WO2023139046A1 - Verfahren zur erzielung einer zuverlässigen lötverbindung und vorlegierungen hierfür - Google Patents

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WO2023139046A1
WO2023139046A1 PCT/EP2023/050950 EP2023050950W WO2023139046A1 WO 2023139046 A1 WO2023139046 A1 WO 2023139046A1 EP 2023050950 W EP2023050950 W EP 2023050950W WO 2023139046 A1 WO2023139046 A1 WO 2023139046A1
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Jörg Trodler
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STANNOL GmbH & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for achieving a reliable soldered connection between two electronic components and master alloys based on tin-silver-copper alloys therefor.
  • Microalloyed soft solders for soldered connections between electronic components are known from EP 1 617 968 B1 and have proven themselves. These soft solders can significantly improve the reliability of solder joints, especially under conditions of high temperature stress, e.g. at operating temperatures of more than 120°C. Soft solders are usually applied in the form of solder pastes for the solder connection of a surface-mounted component (surface-mounted device - SMD). However, the effect of the micro-alloys is ineffective for components that are already pre-soldered with a standard solder, such as Ball Grid Arrays (BGA). This is a form of housing for integrated circuits in which the connections for the SMD assembly are compact on the underside of the component. When using such BGAs, the micro-alloyed solder of the solder paste is greatly diluted in the standard solder of the BGAs, so that the micro-alloyed elements are not sufficiently effective in forming the solder joint.
  • BGA Ball Grid Arrays
  • the article “Optimizing Solder Paste Volume for Low-temperature Reflow of BGA Packages” (Keith S. et al., in SMT007 Magazine, Volume 34, July 2019, Number 7, pages 14-16, via: http://iconnect007.uberflip.com/smt007- magazine/smt007-july2019) describes how solder joints can be made mechanically stronger by using a Standard solder of a BGA is partially mixed with a solder paste during the soldering process, with part of the standard solder remaining unmixed after the soldering process and only another part of the standard solder entering into a new alloy with the solder paste. This has advantages for the mechanical strength of the new solder joint.
  • Sn-Bi alloy solder pastes which have a component concentration near the eutectic region, which has a melting point of approximately 139 °C. Methods are described in the document to calculate the final composition of the solder joint; however, there is no provision to define a final composition of the target alloy and to calculate the composition of a master solder alloy based on the desired target alloy and the volume of the solder to be applied in order to obtain this target alloy. Neither is it intended to completely melt the standard solder of a BGA and to achieve a predominant to complete mixing of the standard solder and the solder paste.
  • the object of the present invention is to obtain a reliable micro-alloyed soldered connection with an alloy to be specified, even when using components with pre-soldered connection points (BGA).
  • a solder master alloy with the features of claim 6 is used, which has an increased concentration of micro-alloying elements.
  • the master alloy mixes with the pre-soldered standard alloy and after soldering, a desired micro-alloyed target alloy is finally present in the soldered joint.
  • the new method for achieving a reliable solder connection between at least one electronic component with pre-soldered leads (BGA) and a printed circuit board in surface mount consists of the following steps:
  • Predominant mixing is understood to mean that the standard solder of the pre-soldered connection point is completely or almost completely melted during the soldering process, as is the pre-alloy of the applied solder and that both solders mix predominantly or completely during the soldering process in order to form the target alloy.
  • the volume of the solder balls is determined to determine the volume of the pre-soldered connection points of the electronic component (BGA).
  • Solder balls with a diameter of 0.6 mm have a volume of 0.113 mm 3 , for example.
  • Known standard solder alloys for pre-soldered connection points of the electronic component (BGA) are based on tin-silver-copper.
  • An SnAg3.0Cu0.5 alloy or an SnAg3.0Cu0.7 alloy is preferably used, the melting points of which are approx. 217-221.degree.
  • Proven alloys can be used to determine the desired composition of a micro-alloyed target alloy for the soldered joint to be achieved between the component and the printed circuit board.
