltende Atmosphäre, bei Temperaturen über etwa 360 ºC reduziert werden. Viele der Kunststoffe und Harze, die ein elektronisches Gerät aufweist, wie z.B. eine Leiterplatte schmelzen, verschlechtern sich oder verändern sich bezüglich ihrer beabsichtigten Abmessungen bei den Temperaturen, die für die Reduktion von Oxiden in einen metallischen Zustand nötig sind.
US-A-4 606 493 von Christoph et. al. offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Löten von plattenförmigen Schaltungsträgern, wobei erwärmtes Reduktionsgas (bei etwa 600 ºC) benutzt wird, um Oxide auf der Lötseite der Träger zu reduzieren. Das Hochtemperaturgas wird nur kurz zum Auftreffen auf die Lötseite des Trägers gebracht, so daß andere Materialien, die die Platte enthält, nicht durch das dem Hochtemperaturgas Ausgesetztsein beeinflußt werden. Es ist jedoch unpraktisch, einzelne Strahlen anzuwenden, um nur die Metall aufweisenden Oberflächen des Trägers zu erwärmen, und die den Metall aufweisenden Oberflächen benachbarten Bereiche werden die gleiche Temperatur wie die Metall aufweisende Oberfläche zeigen.
Die der Benetzung abträglichen Verbindungen können von der Metall aufweisenden Oberfläche oder von der Oberfläche eines Metall aufweisenden Überzugsbades unter Verwendung eines Flußmittels abreagiert oder gelöst und weggewaschen werden. Die Anwendung von Flußmittel ist das am meisten benutzte Verfahren, um eine benetzbare Oberfläche des Teils zum Zeitpunkt des Auftrags des Metall aufweisenden Überzugs zu erzielen. Flußmittel sind jedoch typischerweise korrosiv und Rückstände müssen von dem Teil nach der Beschichtung entfernt werden. Sollte außerdem die Menge des Flußmittels ungenügend sein, kann das Lot- oder Beschichtungsmaterial Tropfnasen auf dem Teil bilden, wenn das Teil aus dem Beschichtungsbad genommen wird; die Benetzungsdauer kann innerhalb des Verfahrens inadäquat sein, so daß eine schlechte Verbindung zwischen Teil und Überzug auftritt; und die Schlackenbildung während der Verarbeitung kann hoch sein, was zu starkem Wartungsbedarf führt.
JP-A-59-27771 offenbart ein Lötverfahren, bei der eine Stickstoffatmosphäre eingesetzt wird, die auf die Temperatur des schmelzflüssigen Lots mittels Wärmeaustausch mit dem Lotbad vorgewärmt wird. Das Löten wird durch die Anwendung von Ultraschallschwingungen bewirkt.
Ein weiteres Lötverfahren ohne Flußmittel ist in JP-A-78-95854 offenbart. Bei diesem Verfahren wird der zu beschichtende Gegenstand in Kontakt mit einem schmelzflüssigen Lotbad gebracht, auf das Ultraschallvibrationen angewendet werden. Es wird offenbart, daß die Ultraschallvibrationen Kavitation verursachen, die das oxidierte Metall auf dem Teil aufbricht, um eine aktive, lötfähige Oberfläche freizulegen. US-A-3 993 236 beschreibt ebenfalls ein flußmittelloses Lötverfahren, insbesondere für kapillare Verbindungen, bei dem das zu lötende Teil in ein Bad aus schmelzflüssigem Lot getaucht wird, das Lot zu Kavitation veranlaßt wird, z.B. indem, es Ultraschallenergie ausgesetzt wird, und gleichzeitig das Teil einer Vibrations- oder Schlagenergie ausgesetzt wird. Der Hauptnachteil von Ultraschallöten, ist das Potential für Schäden an der strukturellen Integrität des Teils, das der Ultraschallvibration ausgesetzt ist. Außerdem ist Ultraschallöten geometrisch abhängig. Die Kavitationswirkung kann manche Bereiche des Teils nicht erreichen, wie z.B. das Innere von kleinen, beschichteten Löchern von gedruckten Schaltungsplatinen.
Bei vielen Löt- oder Metallbeschichtungsoperationen, und speziell innerhalb der Elektronikindustrie gibt es einen Bedarf für ein Anwendungsverfahren, das nicht den Einsatz hoher Verarbeitungstemperaturen benötigt, die das Teil beschädigen können, das nicht den Einsatz eines Flußmittels erfordert, und das nicht mechanische Vibrationen oder Schläge erfordert, die die strukturelle Integrität des Teils beschädigen können.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Metall aufweisenden Überzuges auf mindestens einen Teil der Metall aufweisenden Oberflächen mindestens eines Teiles, bei dem:
(a) mindestens ein Teil vorgesehen wird, das mindestens eine im wesentlichen flußmittelfreie, Metall aufweisende Oberfläche hat, die mittels eines Metall aufweisenden Überzugsmaterials benetzbar ist oder die bei Kontakt mit einem Bad aus Metall aufweisendem Überzugsmaterial benetzbar wird;
