DE69004107T2

DE69004107T2 - Flussmittelzusammensetzung.

Info

Publication number: DE69004107T2
Application number: DE69004107T
Authority: DE
Inventors: Malcolm Richard Oddy; Alison Mary Wagland
Original assignee: Cookson Group PLC
Current assignee: Vesuvius Holdings Ltd
Priority date: 1989-01-09
Filing date: 1990-01-09
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2010-01-10
Also published as: CA2007294A1; DE69004107D1; ATE96356T1; EP0379290B1; US5041169A; GB8900381D0; EP0379290A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Flußmittelzusammensetzung zur Verwendung beim Weichlöten.
Weichlöten wird in vielen Industriebereichen verwendet, jedoch insbesondere in der Elektronikindustrie, wo es zum Löten von gedruckten Schaltungsplatten eingesetzt wird. Bei diesen und allen übrigen Anwendungen muß das Lötzinn in der Lage sein, das Substrat zu benetzen, wenn die Lötstelle eine gute Verbindung herstellen soll. Deswegen wird ein Flußmittel verwendet, um die Netzfähigkeit gegenüber dem Substrat zu verbessern. Eine der Eigenschaften, die das Flußmittel aufweisen sollte, ist die Fähigkeit, den Oberflächenoxidfilm von dem Substrat zu entfernen und somit sind die Bestandteile eines Flußmittels häufig sowohl aktiv als auch korrodierend.
Für die Elektronikindustrie ist es jedoch zweckmäßig, Flußmittel mit einer recht niedrigen Aktivität zu verwenden, die nichtkorrodierend sind, in der Weise, daß es auch über eine lange Zeit nicht zu einer Korrosion der Lötstelle kommt, wenn sie feucht wird. Korrosion wird häufig durch korrosive Flußmittelreste verursacht, die auf dem Substrat zurückbleiben. Deswegen sollten alle zurückbleibenden Reste nichtkorrosiv sein und außerdem sollten sowenig Rückstände wie möglich zurückbleiben.
Flußmittel zur Verwendung im Zusammenhang mit gedruckten Schaltungsplatten wurden unter Verwendung natürlichem Kollophonium als Grundbestandteil für gewöhnlich zusammen mit anderen Inhaltsstoffen, wie flußmittelaktivierenden Wirkstoffen, formuliert. Diese Flußmittel wurden entweder in Gestalt eines mit einer entsprechenden Seele versehenen Drahtes oder als Lösung gehandelt, bei denen das Karz und andere feste Bestandteile in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst sind. Jedoch neigen solche Kolophoniumflußmittel dazu, nennenswerte Restmengen zu hinterlassen, die, obwohl im allgemeinen nichtkorrosiv, doch unerwünscht sind. Die Reste können unansehnlich sein und allein schon ihr Vorhandensein auf einer gedruckten Schaltungsplatte kann Schwierigkeiten hervorrufen. Wenn beispielsweise automatische Einrichtungen zum Testen der Schaltung verwendet werden, können Flußmittelreste die Kontaktspitzen verkleben. Einige Reste können dadurch entfernt werden, daß die gedruckte Schaltungsplatte mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) gewaschen wird, jedoch erfordert dies einen weiteren Bearbeitungsschritt, womit sich die Kosten erhöhen und außerdem sind die FCKWs als für die Umwelt schädlich bekannt.
Flüssige Flußmittel, die die aktiven Bestandteile in einem Lösungsmittel enthalten, werden bei der Verwendung im Zusammenhang mit gedruckten Schaltungsplatten bevorzugt, weil sie leichter anzuwenden sind, beispielsweise durch Eintauchen, Einschäumen oder Einsprühen.
Es ist deswegen zweckmäßig, ein flüssiges Flußmittelsystem zu schaffen, das einen geringen Festkörperanteil hat und das nach Beendigung des Lötprozesses wenig Reste hinterläßt.
Die GB-1 550 648 zielt darauf ab, unerwünschte Rauchentwicklung zu vermindern, die bei traditionellen Flußmittel, die Kolophonium enthalten, auftraten. Sie beschreibt Flußmittelzusammensetzungen, die als wesentlichen Bestandteil wenigstens einen neutralen Ester eines mehrere Hydroxylgruppen aufweisenden Alkohols mit einem Molekulargewicht von wenigstens 300 und wenigstens einen zusätzlichen Bestandteil enthält, der aus den Stoffen, wie organische Säuren, flußmittelaktivierenden Wirkstoffen und Wirkstoffen zum Härten des Flußmittelrestes ausgewählt ist. In vielen der Beispiele wird eine dimerisierte oder andere Kolophoniumverbindung als Wirkstoff zum Härten des Flußmittelrestes verwendet, womit diese Zusammensetzungen immer noch nennenswerte Reste hinterlassen.
