DE69127226T2 - Wasserlöslisches Weichlötflussmittel - Google Patents
Wasserlöslisches WeichlötflussmittelInfo
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Description
- Die meisten Chemikalien für Flußmittel und Defluxmittel, die in der Industrie zur Herstellung von elektronischen Schaltungen, beispielsweise für militärisches Rüstungsgut, eingesetzt werden, tragen entweder zur Ozonabnahme in der Atmosphäre bei oder werden von örtlichen Umweltbehörden, wie dem Air Quality Management District im Gebiet von Los Angeles, als umweltverschmutzende oder gesundheitsgefährdende Stoffe angesehen. Beispielsweise wurde mitgeteilt, daß beim Dampfentfetten zum Reinigen mit Kolophonium-Flußmittel gelöteter Teile, nach Freisetzung der verwendeten CFC (Chlorfluorkohlenwasserstoffe) an die Atmosphäre, diese als Ozon- zerstörende Stoffe nahezu 100 Jahre dort verbleiben. Andere Chemikalien, beispielsweise Kolophonium-Flußmittel und Alkohole, werfen Gesundheitsgefahren und Entsorgungsprobleme für die Industrie auf.
- Wasserlösliche Flußmittel könnten die einfache Lösung für dieses dringende Problem sein. Die meisten wasserlöslichen Flußmittel werden jedoch mit aggressiven Aktivatoren, wie Chlorwasserstoffsäure und komplexen Glycolen, formuliert, die starke Reinigungs- und Rückstandsprobleme für Leiterplatten und die darauf befindlichen elektrischen Schaltungen aufwerfen und welche zu starker Korrosion des zu lötenden Metalls oder zur Verschmutzung des Dielektrikums neigen, wodurch Elektromigration hervorgerufen werden kann. Andere wasserlösliche Flußmittel werden mit Isopropanol und/oder Weichmachern formuliert, die Entsorgungs- und Gesundheitsprobleme aufwerfen.
- JP-A-62-6796 offenbart ein mit Wasser abwaschbares Flußmittel zum Löten, wobei die Zusammensetzung mindestens zwei Arten verschiedener Carbonsäuren enthält.
- EP-A-0 090 960 offenbart ein Verfahren zum Löten von Schwermetallen unter Verwendung eines Lötflußmittels. Das Flußmittel beruht auf einer organischen Säure (beispielsweise Bernsteinsäure), die in Isopropanol gelöst ist.
- US-A-3 162 547 befaßt sich mit einen Desoxidationsmittel, das zum Reinigen von Aluminium und dessen Legierungen vor den Punktschweißen verwendet wird.
- SU-A-1 303 341 offenbart ein Lötflußmittel, umfassend Citronensäure, Triethanolamin und Ethanol.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Löten eines Metalls unter Verwendung eines einfachen, nichttoxischen, nichtkorrosiven, flüssigen Lötflußmittels, das Lötverbindungen mit hohem Metallglanz und ausgezeichneter Qualität liefert, ungeachtet des Lötverfahrens (beispielsweise manuelles Löten, Schwallöten oder Schlepplöten).
- Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Löten eines Metalls bereit, umfassend Aufbringen eines Lötflußmittels auf eine Oberfläche des Metalls, das Erwärmen des Metalls auf eine gewünschte Löttemperatur und das Aufbringen eines Lotes auf die Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötflußmittel aus (a) Citronensäure und (b) mindestens einem ungiftigen Trägermaterial besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasser, Terpenen und Gemischen davon; wobei das Lötflußmittel keine anderen Carbonsäuren enthält.
- Das in der Erfindung verwendete Flußmittel vermeidet schädliche Umweltemissionen, die normalerweise bei Flußmitteln auf Kolophoniumbasis, Flußverdünnungsmitteln (beispielsweise Isopropanol) und Defluxlösungsmitteln (wie CFC) verbunden sind. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel ist umweltsicher, nicht giftig und leicht verwendbar. Die Lötzeit wird um die Hälfte verkürzt und die Defluxzeit (Reinigung) wird von zehn bis fünfzehn Minuten (erforderlich für Flußmittel auf Kolophoniumbasis) auf etwa drei Minuten verkürzt. Gelötete Anordnungen können in desionisiertem Wasser gereinigt werden, somit wird ein hoher Investitionsaufwand, der mit Dampfentfettungsanlagen verbunden ist, vermieden. Die erhaltene Lötverbindung zeigt hohen Metallglanz und ausgezeichnete elektrische Qualität.