(b) ein Bad vorgesehen wird, das ein Metall aufweisendes Überzugsmaterial enthält, das mindestens eine Verbindung bilden kann, die der Benetzung der Oberfläche abträglich ist, wobei mindestens ein Teil des Bades gegen die Bildung dieser mindestens einen Verbindung geschützt ist;
(c) die Metall aufweisende Oberfläche mit dem Bad an einer innerhalb des Bades liegenden Stelle in Kontakt gebracht wird, die gegen die Bildung der mindestens einen Verbindung geschützt ist; und
(d) man den Metall aufweisenden Überzug nach dem Aufbringen auf die Metall aufweisende Oberfläche unter seinen Soliduswert abkühlen läßt
dadurch gekennzeichnet, daß
(e) der besagte Teil des Bades gegen die Bildung der mindestens einen Verbindung geschützt wird, indem eine mit Bezug auf mindestens den Metall aufweisenden Überzug inerte Umgebung während der Zeitdauer der Aufbringung verwendet wird;
(f) die Stelle innerhalb des Bades, an welcher die Metall aufweisende Oberfläche mit dem Bad in Kontakt gebracht wird, im wesentlichen frei von Flußmittel ist;
(g) die Prozeßumgebungstemperatur nicht höher als die Temperatur des Bades ist.
Bei dem vorliegenden Verfahren des flußmittelfreien Lötens oder flußmittelfreien Beschichtens mit einem Metall aufweisenden Überzug wird das zu beschichtende Teil keiner Temperatur ausgesetzt, die das Teil oder Komponenten desselben schädigt. Das Teil wird mit einem Bad oder einer Welle in Kontakt gebracht, die das Überzugs- oder Lötmaterial aufweist. Das Überzugsmaterial kann Verbindungen bilden, die dem Benetzen während der Zeit abträglich sind, in der der Überzug auf die Oberfläche des Teils aufgebracht wird. Die Bildung der dem Benetzen abträglichen Verbindungen wird durch den Gebrauch einer inerten Umgebung verhindert, die in Kontakt mit dem Lot oder dem Metall aufweisenden Überzugsmaterial steht, wenn das Überzugsmaterial auf die Oberfläche des Teils aufgebracht wird.
Das zu lötende oder zu beschichtende Teil muß eine benetzbare Oberfläche haben, d.h. eine Oberfläche, die durch das Lot oder das Metall aufweisende Überzugsmaterial benetzt werden kann. Da die Oberfläche des Teils der Benetzung abträgliche Verbindungen bilden kann, wenn es der Prozeßumgebung ausgesetzt wird, ist die bevorzugte inerte Umgebung sowohl gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils als auch gegenüber dem Löt- oder Überzugsmaterial inert. Die inerte Umgebung kann auch gegenüber dem Bad aus Lot oder Überzugsmaterial inert sein.
Die Umgebung ist gegenüber dem Überzugsmaterial inert, falls kein kontinuierlicher Feststoff auf dem Metall aufweisenden Überzug während dessen Auftrag auf die Oberfläche des Teils gebildet wird.
Die Umgebung ist gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils inert, falls kein kontinuierlicher Feststoff auf der benetzbaren Oberfläche gebildet wird, während die benetzbare Oberfläche der Prozeßumgebung ausgesetzt wird.
Die Umgebung ist gegenüber dem Bad des Überzugsmaterials inert, falls kein kontinuierlicher Feststoff auf der Kontaktobertläche des Bades während der Zeit gebildet wird, während der das Bad in Benutzung ist, und die Temperatur, den Druck und das Badströmungsmuster des Verfahrens aufweist.
Die inerte Umgebung kann jedes Fluid aufweisen, das mit der obigen, anzuwendenden Definition übereinstimmt. Die inerte Umgebung kann auch ein wesentliches Vakuum oder ein Teilvakuum aufweisen, wobei das verbleibende Fluid mit der obigen, anzuwendenden Definition übereinstimmt.
Im allgemeinen können in der Elektronikindustrie inerte Atmosphären oder Umgebungen geschaffen werden, wobei Fluide wie z.B. Stickstoff, Argon, Wasserstoff und Mischungen derselben benutzt werden. Bestimmte Mengen oxidierender Gase verhalten sich inert, wenn sie in ausreichend geringen Konzentrationen vorliegen. Zum Beispiel sind Sauerstoff, CO&sub2; und H&sub2;O alle gegenüber Zinn-Blei-Loten bei 200 ºC - 300 ºC oxidierend. Falls sie in Konzentrationen von weniger als etwa 1%, 100% bzw. 100% nach Volumen vorliegen, werden sie jedoch keine kontinuierlichen Oxide weder auf der benetzbaren Oberfläche des Teils, noch auf dem Lot bilden, wenn es auf die benetzbare Oberfläche des Teils aufgebracht wird.
Wenn ein Teilvakuum für die inerte Atmosphäre sorgt und Sauerstoff anwesend ist, sollte der Partialdruck des Sauerstoffes geringer als etwa 1 kPa (0,01 Atmosphären) sein, wobei der bevorzugte Partialdruck geringer als etwa 0,1 kPa (0,001 Atmosphären) beträgt.