Außerdem kann die Brauchbarkeit eines Flußmittels stark von den Umständen beim Gebrauch und der Art des Auftrags abhängen. In einigen Fällen arbeiten Flußmittelsysteme gut mit einer Printplattenoberfläche, jedoch unbefriedigend mit einer anderen. Ein möglicher Grund hierfür ist, daß das Flußmittelsystem mit sovielen unterschiedlichen Teilen zusammenwirken muß. Es wirkt nicht nur mit der Oberfläche der gedruckten Schaltungsplatte, sondern auch mit Lackschichten, Anschlußdrähten von Bauteilen und Bauteilen sowie auch mit metallischen Oberflächen von Leitern, Leiterbahnen, kontaktierten öffnungen und Anschlußflächen zusammen. Somit ist es nicht überraschend, daß die Wirksamkeit dem Flußmittel stark von der speziellen Natur der zu lötenden
Umgebung und des verwendeten Materiais abhängt. Es bleibt ein Bedarf nach weiteren und verbesserten Flußmitteln, die zu entwickeln sind.
Wir haben nun eine Zusammensetzung entwickelt, die als flüssiges Weichlotflußmittel geeignet ist und die den Vorteil mit sich bringt, eine sehr geringe Menge an Rückständen zu produzieren.
Gemäß der Erfindung wird eine Flußmittelzusammensetzung geschaffen, die wenigstens ein Benzoat oder ein substituiertes Benzoat von Phenol oder einem substituierten Phenol,ein Lösungsmittel für das Benzoat sowie einen flußaktivierenden Wirkstoff aufweist, wobei das Benzoat in einer Menge von nicht mehr als der Grenze seiner Lösbarkeit in dem Lösungsmittel vorhanden ist.
Die Zusammensetzung enthält wenigstens ein Benzoat oder ein substituiertes Benzoat von Phenol oder ein substituiertes Phenol. Die Substituenten, die in dem Phenylring des substituierten Benzoates und/oder des substituierten Phenols vorhanden sein können, umfassen Arylgruppen, aliphatische Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenwasserstoffen, die Sauerstoff enthalten können, beispielsweise Alkyl, Alkenyl, Alkoxygruppen sowie Carbonyl enthaltende Gruppen einschließlich Ketonen, Amiden und Aldehyden. Aminsubstituenten wie N(CH&sub3;)&sub2; können verwendet werden, werden jedoch im wesentlichen nicht bevorzugt, da sie init einigen Substratoberflächen, die gelötet werden sollen, wechselwirken können. Halogensubstituenten werden üblicherweise wegen der möglichen Toxizität der sie enthaltenden organischen Verbindungen nicht enthalten sein.
Die am meisten bevorzugten Benzoate sind solche, die als Substituenten eine oder mehrere niedrige Alkylgruppen, speziell Methyl oder Ethyl, aufweisen. Beispiele für besonders bevorzugte Benzoate, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind Phenylbenzoat, Metacresylbenzoat, Orthocresylbenzoat, Paracresylbenzoat, 2,6-Dimethylphenylbenzoat und 3-Ethylphenyl-4-Methoxybenzoat.
Weitere Beispiele für Benzoate, die erfindungsgemäß verwendbar sind, umfassen 4-tOctylphenylbenzoat, 3-Ethylphenylbenzoat, 2-Allylphenylbenzoat, 4- Octylphenyl-4- Methylbenzoat, 2,6-Dimethylphenyl-4-Methoxybenzoat und 4-t-Octylphenyl-4-Methoxybenzoat.
Benzoatverbindungen können gemäß dem üblichen Schotten- Baumann-Verfahren hergestellt werden.
Ein allgemeines Verfahren für feste Benzoatverbindungen ist nachstehend angegeben:
Zu einer Lösung von Phenol oder substituiertem Phenol (1 Äquivalent) in 10%-iger wässriger Natriumhydroxidlösung wird Benzoylchlorid oder ein substituiertes Benzoylchlorid (1,2 Äquivalente) hinzugefügt. Die Flasche wird verschlossen und 15 bis 20 Minuten heftig geschüttelt. Das feste Produkt wird durch Filtrieren entfernt, mit Wasser gewaschen und getrocknet.
Bei flüssigen Benzoatverbindungen, bei denen das Produkt nicht durch Filtrieren abgetrennt werden kann, wird das nachstehende Verfahren verwendet. Zu einer Lösung des Phenols oder des substituierten phenols (1 Äquivalent) in 10%-iger wässriger Natriumhydroxidlösung wird Benzoylchlorid (1,2 Äquivalente) hinzugegeben. Die Mischung wird verschlossen und 15 bis 20 Minuten lang heftig geschüttelt, bis der Geruch des Benzylchlorids verschwunden ist. Die ölige Mischung wird dann mit Chloroform (3 Mal) extrahiert und die verbundenen organischen Schichten werden mit destilliertem Wasser gewaschen, getrocknet (MgSO&sub4;) und unter vermindertem Druck konzentriert, um das flüssige Benzoat zu erhalten.