- Das in der Erfindung verwendete Flußmittel besteht (a) aus Citronensäure und (b) einem speziellen nicht giftigen Träger, wie vorstehend definiert.
- Die nachstehende Beschreibung betrifft die Verwendung einer wässerigen Lösung von Citronensäure als Lötflußmittel beim Flüssigschwallöten.
- Ohne an eine besondere Theorie gebunden zu sein, scheint es, daß Citronensäure das Oxid, jedoch nicht das Grundmetall, als Chelat bindet. Im Ergebnis gibt es durch das in der Erfindung verwendete Flußmittel am Grundmetall wenig oder keine Korrosion.
- Der Konzentrationsbereich von Citronensäure in Wasser kann von 0,5 bis 99,5% (Gewicht) reichen. Eine Konzentration von mindestens etwa 5 Gew.-% liefert bemerkenswert verbesserte Lötergebnisse, während Konzentrationen von etwa 40 Gew.-% keine zusätzliche Verbesserung liefern und folglich ist dieser Bereich bevorzugt. Eine Konzentration von mindestens etwa 20 Gew.-% gewährleistet durchweg verbesserte Lötergebnisse, auch für weniger als optimale Lötflächen und folglich ist der Bereich von 20 bis 40 Gew.-% am meisten bevorzugt.
- Die Qualität des verwendeten Wassers und die Qualität der verwendeten Citronensäure sind nicht Gegenstand bei der Ausführung der Erfindung, obwohl es für äußerst empfindliche elektrische Schaltkreise wünschenswert sein mag, destilliertes oder desionisiertes Wasser und Citronensäure mit einer recht hohen Qualität zu verwenden. Die Herkunft der Citronensäure ist ebenfalls unkritisch und sie kann beispielsweise industriell hergestelltes Pulver oder Kristall oder auch Fruchtsaft oder Fruchtsaftkonzentrat, beispielsweise Saft von Orangen, Citronen, Limetten, Grapefruits, Ananas oder Tomaten umfassen. Schließlich kann das Flußmittel andere Komponenten enthalten, wie Verunreinigungen, ob zufällig oder bewußt, solange derartige Zusätze auf die Lötergebnisse keine nachteilige Wirkung ausüben.
- Obwohl Wasser der bevorzugte Träger ist, kann es erwünscht sein, etwas oder das gesamte Wasser als Träger durch ein Terpen zu ersetzen. Ein bevorzugtes Terpen besteht aus L- Limonen.
- Verdickungsmittel können zu dem Flußmittel gegeben werden, um das Flußmittel als Seele im Lot einzuschließen. Beispiele geeigneter Verdickungsmittel schließen Maisstärke, Verzinnungsöl, Gelatine, Emulgatoren und Polyvinylverbindungen ein. Derartige Verdickungsmittel werden bekanntlich zugegeben, um ein Flußmittel mit der erforderlichen Viskosität bereitzustellen.
- Das Flußmittel kann auch mit teilchenförmigem Lot und geeigneten Mitteln zur Bildung von Lötpaste kombiniert werden.
- Für spezielle Zwecke können dem Flußmittel Zusatzmittel zugesetzt werden. Beispielsweise kann ein Odorant, wie Wintergrünöl, Spearmintöl oder Pfefferminzöl, zu dem Flußmittel gegeben werden, um für den Anwender einen angenehmen Geruch bereitzustellen. Ein solches Odorant wird im allgemeinen in einer Menge von 1 bis 30 ppm zugesetzt.
- Ein Färbemittel kann zum Kenntlichmachen zugegeben werden; dieses gestattet dem Anwender, das Mittel zu erkennen, das ansonsten farblos ist. 1 bis 30 ppm mindestens eines Lebensmittelfarbstoffs können in dieser Hinsicht zugesetzt werden.
- Tenside können zugegeben werden, um das Reinigungsverfahren zu verbessern. Nichtionische Netzmittel, wie ethoxylierter Alkohol, erhältlich unter dem Handelsnamen Triton X-100 von Rohm & Haas (Los Angeles, CA) können bis etwa 10% des Flußmittels zugegeben werden.