Es ist nicht nötig, eine Umgebung zu benutzen, die gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils inert ist, falls die benetzbare Oberfläche durch einen Überzug geschützt ist, der bei Kontakt mit dem Lot- oder dem Metall aufweisenden Uberzugsbad schmilzt, verdampft oder eine chemische Veränderung zu einer Flüssigkeit oder einem Dampf erfährt. Die benetzbare Oberfläche des Teils kann auch durch einen Überzug geschützt sein, der durch das Überzugsmaterial benetzbar ist, und der nach der Beschichtung auf der Oberfläche des Teils verbleiben kann, ohne den beabsichtigen Gebrauch des Teils zu beeinträchtigen. Der Schutzüberzug ist insofern kein Flußmittel, als er keine Verbindungen weder von der Oberfläche des Teils noch von der Oberfläche des Lot- oder Überzugsbades ablöst; er dient nur dazu, das Teil gegen die Bildung von jener Art von Verbindungen zu schützen, die eine Benetzung verhindern oder dieser erheblich abträglich sind. Der Schutzüberzug kann jedes Material sein, das die benetzbare Oberfläche gegen die Bildung der zuvor beschriebenen Verbindungen schützt, und das zuläßt daß das Teil die benetzbare Oberfläche freilegt, wenn es in das Metall aufweisende Überzugsmaterial getaucht wird. Der Schutzüberzug kann auch jedes Material sein, das durch den Metall aufweisenden Überzug benetzbar ist, und das auf dem Teil nach dem Auftrag des Metall aufweisenden Überzugs verbleiben kann, ohne den beabsichtigten Gebrauch des Teils zu beeinträchtigen.
Bei Lötvorgängen in der Elektronikindustrie können Schutzüberzüge geschaffen werden, wobei Materialien wie z.B. Zinn, Blei, Wismut, Indium, Kadmium und Legierungen derselben benutzt werden, die bei den Löttemperaturen schmelzen, und die jegliche Oberflächenverbindungen oder Verschmutzungen von der benetzbaren Oberfläche abwaschen. Beispiele anderer Materialien für Schutzüberzüge, die typischerweise keine dem Benetzen abträgliche Verbindungen bilden, schließen Gold, Silber, Platin und Palladium ein. Diese Materialien für Schutzüberzüge können in Abhängigkeit von der Auftragstemperatur des Metall aufweisenden Überzugs schmelzen oder sie können auf der Oberfläche des Teils verbleiben. Da Gold, Silber, Platin oder Palladium adäquate Leiter sind, können sie bei vielen Elektronikanwendungen nach dem Löten auf der Oberfläche des Teils verbleiben, ohne den beabsichtigen Gebrauch des Teils zu beeinträchtigen. Als Schutzüberzüge können organische Materialien benutzt werden, vorausgesetzt, sie schmelzen, verdampfen oder erfahren eine chemische Veränderung, um mindestens im wesentlichen eine Flüssigkeit oder einen Dampf zu bilden, wenn sie mit dem Metall aufweisenden Überzugsbad in Kontakt kommen. Als Schutzüberzüge können anorganische Materialien benutzt werden, vorausgesetzt, sie verdampfen, schmelzen oder erfahren eine chemische Veränderung, um einen Dampf, eine Flüssigkeit oder ein Material zu bilden, das in dem Metall aufweisenden Überzug löslich ist, wenn sie mit dem Bad in Kontakt kommen.
Das Teil selbst kann ein Material aufweisen, daß keine wesentlichen Mengen von Verbindungen während des Lagerns oder Verarbeitens bildet. Die Oberfläche des Teils bleibt dann während der Lagerung und Verarbeitung eine benetzbare Oberfläche.
Wenn die Metall aufweisende Oberfläche des Teils nicht durch einen Schutzüberzug beschichtet ist und nicht im wesentlichen inert gegenüber der Prozeßumgebung für die Dauer des Verfahrens ist, ist es nötig eine andere Prozeßumgebung auszuwählen, die sowohl gegenüber der Metall aufweisenden Oberfläche des Teils als auch gegenüber dem Metall aufweisenden Überzugsmaterial inert ist. Falls die Metall aufweisende Oberfläche des Teils nicht in einer sauberen, benetzbaren Form in das Verfahren eingebracht wird, muß es gereinigt werden, und der Metall aufweisende Überzug muß aufgebracht werden, bevor sich in nennenswertem Umfang Verbindungen bilden, die eine Benetzung verhindern, oder es muß gereinigt und in eine Umgebung eingebracht werden, die inert gegenüber den Metall aufweisenden Oberflächen des Teils ist, bevor es in Kontakt mit dem Bad des Überzugsmaterials kommt. Die Reinigung kann durch chemische oder mechanische Mittel erreicht werden, so daß die sich ergebenden Oberflächen des Teils bei Kontakt mit dem Bad des Metall aufweisenden Überzugsmaterials benetzbar sind. Dieses letztere Verfahren, bei dem das Teil gereinigt wird, unterscheidet sich von dem Löten mit einem Flußmittel insofern, als es keinen Überzug aus einem Flußmittel auf der Oberfläche des Teils gibt, wenn die Oberfläche mit dem Lotbad in Kontakt kommt.
