DE69210431T2 - Wasserlösliche Lötpaste - Google Patents
Wasserlösliche LötpasteInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine wasserlösliche Lötpaste des zum Lötverbinden von Komponenten mit einem Substrat verwendeten Typs.
- Es besteht ein klarer Trend in der elektronischen Industrie, oberflächenmontierte Komponenten zu verwenden; dies bedeutet, Komponenten, die mit ihren Leitungen oder Lötanschlußflächen direkt in Kontakt mit einer Vielzahl von metallisierten Bereichen an einer Hauptfläche einer Schaltungsplatine befestigt werden. Um derartige oberflächenbefestigte Komponenten mittels Löten an einer Leiterplatte zu befestigen, wird ein Volumen einer Lötpaste an den metallisierten Bereichen an der Platte abgeschieden (gedruckt), welche in einem Muster demjenigen der Leitungen/Anschlußflächen der Komponenten entsprechen. Nach der Abscheidung der Lötpaste wird jede Komponente derart an der Leiterplatte angeordnet, daß deren Leitungen/Anschlußflächen in Kontakt mit den entsprechenden, mit Lötpaste beschichteten, metallischen Bereichen an der Leiterpiatte in Kontakt stehen. Danach wird die Lötpaste typischerweise durch Erhitzen der Leiterplatte geschmolzen, entweder in einem Ofen oder durch eine andere Einrichtung, um die Komponenten an der Platte zu befestigen.
- Derzeit wird "RMA"Typ-Lötpaste allgemein verwendet, um oberflächenbefestigte Komponenten mittels Löten zu befestigen. Dieser Pastentyp umfaßt generell harzbasiertes Flußmittel und Lötpulver, welche zusammen mit einem oder mehreren Rheologie-modifizierenden (thixotropen) Mitteln gelöst sind. Obwohl RMA-Typ-Pasten weithin verwendet werden, lassen derartige Pasten üblicherweise Harzrückstände nach dem Schmelzen der Paste an der Leiterplatte zurück. Häufig müssen derartige Rückstände entweder aus kosmetischen Gründen oder zur Prüfbarkeit des Boards bzw. der Platine entfernt werden. Unglücklicherweise sind die nach dem Schmelzen der Paste verbleibenden Rückstände extrem schwierig zu entfernen, wenn nicht aggressive Lösungsmittel (typischerweise unerwünschte Chlorfluorcarbone oder halogenierte Kohlenwasserstoffe) verwendet werden.
- Bei einem Versuch, die Schwierigkeiten des Reinigens von Rückständen zu beseitigen, die von der Verwendung von RMA-Pasten verbleiben, werden nun wasserlösliche Lötpasten, wie die des US-Patents 4 460 414 von J. S. Hwang und 4 872 928 von W. Jacobs (die hier unter Bezugnahme mit einbezogen werden) nun angeboten. Wie es der Name nahelegt, sind wasserlösliche Pasten in Wasser löslich, was die Reinigung nach dem Löten von Lötpastenrückständen, die an einer Leiterplatte zurückgelassen werden, mit Wasser oder einer Mischung von Wasser und einem milden Lösungsmittel ermöglicht. Wasserlösliche Lötpasten unterscheiden sich von den RMA-Pasten dadurch, daß diese ein wasserlösliches Flußmittel enthalten, typischerweise einen Säure- oder einen Amin-Aktivator, der von einem Glykoltransportmittel transportiert wird, anstelle eines auf Harz basierenden Flußmittels.
- Obwohl wasserlösliche Pasten die Notwendigkeit vermeiden, aggressive Lösungsmittel zum Entfernen von Lötpastenrückständen nach dem Löten einzusetzen, enthalten wasserlösliche Flußmittel selbst einen Nachteil. Das wasserlösliche Flußmittel umfaßt bei heutigen wasserlöslichen Pasten unabdingbar ein Glykoltransportmittel. Während des Pastenschmelzens wird die Leiterplatte, die im wesentlichen eine Polymermatrix umfaßt, typischerweise über ihre Glasübergangstemperatur tg erhitzt, was es den Glykolmolekülen des Flußmittels innerhalb der Paste gestattet, in die Oberfläche der Leiterplatte einzudiffundieren. Sobald sich die Leiterplatte abkühlt, werden die Moleküle in der Platinenoberfläche eingefangen.