- Das Flußmittel wird sehr vorteilhaft beim Löten der elektrischen Verbindungen von elektronischen Komponenten für Leiterplatten verwendet. Derartige Leiterplatten umfassen im allgemeinen kupferplattierte Bahnen, die über Öffnungen, welche kupferplattiert sind, gefolgt von einem Zinn-Blei- Überzug über dem Kupfer in der Leiterplatte, durch die sich die Anschlüsse der Bauteile erstrecken, verbunden sind. Das während des Lötens der Bauelemente verwendete Lot ist im allgemeinen ein Zinn-Blei-Lot und das in der Erfindung verwendete Flußmittel wurde erfolgreich mit 60-40, 63-37 und 96-4 Zinn-Blei-Lot eingesetzt. In den meisten Anwendungen wird 63- 37 Zinn-Blei-Lot verwendet.
- Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel kann mit einer Vielzahl von Verfahren aufgetragen werden. Um jedoch Verspratzen aufgrund der Anwesenheit von Wasser während des Schwallötens kleinzuhalten, ist ein bevorzugtes Verfahren zur Anwendung des Flußmittels das sogenannte Nebelsprühverfahren unter Verwendung eines Vernebelungssystems. Das Nebelsprühen bedampft die Platte in einer Weise, so daß eine übermäßige Zahl einzelner Flußmitteltröpfchen vermieden wird, wodurch Verspratzen während des Schwallötens vermieden wird. Weitere Einzelheiten zu dem Nebelsprühverfahren und zu den dafür verwendeten Vorrichtungen sind in US-A-5 145 531 ("Fluxing Apparatus and Method") beschrieben.
- Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel liefert nachstehende Vorteile:
- 1. Es vermeidet schädliche Umweltemissionen, die normalerweise mit Flußmitteln auf Kolophoniumbasis, Flußmittelverdünnungsmitteln (beispielsweise Isopropylalkohol) und damit verbundenen Defluxmitteln (beispielsweise 1,1,1-Trichlorethan) einhergehen. Das Reinigen des Flußmittels wird tatsächlich einfach mit warmem oder heißem Wasser ausgeführt. Somit ist das Flußmittel umweltsicher.
- 2. Es stellt für das mit dem Löten befaßte Personal ein nichttoxisches, sehr sicheres und äußerst wirksames Flußmittel bereit.
- 3. Durch seine Verwendung wird die tatsächliche Lötzeit um etwa 50% verkürzt. Dies gestattet, bei automatischen Lötverfahren unter Verwendung von Schwallöten, eine doppelt so hohe Geschwindigkeit wie mit Lot auf Kolophoniumbasis zu fahren, wodurch die elektronischen Bauelemente der Löthitze für einen sehr viel kürzeren Zeitraum ausgesetzt sind.
- 4. Die Defluxzeit (Reinigen) wird von zehn bis fünfzehn Minuten pro Anlage (bei CFC-Entfettern) auf etwa eine Minute (in erhitztem Wasser) verkürzt.
- 5. Schwallgelötete Anordnungen können in desionisiertem Wasser gereinigt werden, wodurch kostspielige Dampfentfettungsanlagen vermieden werden. Die laufenden Kosten für Lösungsmittel und die mit der Aufdestillation verbundenen Kosten können ebenfalls vermieden werden.
- 6. Die Verwendung des Flußmittels beseitigt das Erfordernis kostspieliger Kontrolle des Lösungsmittelverbrauchs und der Anlagenzulassungen, die von örtlichen Umweltbehörden gefordert werden (wie AQMD im Gebiet von Los Angeles).
- 7. Die Verwendung des Flußmittels vermindert deutlich Abfallentsorgung und die dabei anfallenden Kosten; das Flußmittel ist bioabbaubar und wasserlöslich.
- 8. Die Verwendung des Flußmittels liefert Lötverbindungen mit hohem Metallglanz und ausgezeichneter elektrischer Qualität.
- Das erfindungsgemäße Verfahren findet voraussichtlich bei industriellen Vorgängen für manuelles und automatisches Flüssiglöten, insbesondere zum Löten von elektrischen Bauelementen auf Leiterplatten, Verwendung.