  • a micro-alloyed target alloy is the Innolot alloy SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sbl.5Ni0.15.
  • the determination of the volume of solder to be applied for each intended connection (pad) on the printed circuit board takes into account a proportion of flux. For example, if the solder is a solder paste and contains a flux in addition to the solder master alloy, this must be taken into account when determining the volume. With a volume fraction of, for example, 50% by volume of flux, only 50% by volume of the solder master alloy is then contained in the solder that is printed on the printed circuit board.
  • a printed circular area of 0.28 mm 2 with a thickness of 0.1 mm would result, i.e. a volume of printed solder paste per connection of 0.028 mm 3 , which corresponds to a volume of 0.014 mm 3 with a volume proportion of 50 vol% solder master alloy.
  • the ratio of the volume fraction of the solder master alloy in a pad compared to the volume of the solder ball present on the component is 1:8.
  • the master alloy can also be used as a solid preform, e.g. as a stamped part or wire.
  • Such preforms can contain a proportion of flux or consist only of the solder master alloy. If the preform consists only of the solder master alloy, flux is added separately during soldering. This can also be a fluid flux, such as a gas with a reducing effect on the oxide layer of a solder. Gas mixtures that can easily be reduced are, for example, forming gases.
  • the established or specified compositions of the standard solder alloy and the desired target alloy are used, for example SnAg3.0Cu0.5 alloy for the standard solder alloy of the solder balls and SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sbl.5Ni0.15 for the target alloy of the soldered connection and taking into account the volume of the standard solder alloy and the volume of solder to be applied, the individual alloy parts calculated for the master alloy.
  • the soldering paste of the pre-alloy and the soldering balls are mixed, for example, in a volume ratio of 1:8 for a pad with a diameter of 0.6 mm with a 0.1 mm thick stencil and a soldering ball with a diameter of 0.6 mm.
  • the calculation of the master alloy is based on the following assumptions. To calculate the mixture, the alloy composition, which is given in mass percent, must first be converted into volume percent using density. From the volume fractions of the target alloy and the standard alloy of the solder ball, the volume fractions of all elements of the master alloy can be calculated as unknowns. These must then be converted back into mass percentages. The results of the method described give values that would be exact if all elements were completely soluble in the solid state and there is no phase change.
  • VI is the volume of the solder balls and V2 is the volume of the master alloy pads:
  • solder master alloys For other micro-alloyed target alloys of the soldered connection, other compositions for the solder master alloys result according to the calculation method described above. These are, in particular, tin-silver-copper-based solder master alloys which contain at least one or more of the following additional elements such as bismuth (Bi), antimony (Sb) and nickel (Ni). Here, the proportions of the additional elements are higher than those of the target alloy.
  • the solder master alloys contain in particular: - 0 to 10 wt% Ag
  • solder powders can be used for the advantageous production of the solder master alloys. These are in particular: SnSb5, SnSb lO, SnBi58, SnCuO,7, SnNi5, Ni, Ag, Cu.
  • a Sn71.1Cu0.1Bi25.5Sb2.8Ni0.5 master alloy is obtained by mixing soft solder powder of, for example, 30% SnSblO and 40% SnBi58 and 20% SnCuO.7 and 10% SnNi5.
  • a Sn65.4 Ag9.4Cu2.3Bil5.8Sb6.0Ni 1.1 master alloy is obtained by mixing soft solder powder of, for example, 65% SnSblO and 25% SnBi58 and 1% Ni and 7% Ag and 2% Cu.
  • solder master alloys for micro-alloyed solder joints, with the last-mentioned Sn65.4Ag9.4Cu2.3Bil5.8Sb6.0Nil.1 master alloy approximately leading to a target alloy SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sbl.5Ni0.15 in the solder joint, which corresponds to the Innolot alloy.