Das Benzoat wird in einem geeigneten organischen Lösungsmittel oder einer Mischung von Lösungsmitteln gelöst. Beispiele für solche Lösungsmittel, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind Isopropanol, Methanol, Ethanol, Butanoldiethylenglykol, Ethylengloykel, Aceton, Methylethylketon und andere Glykolether- oder Ketonlösungsmittel. Isopropanol ist als Lösungsmittel besonders bevorzugt.
Das Benzoat wird in der Zusammensetzung üblicherweise in einer Menge von wenigstens 0,5% Gewichtsteile/vol vorhanden sein, um ein hinreichend wirksames Flußmittel zu ergeben. Vorzugsweise wird es in einer Menge von etwa 1% Gewichtsanteil /vol vorhanden sein. Das Benzoat kann in der Zusammensetzung in einer Menge bis zu seiner Lösungsmittelgrenze in dem Lösungsmittel vorliegen. Es ist jedoch im allgemeinen zweckmäßig, die Menge an Benzoat und anderen aktiven Bestandteilen so niedrig wie möglich zu halten, während andererseits nach wie vor ein aktives Flußmittel erzeugt wird, um die Menge von Rückständen, die gegebenenfalls erzeugt werden, zu begrenzen.
Der Zweck des Lösungsmittels ist es, ein leichtes Auftragen der Flußmittelbestandteile auf die Oberfläche, die zu löten ist, zu ermöglichen. Das Lösungsmittel soll nicht mit dem Substrat reagieren.
Das Lösungsmittel ist verhältnismäßig flüchtig, so daß es entweder durch spontanes Verdampfen oder durch Anwendung mäßiger Wärme entfernt werden kann. Wenn das Flußmittel beim Wellenlöten einer gedruckten Schaltungsplatte verwendet wird, wird im allgemeinen ein Teil des Lösungsmittels infolge der Wärme der Vorheizeinrichtung entfernt. Bei Verwendung einer Vorheizeinrichtung erreicht die Unterseite einer gedruckten Schaltungsplatte, auf die die Wärme gerichtet ist, eine Temperatur von über 90º C, während die Oberfläche an der Oberseite der gedruckten Schaltungsplatte auf eine Temperatur von über 70º C kommt.
Die Flußmittelzusammensetzung enthält einen flußmittelaktivierenden Wirkstoff. Dies hilft, den Oxidfilm auf dem zu lötenden Substrat zu lösen. Flußmittelaktivierende Wirkstoffe sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele für bekannte, flußmittelaktivierende Wirkstoffe können organische Säuren umfassen, die aliphatisch, aromatisch, Mono- oder Polycarboxylsäure sein können, insbesondere eine Adipinsäure, eine Benzoinsäure, eine Azelainsäure, eine Succinsäure, eine Suberinsäure; Arynsulphonsäuren; Hydrohalidsalze von aliphatischen und aromatischen Aminen; sowie Hydrohalidsalze und aliphatische Hydroxamine.
Die Flußmittelzusammensetzung kann auch oberflächenaktive Wirkstoffe enthalten, um die Netzfähigkeit der Flußmittelzusammensetzung zu verbessern. Eine Flußmittelzusammen Setzung wird im allgemeinen auf eine Printplatte entweder durch Sprühen oder Aufschäumen aufgetragen. Sprühen kann eine verunreinigende Auftragsart sein, so daß Aufschäumen für kommerzielle Anwendungen im allgemeinen bevorzugt wird, da es besser steuerbar ist. Aufschäumbare Flußmittelzusammensetzungen enthalten notwendigerweise oberflächenaktive Wirkstoffe, die die Wirkung haben, die Schaumbildung zu ermöglichen, ebenso wie sie die Netzfähigkeit verbessern. Oberflächenaktive Wirkstoffe sind im Stand der Technik durchaus bekannt. Beispiele für verwendbare bekannte Oberflächenwirkstoffe umfassen Fettalkoholethoxylate, Octyl- und Nonylphenylethoxylate und Esterethoxylate.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden mit Flußmittelzusammensetzungen erreicht, die Netacresolbenzoat, Orthocresolbenzoat, Paracresolbenzoat oder 2,6-Dimethylphenylbenzoat, Isopropanol und einen flußmittelaktivierenden Wirkstoff enthalten.
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Vorbereiten einer gedruckten Schaltungsplatte mit dem Verfahrensschritt, wonach vor dem Löten eine Flußmittelzusammensetzung der oben beschriebenen Art auf die Oberfjäche der gedruckteii Schaltungsplatte aufgebracht wird. Die Erfindung umfaßt ferner eine gedruckte Schaltungsplatte, die entsprechend diesem Verfahren hergerichtet wurde.