- Ein Flußmittelaktivierungstest, der Flußmittel des Standes der Technik (RMA, Alpha 857, Kester 2224) für das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel (Citronensäurelösung) vergleicht, wurde durch Anwenden verschiedener Flußmittel auf Kupferbleche (5,08 x 5,08 cm) (2 inch x 2 inch) und anschließendes Trocknen des Flußmittels bei 110ºC (230ºF) für 1 Stunde ausgeführt. Die mit Flußmittel versehenen Probenstücke wurden dann gereinigt und bewertet. Tabelle I führt die Zusammensetzung für das Flußmittel und dessen Aussehen an. RMA betrifft Kester 185 Kolophonium, mäßig aktiv; Alpha 857 und Kester 2224 sind wasserlösliche Flußmittel. Die Konzentration an verwendeter Citronensäure betrug 400 g Citronensäurepulver pro Liter Wasser. Das in der Erfindung verwendete Flußmittel ist eine klare Flüssigkeit. Tabelle I.
- Das in der Erfindung verwendete Flußmittel war auf einem vergleichbaren Niveau mit RMA, wohingegen die zwei kommerziellen Marken wasserlöslicher Flußmittel für Kupfer aggressiv erschienen. Aus dem Test wird deutlich, daß das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel ein einzigartiges Flußmittel ist und nicht in die Kategorie der handelsüblichen wasserlöslichen Flußmittel eingeordnet werden sollte.
- Ohne an eine besondere Theorie gebunden zu sein, scheint es, als wenn das in der vorliegenden Erfindung verwendete Flußmittel als chelatbildendes Mittel wirkt, das die Oxide angreift, ohne das Grundmetall anzugreifen.
- Ein Verteilungsvergleichstest wurde ausgeführt, um zu ermitteln, ob die Lotverteilung unter Verwendung des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Flußmittels mit jener des "RMA" Kolophonium-Flußmittels vergleichbar war. Lötdraht 0,16 cm (0,062 inch) im Durchmesser wurde zu Lötringen mit 0,95 cm (3/8 inch) Durchmesser geformt und auf die Mitte von Kupferplatten mit den Abmessungen 5,08 cm x 5,08 cm (2 inch x 2 inch) gelegt. Drei Tropfen Flußmittel wurden in die Mitte von jedem Ring angeordnet. Alle Platten wurden dann gleichzeitig Dampfphasen-Aufschmelzung unterzogen. Die Fläche der Lotverteilung, unter Verwendung des in der Erfindung verwendeten Flußmittels erwies sich als mehr als doppelt so groß wie beim RMA-Flußmittel. Das in der Erfindung verwendete Flußmittel ergab außerdem einen höheren Glanz und bessere Benetzung für das Substrat, verglichen mit dem RMA-Flußmittel.
- Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß das in der Erfindung verwendete Flußmittel dem RMA-Flußmittel weit überlegen ist. Es sollte auch angeführt werden, daß das Grundmetall auf Kupfer von dem RMA-Flußmittel oder von dem in der vorliegenden Erfindung verwendeten Flußmittel nicht angegriffen wird.
- Somit wurde die Verwendung eines nichttoxischen, nichtkorrosiven, flüssigen Lötflußmittels offenbart, das zur Verwendung zum Löten elektrischer Bauelemente geeignet ist.
Claims (7)
1. Verfahren zum Löten eines Metalls, umfassend das
Aufbringen eines Lötflußmittels auf einer Oberfläche des Metalls,
das Erwärmen des Metalls auf eine gewünschte Löttemperatur
und das Aufbringen eines Lotes auf der Oberfläche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Lötflußmittel aus (a)
Citronensäure und (b) mindestens einem ungiftigen Trägermaterial
besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasser,
Terpenen und Gemischen davon; wobei das Lötflußmittel
keine anderen Carbonsäuren enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Terpen aus L-Limonen
besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Oberfläche Kupfer
oder verzinntes Kupfer ist und das Lot ist ein Zinn-Blei-
Lot.
4. Verfahren zum Löten eines Metalls, umfassend das
Aufbringen eines Lötflußmittels auf einer Oberfläche des
Metalls, das Erwärmen des Metalls auf eine gewünschte
Löttemperatur und das Aufbringen eines Lotes auf der
Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötflußmittel aus
einer Lösung von 0,5 bis 99,5 Gew.-% Citronensäure in Wasser
besteht; wobei das Lötflußmittel keine anderen
Carbonsäuren enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Konzentration an
Citronensäure mindestens etwa 5 Gew.-% beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Konzentration im
Bereich von 20 bis 40 Gew.-% liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, worin die Oberfläche Kupfer
oder verzinntes Kupfer ist und das Lot ist ein Zinn-Blei-
Lot.
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