Das Lot oder das Metall aufweisende Überzugsmaterial muß gegen die Bildung der Verbindungen geschützt werden, die der Benetzung während der Dauer des Überzugsauftrages auf die benetzbare Oberfläche abträglich sind oder diese verhindern. Ohne diesen Schutz treten Tropfnasen und Überbrückungen an der überzogenen Oberfläche des Teils auf. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird das Metall aufweisende Überzugsbad gegen die Bildung von den Verbindungen geschützt, die eine Benetzung in mindestens dem Bereich des Bades verhindert, der mit der benetzbaren Metall aufweisenden Oberfläche des Teils in Kontakt kommt. Es wird bevorzugt, daß die gesamte Oberfläche des Lot- oder Überzugsbades gegen die Bildung von der Benetzung abträglichen Verbindungen geschützt wird.
Bei Verfahren, bei denen es nicht möglich oder vernünftig ist, das gesamte Lot- oder Überzugsbad durch ein Fluid zu schützen, das gegenüber dem Metall aufweisenden Überzugsmaterial inert ist, kann Flußmittel auf der Oberfläche des Lot- oder Überzugsbades benutzt werden, solange es nicht in den Bereich des Bades kommt, der direkt mit der benetzbaren Oberfläche des Teils in Kontakt kommt. Das Flußmittel löst die unerwünschten Verbindungen oder reagiert mit diesen, so daß sie entfernt werden, und sich nicht mit der Zeit in dem Bad anlagern. Die Anwesenheit des Flußmittels auf der Oberfläche des Lot- oder Überzugsbades an einer Stelle außerhalb des Kontaktbereichs mit dem Teil hilft im allgemeinen bei der Entfernung der Verbindungen von dem Bad, wobei die Wahrscheinlichkeit, daß solche Verbindungen in den Kontaktbereich des Bades eindringen, vermindert wird.
Die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung offenbart ein Verfahren, das zum Löten oder zum Beschichten von Metall aufweisenden Teilen benutzt werden kann, wobei keine Notwendigkeit besteht, Temperaturen einzusetzen, die schädlich für die Metall aufweisenden Oberflächen des Teils sind, oder die schädlich für andere, den Metall aufweisenden Oberflächen des Teils benachbarten Materialien sind. Typischerweise besteht keine Notwendigkeit, Umgebungstemperaturen über der Temperatur des Lotbades oder des Metall aufweisenden Bades zu benutzen. Die am häufigsten benutzten Lote benötigen Badtemperaturen unter etwa 450 ºC und vorzugsweise unter etwa 300 ºC. Außerdem besteht keine Notwendigkeit, reduzierende Gase, Flußmittel oder Ultraschallvibration zu benutzen, um eine gute Verbindung des Lotes oder des Metall aufweisenden Überzugs mit dem Metall aufweisenden Teil zu erreichen.
Somit ist ein typisches Beispiel für das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wenn sie benutzt wird, um mindestens zwei Metall aufweisende Oberflächen zu verbinden, durch Anspruch 2 gegeben.
Es kann vorkommen, daß die Prozeßumgebung, die gegenüber dem Lot oder dem Metall aufweisenden Überzugsmaterial inert ist, nicht ausreichend inert gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils ist, um die Bildung von der Benetzung der Oberfläche des Teils abträglichen Verbindungen zu verhindern. In solch einem Fall, ist es notwendig, einen Schutzüberzug auf die benetzbare Oberfläche des Teils aufzubringen, wobei dieser Überzug falls nötig zum Zeitpunkt des Kontaktes mit dem Lotbad oder dem Metall aufweisenden Bad entfernt wird, oder eine andere Umgebung zu wählen, die sowohl zu der benetzbaren Oberfläche des Teils als auch zu dem Lot oder dem Metall aufweisenden Überzugsmaterial inert ist.
Es folgt ein weiteres Beispiel für das Verfahren der vorliegenden Erfindung:
Ein Verfahren zum Aufbringen eines Metall aufweisenden Überzuges auf mindestens einen Teil der Metall aufweisenden Oberflächen eines Teils ist gegeben durch Anspruch 1.
Es kann vorkommen, daß die Prozeßumgebung, die gegenüber dem Metall aufweisenden Überzug während der Dauer seines Auftrags inert ist, nicht ausreichend inert gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils ist, um die Bildung von der Benetzung der Oberfläche des Teils abträglichen Verbindungen zu verhindern. In solchen Fällen wird es nötig sein, einen Schutzüberzug auf die benetzbare Oberfläche des Teils aufzubringen, oder eine andere Umgebung zu wählen, die sowchl inert gegenüber der benetzbaren Oberfläche des Teils als auch gegenüber dem Metall aufweisenden Überzug ist.