Beispiel 1

Herstellung des Benzoats

Metacresylbenzoat wurde durch 15 Minuten langes, heftiges Schütteln einer verschlossenen Flasche hergestellt, die eine Mischung aus Metacresol (1 Äquivalent, 5 g) und Benzoylchlorid (1,2 Äquivalente, 7,1 g) in einer 10%-igen wässrigen Lösung von Natriumhydroxid (100 ml) enthielt. Der weiße kristalline Feststoff, der sich auf diese Weise bildete, wurde durch Filtrieren abgetrennt, mit Wasser gewaschen und getrocknet, um Metacresylbenzoat zu erhalten.

Flußmittelzusammensetzung

Eine Flußmittelzusammensetzung mit der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt.
Metacresylbenzoat 1,0 Gewichtsproz./vol.
Succinsäure (F) 0,7 Gewichtsproz./vol.
Höheres Fett-Alkoholethoxylat (A) 0,5 Gewichtsproz./vol.
Ethylenglykol (S) 5,0 Gewichtsproz./vol.
Isopropylalkohol (S) auf hundert
F = flußmittelaktivierender Wirkstoff
A = oberflächenaktiver Wirkstoff
S = Lösungsmittel
Die Zusammensetzung wurde durch Lösen der spezifizierten Gewichte der ersten vier Zutaten in Isopropylalkohol als Lösungsmittel hergestellt und einem anschließenden Zugeben von weiterem Lösungsmittel, um die Zusammensetzung auf 100 ml zu bringen.
Die Flußmittelzusammensetzung wird auf die Oberfläche einer bestückten gedruckten Leiterplatte gebracht. Die Leiterplatte läuft dann über einen Vorheizer und durch das geschmolzene Lötzinn einer normalen Wellenlötmaschine.
Die erhaltenen Lötverbindungen sind richtig gebildet, ohne daß Zäpfchen oder Brücken auftreten und es gab auch wenig sichtbaren Rückstand auf der Plattenoberfläche.