- Die eingefangenen Glykolmoleküle, die hydrophil sind, ziehen Wassermoleküle in der Umgebung der Leiterplatte an. Die an die Plattenoberfläche angezogenen Moleküle neigen dazu, den Oberflächenisolationswiderstand (Surface Insulation Resistance, SIR) der Platine zu vermindern, welches unerwünscht ist, da es den Eingangswiderstand bestimmter, an die befestigter, elektronischer Komponenten negativ beeinflussen kann. Aus diesem Grund haben viele Elektronikhersteller nicht einfach wasserlösliche Pasten, insbesondere für Anwendungen, die einen hohen SIR benötigen, eingesetzt.
- Somit besteht Bedarf an wasserlöslichen Lötpasten, deren Rückstände mit Wasser und/oder einem Lösungsmittel gereinigt werden können, die jedoch einen hohen Oberflächenisolationswiderstand behalten.
- Zusammengefaßt wird gemäß der vorliegenden Erfindung einen Lötpaste beschrieben, die sowohl wasserlöslich ist und darüber hinaus die Oberflächenisolation eines Polymermatrix- Substrats, wie beispielsweise einer Leiterplatte, nicht verschlechtert. Die Paste umfaßt ein wasserlösliches Flußmittel (welches ein Glykoltransportmittel und wenigstens einen Aktivator enthält), Lötpulver, ein hydrophobes oberflächenaktives Agens und ein Lösungsmittel, in welchem das Flußmittel und das oberflächenaktive Agens gelöst sind, um so zur Oberfläche des Substrates zusammen mit dem Pulver getragen zu werden. Das hydrophobe oberflächenaktive Mittel bzw. Agens, das typischerweise einen Mono-, Di- oder Trialkyl- oder -arylphosphatester oder eine Mischung dieser enthält, ist so ausgewählt, daß dieses vorzugsweise von der Oberfläche über dem Glykoltransportmittel des Flußmittels innerhalb der Paste so adsorbiert wird, daß die Glykolmoleküle davon abgehalten werden, von der Platinenoberfläche adsorbiert und danach darin eingefangen zu werden. Durch das Verhindern, daß die Glykolmoleküle eingefangen werden, bleibt der SIR des Substrats hoch, selbst nach dem Spülen mit Wasser.
- Die vorliegende Erfindung ist auf eine wasserlösliche Lötpaste zur Verwendung an einer Leiterplatte oder einem ähnlichen Substrat zum Befestigen von oberflächenbefestigbaren Komponenten an einer Hauptoberfläche der Platine gerichtet. Wie weiter beschrieben wird, ist die Paste der vorliegenden Erfindung wasserlöslich, welches es gestattet, daß die Pastenrückstände von der Leiterplatte mit Wasser und/oder einem Lösungsmittel gespült werden, wobei nun die Paste den SIR der Leiterplatte nicht senkt.
- Die Paste gemäß vorliegender Erfindung umfaßt ein wasserlösliches Flußmittel (welches ein Glykoltransportmittel und einen Aktivator enthält), ein Lötpulver, ein hydrophobes oberflächenaktives Mittel, welches bevorzugt durch die Oberfläche über dem Substrat vor dem Glykol im Flußmittel adsorbiert wird, und ein Lösungsmittel zum Tragen des Flußmittels und des oberflächenaktiven Mittels zur Leiterplatte zusammen mit dem Lötpulver. Zusätzlich können eines oder mehrere, die Rheologie ändernde Mittel (Thixotrope) ebenfalls der Paste zugegeben werden.
- Das Lötpulver innerhalb des Flußmittels der vorliegenden Erfindung umfaßt eine herkömmliche Lötlegierung (Zinn/Blei). In typischer Weise umfaßt das Lötpulver wenigstens 70 % und so viel wie 95 % an Gewicht der Paste.