Definitionen

Benetzbare Oberfläche bezeichnet wie in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt, eine Oberfläche, die durch das Lot oder das Metall aufweisende Überzugsmaterial benetzt werden kann.
Metall aufweisende Oberfläche des Teils bezeichnet wie in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt, eine Oberfläche, die ein Metall, eine Metallegierung oder ein Gemisch von Metallen aufweist.
Metall aufweisendes Bad bezeichnet wie in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt, ein Fluid bei Prozeßbedingungen, das ein Metall, eine Metallegierung oder ein Gemisch von Metallen aufweist.
Inerte Umgebung, wie in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt, ist in der Zusammenfassung der Erfindung definiert mit Bezug auf das Lot oder das Metall aufweisende Überzugsmaterial während der Dauer seines Auftrags, mit Bezug auf die benetzbare Oberfläche des Teils und mit Bezug auf das Lot- oder Überzugsmaterialbad.
Schutzüberzug bezeichnet wie in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzt, jeden Überzug, der eine Flüssigkeit ist, oder der bei Kontakt mit dem Metall aufweisenden Bad schmilzt, verdampft oder eine chemische Veränderung zu einer Flüssigkeit oder einem Dampf erfährt. Schutzüberzug bezeichnet auch jeden Überzug, der durch den Metall aufweisenden Überzug benetzbar ist, und der auf dem Teil nach dem Aufbringen des Metall aufweisenden Überzugs verbleiben kann, ohne den beabsichügten Endgebrauch des Teils zu beeinträchtigen.
Flußmittel bezeichnet wie in der Beschreibung benutzt, ein Material, das bei der Temperatur des Metall aufweisenden Bades eine Flüssigkeit ist, wobei das Material der Benetzung abträgliche Verbindungen löst, oder wobei das Material chemisch mit Verbindungen reagiert, die der Benetzung abträglich sind oder diese verhindern, so daß solche Verbindungen eine Flüssigkeit oder ein Gas bei der Temperatur des Metall aufweisenden Bades werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Schema für vertikales Verzinnen der Anschlüsse eines elektronischen Bauteils unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Schema für das Verlöten von Schaltungsplatinen am Förderband unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erflndung.