Beispiele 2 bis 4

Es wurden Flußmittelzusammensetzungen mit den unten angegebenen Bestandteilen hergestellt und unter Verwendung desselben Verfahrens, wie im Zusammenhang mit Beispiel 1 beschrieben, getestet.
2. Imsol DPM (Methylether von Dipropylenglykol (S) 5 Gewichtsproz./vol.
Succinsäure (F) 0,7 Gewichtsproz. /vol.
Paracresolbenzoat 1 Gewichtsproz./vol
Isopropylalkohol (S) auf hundert
3. Adipinsäure (F) 1 Gewichtsproz./vol.
Phenylbenzoat 1 Gewichtsproz./vol.
Texofor A45 (A) (ein höheres Fettalkoholethoxylat) 0,5 Gewichtsproz./vol.
Methanol (S) auf hundert
4. 2,6-Dimethylphenylbenzoat 0,5 Gewichtsproz./vol.
Ethylenglykol (S) 5 Gewichtsproz./vol
Suberinsäure (F) 1 Gewichtsproz . / vol.
Synperonic NP 35 (A) (ein Nonylphenylethoxylat 0,75 Gewichtsproz./vol.
Isopropylalkohol (S) auf hundert
Texofor A45 ist bei der ABM Chemicals erhältlich, während Symperonic NP 35 von ICI zu beziehen ist.
Bei allen Ausführungsformen wurden gute Lötstellen mit wenig sichtbaren Rückständen erzielt.

Claims

1. Flußmittelzusammensetzung, die zumindest ein Benzoat oder ein substituiertes Phenchbenzoat oder ein substituiertes Benzoat mit substffltuieitem Phenol, eine Lösungsmittel für das Benzoat und ein flußaktivierendes Agens enthält, wobei das Benzoat in keiner größeren Menge enthalten ist als es der Grenze der Löslichkeit in dem Lösungsmittel ertspricht.

2. Flußmittelzusammense-zung nach Anspruch 1, die außerdem ein oberflächenaktives Agens enthält.

3. Flußmittelzusammensetzung nach Anspruch 2, die ein oberflächenaktives Argens enthält, das aus den Stoffen Fettaffikoholethoxylate, Octyl- und Nonylphenylethoxilate sowie Esterethoxylate ausgewählt ist.

4. Flußmittelzusammensetzung nacm einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das wenigstens eine Benzoat Phenylbenzoat, Metacresylbenzoat, Orthscresylbenzoat, Paracresylbenzoat, 2,6-Dimethylphenyibenzcat oder 3-Ethylphenyl-4-Methoxybenzoat oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Stoffe umfasst.

5. Flußmittelzusammensetzung nacn einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Lösungsmittel Isopropanol, Methanol, Ethanol, Butanol, Diethylenglykol, Ethylenglykol, Aceton, Methylethylketon oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser Stoffe umfasst.

6. Flußmittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis, bei der das wenigstens eine Benzoat in der Zusammensetzung in einer Menge Bon mindestens 0,5 Gewichtsprozent pro Volumen enthalten ist.

7. Flußmittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das wenigstens eine Benzoat in der Zusammensetzung in einer Menge von etwa 1 Gewichtsprozent pro Volumen enthalten ist.

8. Flußmittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche in bis 7, bei der das flußaktivierende Agens aus den Stoffen organische Säuren, arylsulphcnen Sauren, Hydrohalidsalzen aliphatischer unn aromatischer Amine sowie Hydrohalidsalzen aliphatischer Hydroxyamine ausgewählt ist.

9. Flußmittelzusammensetzung nach einem der Ansprüche bis 7, bei der das flußaktivierende Agens ein organisches Salz enthält, das aus den Stoffen Adipinsäure, Benzoesaure, Azelansäure, Bernsteinsaure, Suberinsaure ausgewählt ist.

10. Flußmittelzusammensetzung nacn efflnem der Ansprüche in bis 9, die Metacresylbenzoat, Orthocresylbenzoat, Paracresylbenzoat oder 2,6-Dimethyiphenylbenzoat, Isopropanol und ein flußaktivuerenies Agens enthält.

11. Verfahren zum Vorbereiten einer gedruckten Schaltung zum Löten, das den Schritt des Anwendens einer Flußmittelzusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf die Oberfläche der gedrukten Schaltung vor dem Loten umfaßt.

12. Gedruckte Schaltung, die durch ein Verfahren nach Anspruch 11 zum Loten vorbereitet ist.