- Das wasserlösliche Flußmittel innerhalb der Paste umfaßt Polyethylenglykol (oder eine Mischung) zusammen mit einem oder mehreren Aktivatoren, wie Amin, einer organischen Säure (beispielsweise Citronensäure, Weinsäure, Glykolsäure usw.) oder ein Aminhydrohalogen (wie beispielsweise Diethanolaminhydrochlorid). Typischerweise umfassen die Aktivatoren gemeinsam 0,5 bis 10 % an Gewicht des Flußmittels, wobei die typischen Bereiche für das Amin, die organische Säure und die Aminhydrohalogene 0 bis 20 Gew.%, bis 20 Gew.% bzw. 0 bis 5 Gew.% umfassen (wobei alle Gewichtsprozente der individuellen Aktivatorkomponenten ohne das Lötpulver gemessen wurden), wobei auch der verbleibende Anteil des Flußmittels Polyethylenglykol ist.
- Wie vorstehend beschrieben, umfassen Leiterplatten im allgemeinen eine Polymermatrix, die während des Lötens üblicherweise über deren Glasübergangstemperatur Tg erhitzt wird. Wenn eine herkömmliche wasserlssliche Paste während des Lötens an die Leiterplatte gebracht wird, neigen einige der hydrophilen Polyglykolmoleküle im Flußmittel der Paste dazu, Lücken in der Matrix der Platte, die erzeugt werden, wenn die Platine über Tg erhitzt wird, zu füllen. Sobald die Leiterplatte abkühlt, werden die hydrophilen Polyglykolmoleküle eingefangen und verbleiben in der Matrix der Platine, selbst nach dem Reinigen. Die eingefangenen hydrophilen Polyglykolmoleküle neigen dazu, Wasser an der Oberfläche der Leiterplatte unter Bedingungen hoher Luftfeuchte anzuziehen, welches den SIR der Platine vermindert.
- Um diese Folge zu vermeiden, umfaßt die Paste der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise ein hydrophobes oberflächenaktives Mittel, das entweder einen Mono-, Di- oder Trialkyl- oder -arylphosphatester (oder Mischungen davon) enthält, welche vorzugsweise an der Leiterplatte über das Glykoltransportmittel im Flußmittel adsorbiert werden.
- In typischer Weise wird die hydrophobe Gruppe des oberflächenaktiven Mittels aus einer der nachfolgenden Klassen ausgewählt:
- a) gerade oder verzweigte Kohlenstoffketten, die eine Alkylgruppe enthalten, in welcher das Molekulargewicht der Alkylkette höher als 48 ist,
- b) gerade oder verzweigte Kohlenstoffketten, die eine Arylgruppe enthalten, in welcher das Gewicht der Kette höher als 189 ist,
- c) gerade oder verzweigte Kettenhydrophobe (Alkyl- und/oder Arylgruppen), die mit der Phosphatgruppe durch eine oder mehrere Polyethylenoxid- oder Polypropylenoxidketten verbunden ist.
- Im Falle von Polyethylenoxidketten muß deren Gehalt bei einem Minimum gehalten werden, während die Kette von Alkylund Arylgruppen größer als 48 bzw. 189 sein sollten, wie es vorstehend beschrieben wurde. Bei dem Polypropylenoxid können bis zu 5 Glykoleinheiten für Alkyl- und Arylgruppen mit einem Minimummolekulargewicht von 48 bzw. 189 sein. Das Erfordern der Polypropylenoxidkette erfordert einen entsprechenden Anstieg der Größe der Alkyl- und Arylketten, um den gleichen SIR-Pegel aufrechtzuerhalten.
- Die Menge des hydrophoben oberflächenaktiven Mittels wird so ausgewählt, daß sie zwischen 0,5 bis 15 Gew.% Flußmittel betragen, wobei das Flußmittel alles umfaßt, was ansonsten in der Paste ist, mit Ausnahme des pulverförmigen Metalls. Die exakten Proportionen werden durch die hydrophobe Natur des oberflächenaktiven Mittels und dem erwünschten Pegel des Oberflächenisolationswiderstands bzw. SIR sowie die Wirkungen des oberflächenaktiven Esters auf andere Eigenschaften der Paste, wie beispielsweise deren Rheologie, Bedruckbarkeit, Widerstand gegen Verrutschen und Schmelzeigenschaften bestimmt.