Beschreibung der bevorzutgen Ausführungsformen

Beispiel 1

In der Elektronikindustrie ist es oft erwünscht, die Anschlüsse von Bauteilen vor dem Einbau in den endgültigen Schaltkreis mit Lot zu überziehen. Die Anschlüsse können mit Lot überzogen werden, um die Anschlußoberflächen gegen Oxidation während einer Langzeitlagerung zu schützen. Frisches Lot kann auf die Oberfläche der Anschlüsse aufgebracht werden, genau bevor die Anschlüsse in ein gewünschtes elektronisches Bauteil oder eine Anordnung gelötet werden. Der Lotüberzug auf den Anschiüssen wird bei dem nachfolgenden Löten schmelzen und zerfließen, wodurch jegliche der Benetzung abträgliche Verbindungen weggewaschen werden, die sich möglcherweise auf den mit Lot überzogenen Anschlüssen gebildet haben. Infolgedessen gibt es weniger ungelötete Anschlüsse nach dem Endmontagelöten. Der Lotüberzug wird typischerweise aufgebracht, indem die Anschlüsse in ein Flußmittel getaucht werden, dann die mit Flußmittel behandelten Anschlüsse in das Lot getaucht werden, und nachfolgend das Flußmittel und Rückstände von der Baugruppe entfernt, z.B. abgewaschen werden.
Um das Aufbringen von Lot auf die Anschlüsse ohne den Bedarf der Verwendung eines Flußmittels zu ermöglichen, wurde Stickstoff benutzt, um eine Umgebung zu schaffen, die sowohl gegenüber den Anschlüssen als auch gegenüber dem Lot inert ist. Die Stickstoffumgebung umschloß während der Zeit, in der das Lot aufgebracht wurde, sowohl die Anschlüsse als auch das Lotbad. In Fig. 1 ist ein Schema dargelegt, das das Verfahren zeigt. Das Lotbad 2 wurde von einer Stickstoffumgebung 4 umgeben. Das Lot 6 enthielt etwa 60 Gew.% Zinn und etwa 40 Gew.% Blei. Die Temperatur des Lotes 6 betrug etwa 250 ºC. Die Temperatur der Stickstoffumgebung 4, die das Bad 2 umgab, war gleich der Raumtemperatur von etwa 25 ºC. Das Lot 6 wurde innerhalb des Bades 2 umgewälzt, indem es durch ein Rohr 8 gepumpt wurde, so daß es das obere Ende des Rohrs 8 überflutete, und eine fontänenförmige Welle 10 in der Mitte des Bades 2 bildete. Die zu lötenden Anschlüsse 12 wurden in die fontänenförmige Welle 10 in der Mitte des Bades getaucht. Die Konzentration des Sauerstoffs, die über der Lotwelle 10 gemessen wurde, war geringer als etwa 10 ppm.
Ein Flußmittel 16 wurde auf die Ränder des Bades 2 aufgebracht, um die Entfernung von Oxiden 14 zu unterstützen, die bei dem Anfahren des Bades in dem Lotbad vorhanden waren. Die Oberflächenspannung der üblicherweise verwendeten Flußmittel ist derart, daß das um den Rand des Bades angeordnete Flußmittel dazu neigt, dort zu bleiben. Der Gebrauch des Flußmittels 16 um den Rand des Bades 2 hängt von der speziellen Anwendung ab.
Es wurde herausgefunden, daß Zinn-Blei-Lot auf Bauteilanschlüsse aufgebracht werden konnte, die zahlreiche verschiedene Materialien aufwiesen, ohne ein Flußmittel in Kontakt mit der Anschlußoberfläche zu benutzen, und dennoch vollständig überzogene Anschlüsse mit einem glatten Überzug und ohne Tropfnasen oder Überbrückungen zwischen den Anschlüssen zu erhalten.
Das Lot wurde auf Anschlüsse aufgebracht, die durch einen Schutzüberzug gegen die Bildung von der Benetzung abträglichen Verbindungen geschützt waren. Kupferanschlüsse, die mit einem galvanisierten Zinn-Blei-Überzug geschützt waren, wobei die überzogenen Anschlüsse 4 Jahre lang in einer Braunholzpapiertüte gelagert worden waren, wurden unter Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung leicht mit Lot überzogen. Außerdem wurde Lot auf goldbeschichtete, nickel-enthaltende Anschlüsse aufgebracht.
Es wurde auch herausgefunden, daß Lot auf Anschlüsse aufgebracht werden konnte, die vor der Verarbeitung nicht mit einem Schutzüberzug überzogen waren, und bei denen sich Oxide an den Oberflächen der Anschlüsse gebildet hatten, vorausgesetzt, diese Anschlüsse wurden chemisch gereinigt, um vor einem Kontakt mit dem Lotbad eine benetzbare Oberfläche zu schaffen. Kupferanschlüsse mit Oxiden auf den Oberflächen derselben wurden in 0,1M HCL in einer Luftumgebung bei Raumtemperatur (etwa 25 ºC) geätzt, abgespült und in der Luftumgebung getrocknet, und sie wurden innerhalb einer Zeitspanne von weniger als etwa 5 Minuten nachfolgend auf das Trocknen in die Lotwelle 10 getaucht. Während der Zeitdauer von weniger als 5 Minuten gab es keine wesentliche Bildung von der Benetzung abträglichen Verbindungen auf den Oberflächen der Kupferanschlüsse in Luft bei Raumtemperatur. Anschlüsse der Legierung 42, einer Nickel haltigen Legierung, wurden in 0,1M HCL in einer Luftumgebung bei Raumtemperatur geätzt, abgespült und in Luft getrocknet, und dann wurden sie innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 5 Minuten nachfolgend auf das Trocknen in die Lotwelle getaucht.
Bei allen der obigen Fälle bedeckte das Lot vollständig die Anschlüsse mit einem glatten Überzug und ohne die Bildung von Tropfnasen und/oder Überbrückungen zwischen den Anschlüssen. Ohne den Einsatz der Stickstoffumgebung 4 über der Oberfläche des Bades 2 traten Tropfnasen und Überbrückungen aus dem Überzugsmaterial auf den überzogenen Anschlüssen auf. Wenn die Anschlüsse mit einem Schutzüberzug überzogen sind oder sie keine schädigenden Verbindungen bilden, während sie dem Verfahren vor dem Überziehen ausgesetzt sind, wäre es möglich, falls erwünscht, nur den Bereich des Lotbades inert zu machen, in dem der Kontakt mit der Oberfläche des Teils stattfindet, d.h. den Bereich, der die fontänenförmige Welle 10 umgibt, in der das Aufbringen des Lotes auf die Anschlüsse eintritt. Falls dies gemacht werden würde, würde sich Oxid 14 auf den Oberflächenbereichen des Bades bilden, die nicht durch die inerte Atmosphäre geschützt sind, und es wäre stärker erforderlich, Flußmittel 16 zu benutzen, um Oxide 14 zu entfernen, die sich fortlaufend während der Lötoperation bilden würden.

Beispiel 2

Wellenlöten ist ein verbreitetes Verfahren, um Lötverbindungen zwischen Bauteilen und Leiterbahnen auf einer Schaltungsplatine herzustellen. Die Anschlüsse der Bauteile werden in mit Metall beschichtete Löcher in der Schaltungsplatine eingeführt, oder die Bauteile werden auf den Boden der Schaltungsplatine geklebt, wobei deren Anschlüsse die Metallflächen berühren, auf die sie gelötet werden sollen. Die Platinen und die Bauteile werden normalerweise mit einem Flußmittel überzogen, auf etwa 100 ºC vorgewärmt, und dann über die Oberfläche einer gepumpten Lotwelle geführt. Das Lot benetzt die Anschlüsse und die metallisierten Bereiche der Platine, und es werden Verbindungen zwischen den Anschlüssen und den Leiterbahnen der Schaltungsplatine hergestellt. Nachdem die Platine die Lotwelle verläßt, werden das Flußmittel und Rückstände abgewaschen.
Bauteile wurden ohne den Einsatz eines Flußmittels erfolgreich auf Schaltungsplatinen gelötet, indem der Prozeßbereich, der das Bad, das die Lotwelle aufweist, umgibt, mit einer Stickstoffatmosphäre inert gemacht wurde. Fig. 2 zeigt ein Schema des benutzten Verfahrens. Ein Lotbad 22 wurde von einer Stickstoffatmosphäre 24 umgeben. Das Lot 26 in Bad 22 wurde gepumpt, um eine Welle 28 in Richtung auf den vorderen Teil des Bades 22 zu bilden. Das Lot 26 wies etwa 60 Gew.% Zinn, etwa 38 Gew.% Blei und etwa 2 Gew.% Antimon auf. Die Temperatur des Lotes 26 betrug etwa 250 ºC. Die Temperatur der Stickstoffatmosphäre 24 war gleich der Raumtemperatur von etwa 25 ºC. Eine Schaltungsplatine 30 wurde durch die Welle 28 nahe dem oberen Ende der Welle in Kontaktbereich 32 geführt. Bauteilanschlüsse 34 in Kontakt mit metallisierten Bereichen der Schaltungsplatine 30 wurden erfolgreich mit den metallisierten Bereichen, mit denen sie in Kontakt standen, verlötet. Die Temperatur der Schaltungsplatine 30 betrug etwa 30 ºC zu dem Zeitpunkt zu dem sie in Kontakt mit dem Lot 26 an der Kontaktstelle 32 trat.
Es wurden Schaltungsplatinen mit metallisierten Stellen, an die Bauteilanschlüsse gelötet werden sollten, besorgt, bei denen bereits eine Zinn-Blei-Legierung auf die metallisierten Stellen auf den Platinen aufgebracht war. Verschiedene Arten von Bauteilanschlüssen wurden auf die zinn-blei-beschichteten Schaltungsplatinen gelötet. Alle der Bauteilanschlüsse, die auf die Schaltungsplatinen gelötet waren, wurden mit einem Schutzüberzug überzogen, bevor sie mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verlötet wurden. In manchen Fällen wurden Bauteilanschlüsse aus Kupfer zinn-blei-beschichtet, so daß bei dem Verlöten der Benetzung abträgliche Verbindungen, die sich auf der Oberfläche des Beschichtungsmaterials gebildet hatten, weggewaschen wurden, wenn das Beschichtungsmaterial schmolz, wobei die Kupferoberfläche des Bauteilanschlusses oder eine saubere Zinn-Blei-Oberfläche freigelegt wurde, wodurch die Bauteilanschlüsse im allgemeinen benetzbar gemacht wurden. In anderen Fällen wurden Bauteilanschlüsse aus Kupfer mit Gold oder Silber beschichtet, das keine der Benetzbarkeit der Anschlußoberflächen abträgliche Verbindungen bildete, und das nach dem Verlöten auf den Oberflächen der Anschlüsse verbleiben konnte. Zwischen allen Anschlüssen und der zugehörigen Leiterbahn der Schaltungsplatine wurden gute Lötverbindungen hergestellt. Wenn die Bauteilanschlüsse in die zinn-blei-beschichteten, metallisierten Löcher innerhalb der Schaltungsplatinen eingeführt wurden, benetzte jedoch das Lötmittel nicht immer vollständig die Löcher, in denen die Anschlüsse waren. Eine vollständige Benetzung durch die Löcher wurde durch mechanische Anregung der Schaltungsplatine 30 erreicht, als sie die Kontaktstelle 32 der Lotwelle 28 durchlief. Eine vollständige Benetzung durch die Löcher wurde auch erreicht, wenn die Schaltungsplatinen und die Bauteilanschlüsse mit Eisessig in einer Luftumgebung bei Raumtemperatur geätzt, abgespült und in Luft bei Raumtemperatur getrocknet wurden, und sie mit dem Lotbad innerhalb einer Zeitspanne von weniger als etwa 2 Minuten nach dem Trocknen in Kontakt gebracht wurden.
Um das Konzept der Verwendung eines entfernbaren Schutzüberzuges zu demonstrieren, der durch das Lot bei Kontakt mit dem Lotbad in Verbindung mit einer inerten Umgebung entfernt wird, wurden die Schaltungsplatinen mit einem Silikonschmiermittel besprüht, das normalerweise Schaltungsplatinen unlötbar macht. Die Platinen wurden dann unter Verwendung des oben beschriebenen Wellenlötverfahrens gelötet. Das Silikonschmiermittel, das in der Lotwelle eine Flüssigkeit ist, wurde von den metallisierten Lötstellen der Schaltungsplatine bei Kontakt mit der Lotwelle weggewaschen, und es wurden gute Lötverbindungen zwischen den zinn-blei-beschichteten Bauteilanschlüssen und den zinn-bleibeschichteten Lötstellen der Schaltungsplatine hergestellt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung schafft ein verläßliches und wirtschaftliches Verfahren für die Sicherstellung einer guten Haftung zwischen einem Metall aufweisenden Überzug und Metall aufweisenden Teilen. Die Anwendung des Verfahrens eliminiert die mit dem Gebrauch eines Flußmittels verbundenen Wartungs- und Reinigungsprobleme. Es zeigte sich, daß die Anwendung des Verfahrens die Bildung von Tropfnasen verhindert. Tropfnasen werden aufgrund von kontinuierlichen Oxiden, die auf der Überzugsoberfläche vorhanden sind, gebildet, wenn die Metall aufweisenden Teile aus dem Überzugsbad entfernt werden. Es zeigte sich auch, daß die Anwendung des Verfahrens die Benetzungsraten der Metall aufweisenden Oberflächen erhöht, wodurch eine generelle Verbesserung gegenüber zuvor bekannten Löt- oder Überzugsverfahren geschaffen wird. Die Möglichkeit, all das obige bei Temperaturen zu erreichen, die nicht schädlich für die zu beschichtenden oder zu verlötenden Teile sind, wobei keine Ultraschallvibrationen angewendet werden, die die strukturelle Integrität der Teile beschädigen können, ist von wesentlichem Vorteil, insbesondere für die Elektronikindustrie bei der Herstellung von Schaltungsplatinen und Halbleiterbauteilen.
Die obigen Beispiele zeigen die besten in Betracht gezogenen Modi und bevorzugte Ausführungsformen für typische Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Diese Erfindung hat jedoch einen weiten Anwendbarkeitsbereich, und sie ist geeignet für Modifikationen und alternative Gestaltungen, die auf den offenbarten Ausführungsformen basieren.