- Kommerzielle Marken hydrophober oberflächenaktiver Mittel, die als nützlich befunden wurden, umfassen die nachfolgenden: Handelsname Hersteller Beschreibung CRODAFOS EMPHOS PS MONOFAX Croda Chemical New York, N.Y. Witco Chemical Mona Industries Patterson, N.J. Mischung aus % Mono-, % Diphosphatester, in dem die hydrophobe Kette aus einer C- -Gruppe besteht, mit der Phosphatgruppe durch eine Kette von drei Ethylenoxidgruppen verbunden Mischung aus C&sub8;-C&sub1;&sub0;-Alkylphosphaten Mischung aus aliphatischen Phosphaten Handelsname Hersteller Beschreibung ANTARA LE GAFAC RS Rhone-Poulenc Inc. Princeton, N.J. Mischung aus Phosphatestern Poply-(oxi-1,2-ethandiyl)-α-tridecyl-Ω-hydroxiphosphat
- Eine erste Ausführungsform der wasserlöslichen Lötpaste der vorliegenden Erfindung wurde erhalten durch Mischen eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels (CRODAFOS GAP) mit einer kommerziell verfügbaren wasserlöslichen Paste, Senju Nr. 506A, die durch Senju Metals Ltd., Tokyo, Japan, hergestellt wird, in Mengen von 5, 10 und 15 Gew.% der Paste. Von der Senju-Paste wird angenommen, daß diese (an Gewichtsprozent) wenigstens 70 % Lötpulver, 0,5 bis 10 % Aktivator umfaßt, wobei der Rest ein Vehikel ist (typischerweise Polyglykol), das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Herstellerspezifische bzw. patentierte, Rheologie-modifizierende Agentien und andere Materialien sind ebenfalls in geringen Mengen typischerweise anwesend.
- Die SIR-Ergebnisse dieser Paste wurden erhalten durch Drucken der Paste an Leiterplattenstreifen einer Standardkonstruktion. Die Streifen wurden dann Hitze und Feuchte (35ºC, 90 % RH) in einem verschlossenen Ofen ausgesetzt, während eine Prüfspannung von ungefähr 100 V an die pastenbeschichteten metallisierten Bereiche der Streifen angelegt wurde. Mittlerer log SIR Oberflächenaktives Mittel (%) Stunden Kontrollstreifen
- Durch Zugabe eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels zu dem wasserlöslichen Flußmittel Senju 506A stieg der SIR des Leiterplattenstreifens dramatisch an im Vergleich zu dem Streifen, der mit der Paste ohne das oberflächenaktive Mittel beschichtet wurde.
- Eine zweite Ausführungsform der wasserlöslichen Paste der vorliegenden Erfindung wurde erhalten durch Mischen eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels (CRODAFOS CAP) mit einer kommerziell erhältlichen, wasserlöslichen Paste, Kester Nr. R572, die durch Kester Metals Corp., Des Plaines, Illinois, hergestellt wird, in Mengen von 5, 10 und 15 % des Gewichts der Paste. Von der Kester-Paste wird angenommen, daß diese (an Gew.-%) wenigstens 70 % Lötpulver, 0,5 bis 10 % Aktivator enthält, wobei der Rest ein Vehikel ist (typischerweise Polyethylenglykol), das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Firmeneigene bzw. patentierte Rheologie-modifizierende Agentien und andere Materialien sind typischerweise in geringen Mengen vorhanden.
- Die SIR-Ergebnisse dieser Paste wurden erhalten durch Drucken der Pasten auf Leiterplattenstreifen einer Standardkonstruktion. Die Streifen wurden dann Hitze und Feuchtigkeit (35ºC, 90 % relative Luftfeuchte bzw. RH) in einem geschlossenen Ofen ausgesetzt, während eine Prüfspannung von ungefähr 100 V an die pastenbeschichteten metallisierten Bereiche der Streifen angelegt wurde. Mittlerer log SIR Oberflächenaktives Mittel (%) Stunden Kontrollstreifen
- Obwohl die SIR-Messungen der Kester-Paste mit dem hinzugegebenen hydrophoben oberflächenaktiven Mittel weniger dramatisch als diejenigen für die Senju-Paste waren, war dennoch der SIR nach 48 Stunden bei der Paste, welche das oberflächenaktive Mittel enthielt, beachtlich besser als bei der Paste ohne das oberflächenaktive Mittel.