Claims

1.Verfahren zum Aufbringen eines Metall aufweisenden Überzuges auf mindestens einen Teil der Metall aufiveisenden Oberflächen mindestens eines Teiles (12, 30, 34), bei dem:

(a) mindestens ein Teil (12, 30, 34) vorgesehen wird, das mindestens eine im wesentlichen flußmittelfreie, Metall aufweisende Oberfläche hat, die mittels eines Metall aufweisenden Überzugsmaterials (6, 26) benetzbar ist oder die bei Kontakt mit einem Bad (2, 22) aus Metall aufweisendem Überzugsmaterial (6, 26) benetzbar wird;

(b) ein Bad (2, 22) vorgesehen wird, das ein Metall aufweisendes Überzugsmaterial (6, 26) enthält, das mindestens eine Verbindung (14) bilden kann, die der Benetzung der Oberfläche abträglich ist, wobei mindestens ein Teil des Bades gegen die Bildung dieser mindestens einen Verbindung geschützt ist;

(c) die Metall aufweisende Oberfläche mit dem Bad (2, 22) an einer innerhalb des Bades liegenden Stelle in Kontakt gebracht wird, die gegen die Bildung der mindestens einen Verbindung (14) geschützt ist; und

(d) man den Metall aufweisenden Überzug nach dem Aufbringen auf die Metall aufweisende Oberfläche unter seinen Soliduswert abkühlen läßt;

dadurch gekennzeichnet, daß

(e) der besagte Teil des Bades (2, 22) gegen die Bildung der mindestens einen Verbindung (14) geschützt wird, indem eine mit Bezug auf mindestens den Metall aufweisenden Überzug inerte Umgebung (4, 24) während der Zeitdauer der Aufbringung verwendet wird;

(f) die Stelle innerhalb des Bades (2, 22), an welcher die Metall aufweisende Oberfläche mit dem Bad in Kontakt gebracht wird, im wesentlichen frei von Flußmittel ist;

(g) die Prozeßumgebungstemperatur nicht höher als die Temperatur des Bades (2, 22) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei Metall aufweisende Oberflächen, die miteinander zu verbinden sind, mit dem Bad (22) in Kontakt gebracht werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metall aufweisende Oberfläche keine für eine Benetzung abträgliche Verbindungen (14) bildet, wenn sie der Prozeßumgebung (4, 24) ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Metall aufweisende Oberfläche mit einem Schutzüberzug beschichtet wird, der beim Kontakt mit dem Bad (2, 22) beseitigt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Überzug aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Metall aufweisenden Überzügen, die bei Kontakt mit dem Bad (2, 22) schmelzen; Metall aufweisenden Überzügen, die sich in dem Bad bei der Badtemperatur auflösen; anorganischen Überzügen, die bei Kontakt mit dem Bad schmelzen, verdampfen oder eine chemische Änderung zu einer Flüssigkeit, einem Dampf oder einem Material erfahren, das in dem Metall aufweisenden Überzug löslich ist; und organischen Überzügen, die bei Kontakt mit dem Bad schmelzen, verdampfen oder eine chemische Änderung erfahren, bei der sie mindestens im wesentlichen einen Dampf oder eine Flüssigkeit bilden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die benetzbare Oberfläche durch chemisches oder mechanisches Reinigen erzeugt wird, das in so kurzem Abstand von der Zeit des Kontakts mit dem Bad (2, 22) erfolgt, daß die benetzbare Oberfläche zur Zeit des Kontakts mit dem Bad im wesentlichen frei von Verbindungen (14) bleibt, die der Benetzung abträglich sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die benetzbare Oberfläche durch chemisches oder mechanisches Reinigen erzeugt wird, wonach die benetzbare Oberfläche in einer ausreichend inerten Umgebung (4, 24) bis zum Inkontaktbringen mit dem Bad (2, 22) gehalten wird, so daß die benetzbare Oberfläche zum Zeitpunkt des Inkontaktbringens mit dem Bad im wesentlichen frei von Verbindungen (14) bleibt, die der Benetzung abträglich sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die inerte Umgebung (4, 24) sowohl mit Bezug auf die benetzbare Oberfläche als auch mit Bezug auf das Metall aufweisende Überzugsmaterial (6, 26) inert ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die inerte Umgebung (4, 24) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Stickstoff, Argon, Wasserstoff, Gemischen derselben, im wesentlichen Vakuum und Teilvakuen besteht, bei denen Stickstoff, Argon, Wasserstoff oder Gemische derselben vorliegen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die inerte Umgebung (4, 24) ein Oxidationsmittel aufweist, bei dem die Konzentration dieses Oxidationsmittels jedoch so ist, daß unter Prozeßbedingungen im wesentlichen keine Bildung von Verbindungen (14) erfolgt, die der Benetzung mit Bezug auf mindestens das Metall aufweisende Überzugsmaterial (6, 26) während des Aufbringens auf jede Metall aufweisende Oberfläche abträglich sind.

11. Verfahren nach Ansprnch 10, bei dem die inerte Umgebung (4, 24) aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Umgebungen, die Sauerstoff bei Konzentrationen von weniger als etwa 1 Volumenprozent, Kohlendioxid bei Konzentrationen von weniger als 100 Volumenprozent und Wasser bei Konzentrationen von weniger als 100 Volumenprozent enthalten, Teilvakuen, bei denen Sauerstoff bei einem Partialdruck von weniger als etwa 1 kPa (0,01 Atmosphären) vorliegt, Teilvakuen, bei denen Kohlendioxid vorliegt, Teilvakuen, bei denen Wasser vorliegt, und Gemischen derselben.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur der inerten Umgebung niedriger als etwa 450ºC ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Flußmittel (16) dem Bad (2) an einer Stelle zugeführt wird, die nicht innerhalb des Kontaktbereichs (10) des Bades liegt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Überzugsmaterial (6, 26) oder die Oberflächen bei Frequenzen in Schwingungen versetzt werden, die kleiner als 20.000 Hertz (Perioden pro Sekunde) sind.