- Eine dritte Ausführungsform der wasserlöslichen Paste der vorliegenden Erfindung wird erhalten durch Mischen eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels (CRODAFOR CAP) mit einer kommerziell erhältlichen, wasserlöslichen Paste, Alpha Nr. WS1195, die durch die Alpha Metals Corp., Jersey City, New Jersey, hergestellt wird, in Mengen von 5, 10 und 15 % des Gewichts der Paste. Von der Alpha-Paste wird angenommen, daß diese (an Gew.%) wenigstens 70 % Lötpulver, 0,5 bis 10 % Aktivator enthält, wobei der Rest eine Transportmittel ist (typischerweise Polyethylenglykol), das in einem Lösungsmittel gelöst ist. Firmeninterne bzw. patentierte, Rheologie-modifizierende Agentien und andere Materialien sind typischerweise in geringen Mengen vorhanden.
- Die SIR-Ergebnisse für diese Paste wurden erhalten durch Drucken der Paste auf Leiterplattenstreifen mit einem Standard-Design. Die Streifen wurden dann Hitze und Feuchtigkeit (35ºC, 90 % relative Feuchte) in einem geschlossenen Ofen ausgesetzt, während eine Prüfspannung von ungefähr 100 V an die pastenbeschichteten metallisierten Bereiche der Streifen angelegt wurde. Mittlerer log SIR Oberflächenaktives Mittel (%) Stunden Kontrollstreifen
- Die SIR-Messungen der Alpha-Paste zeigten lediglich eine mäßige Erhöhung bei der das oberflächenaktive Mittel enthaltenden Paste im Vergleich zur Probe ohne das oberflächenaktive Mittel.
- Die Gründe für die Unterschiede zwischen den SIR- Messungen bei den Senju-, Kester- und Alpha-Pasten sind nicht gut verstanden. Eine mögliche Erklärung liegt darin, daß derartige Unterschiede der freien Oberflächenenergie der in diesen Pasten vorhandenen hydrophilen oberflächenaktiven Mittel zuzuschreiben ist. Die Rate und Absorption von Material an einer Oberfläche wird durch die Änderung der freien Energie bestimmt, welche während des Absorptionsprozesses auftritt. Das Material, welches beim Adsorbieren die niedrigste freie Energie ergibt, ist dasjenige Material, welches bevorzugt adsorbiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hydrophobes oberflächenaktives Mittel einer wasserlöslichen Paste zugegeben, welche pulverisiertes Lötmittel und ein wasserlösliches Flußmittel (welches typischerweise hydrophile oberflächenaktive Mittel, wie beispielsweise Polyethylenglykol, enthält) umfaßt, um bevorzugte Absorption über den hydrophilen oberflächenaktiven Mitteln zu erreichen.
- In Abhängigkeit von der Natur des Materials in jeder Paste, von welchen manche firmenspezifisch bzw. geschützt sind, kann die bevorzugte Adsorption unseres hydrophoben oberflächenaktiven Mittels erfolgreich sein oder nicht. Bei der Senju-Paste war unser hydrophobes oberflächenaktives Mittel tatsächlich erfolgreich beim bevorzugten Adsorbieren über den hydrophilen oberflächenaktiven Mitteln in der Paste, wohingegen bei der Kester-Paste das hydrophobe oberflächenaktive Mittel lediglich teilweise erfolgreich war bei der bevorzugten Adsorption. Bei der Alpha-Paste scheint es, daß bei dieser hydrophile oberflächenaktive Mittel in der Paste vorlagen, welche eine niedrigere freie Oberflächenenergie als unser hydrophobes oberflächenaktives Mittel ergaben, und somit waren die hydrophilen oberflächenaktiven Mittel erfolgreicher bei der bevorzugten Adsorption.
- Das Vorstehende beschreibt eine Lötpaste, die wasserlöslich ist, einen hohen SIR-Wert ergibt, der durch die Anwesenheit eines hydrophoben oberflächenaktiven Mittels in der Paste erreicht wird, welche bevorzugt gegenüber beliebigen hydrophilen oberflächenaktiven Mitteln in dieser adsorbiert wird.
- Es ist festzuhalten, daß die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Prinzipien der Erfindung sind.
Claims (7)
1. Wasserlösliche Lötpaste zum Löten von Komponenten an ein
Substrat und zum wirkungsvollen Verhindern von
Absorption von hydrophilem Material in dem Substrat zur
Beibehaltung eines hohen
Oberflächenisolationswiderstandes (Surface Insulation
Resistance, SIR) des Substrates nach dem Löten
umfassend:
ein pulverisiertes Lötmittel,
ein wasserlösliches Lötflußmittel mit wenigstens
einem wasserlöslichen Transportmittel und einem
Aktivator und
ein Lösungsmittel, in welchem das wasserlösliche
Flußmittel und das hydrophobe oberflächenaktive Mittel
gelöst sind,
gekennzeichnet durch
ein hydrophobes oberflächenaktives Mittel, welches
vorzugsweise über das Flußmittel-Transportmittel durch
die Oberfläche des Substrats adsorbiert wird, um die
Oberfläche im wesentlichen hydrophob zu halten.
2. Paste nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe
oberflächenaktive Mittel ausgewählt ist aus der Gruppe
von Mono-, Di-, Trialkyl- und -arylphosphatestern und
deren Mischungen.
3. Paste nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe
oberflächenaktive Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist,
die gerade oder verzweigte Kohlenstoffketten mit einer
Alkylgruppe, in welchen das molekulare Gewicht der
Alkylkette höher als 48 ist, umfaßt.
4. Paste nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe
oberflächenaktive Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist,
die gerade oder verzweigte Kohlenstoffketten mit einer
Arylgruppe, in welcher das Molekulargewicht der
Arylkette höher als 189 ist, umfaßt.
5. Paste nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe
oberflächenaktive Mittel aus der Gruppe ausgewählt ist,
die gerade oder verzweigte Kohlenstoffketten mit einer
Alkylgruppe und/oder Arylgruppen, in welchen die Kette
mit einer Phosphatgruppe durch ein Oxid verbunden ist,
welches ausgewählt ist von einem aus der Gruppe von
Polypropylen und Polyethylenoxiden, umfaßt.
6. Paste nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das hydrophobe
oberflächenaktive Mittel 0,5 bis 15 Gew.% des
Flußmittels umfaßt.
7. Verfahren zum Löten eines leitfähigen Elementes einer
Komponente an einen entsprechenden metallisierten
Bereich an einer bedruckten Leiterplatte und zum
wirkungsvollen Verhindern von Absorption von hydrophilem
Material in dem Substrat, um dem Substrat einen hohen
Oberflächenisolationswiderstand (Surface Insulation
Resistance, SIR) zu erhalten, umfassend die Schritte
des:
Druckens einer wasserlöslichen Paste, umfassend ein
pulverisiertes Lötmittel, ein wasserlösliches Flußmittel
mit einem Aktivator, der durch ein Transportmittel
getragen wird, und ein Lösungsmittel, in welchem das
wasserlösliche Flußmittel gelöst ist, auf die
metallisierten Bereiche der Leiterplatte,
Anordnen der Komponente, so daß jedes deren
leitfähiger Elemente in Kontakt mit einem
entsprechenden, mit Paste beschichteten, metallisierten
Bereich an der Schaltungsplatine steht,
Schmelzenlassen der Paste, um die leitfähigen
Elemente der Komponente an den entsprechenden
metallisierten Bereichen an der Leiterplatte zu
befestigen, und
wäßriges Reinigen der Leiterplatte nach dem
Schmelzenlassen der Paste, um irgendwelche Rückstände
von dieser zu entfernen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Paste ferner ein hydrophobes oberflächenaktives
Mittel umfaßt, welches vorzugsweise über das Vehikel
durch die Leiterplatte adsorbiert wird.
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