  • solder Before soldering, the solder is applied to the designated connections (pads) on the printed circuit board, for example by printing solder paste with the previously specified volume of solder. Furthermore, the use of solid solder preforms is possible. The at least one component with the pre-soldered connection points is then placed on the printed circuit board.
  • soldering process begins.
  • the pre-soldered connection points of the components e.g. Solder balls are surrounded by an oxide layer, which does not melt due to the soldering temperature of approx. 260 °C.
  • This oxide layer has to be broken down chemically.
  • the flux is used for this purpose, which reduces the oxide layer and thus exposes the standard soldering alloy. So that the applied solder master alloy of the solder can mix with the standard solder alloy of the pre-soldered connection points, it must be ensured that sufficient flux ensures that the solder balls are kept free of oxides until the solder master alloy, which was melted first, has gradually largely mixed with the standard solder alloy of the solder ball.
  • the solder master alloy has sufficient time to diffuse into the standard solder alloy. It has been shown here that it is advantageous to use 10 times the amount of flux than would be necessary, for example, to remove the oxide layer of the solder balls. This ensures that there are no cold solder joints, i.e. unconnected areas. If, for example, a solder paste with a flux is used as the solder, fluxes that comprise a multimeric resin are preferred. Such a resin remains at the soldering point for a long time and effectively keeps the solder master alloy melt on the solder ball, so that the solder ball and the solder master alloy can be predominantly mixed.
  • a soldered connection is created between the electronic component and the printed circuit board with a composition that corresponds to the desired micro-alloyed target alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) und einer Leiterplatte bei der Oberflächenmontage. Hierfür wird eine Lotvorlegierung verwendet, welche eine erhöhte Konzentration an Mikrolegierungselementen besitzt. Die Lotvorlegierung vermischt sich beim Löten mit der vorbeloteten Standardlegierung und nach dem Löten wird eine Lötverbindung mit einer gewünschten mikrolegierten Ziellegierung erhalten.

Description

Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung und Vorlegierungen hierfür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen zwei elektronischen Bauteilen und Vorlegierungen auf der Basis von Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen hierfür.
Mikrolegierte Weichlote für Lötverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen sind aus EP 1 617 968 B l bekannt und haben sich bewährt. Diese Weichlote können die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen, insbesondere unter Bedingungen einer Hochtemperaturbeanspruchung, z.B. bei Betriebstemperaturen von größer 120°C, deutlich verbessern. Weichlote werden für die Lötverbindung eines oberflächenmontierten Bauelements (Surfacemounted device - SMD) üblicherweise in Form von Lotpasten aufgetragen. Der Effekt der Mikrolegierungen ist allerdings bei Bauelementen unwirksam, die bereits mit einem Standardlot vorbelotet sind, wie z.B. Kugelgitteranordnungen (Ball Grid Arrays - BGA). Dies ist eine Gehäuseform von Integrierten Schaltungen, bei der die Anschlüsse für die SMD-Bestückung kompakt auf der Unterseite des Bauelements liegen. Bei der Verwendung solcher BGAs wird das mikrolegierte Lot der Lotpaste in dem Standardlot der BGAs stark verdünnt, so dass die Mikrolegierungselemente bei der Bildung der Lötverbindung nicht ausreichend wirksam werden.
In dem Artikel “Optimizing Solder Paste Volume for Low-temperature Reflow of BGA Packages” (Keith S. et al., in SMT007 Magazine, Volume 34, Juli 2019, Nummer 7, Seiten 14-16, über: http://iconnect007.uberflip.com/smt007- magazine/smt007-july2019) wird beschrieben, wie Lotverbindungen mechanisch widerstandsfähiger gemacht werden können, indem man ein Standardlot einer BGA mit einer Lotpaste beim Lötvorgang teilweise vermischt, wobei ein Teil des Standardlots nach dem Lötvorgang unvermischt erhalten bleibt und nur ein anderer Teil des Standardlots mit der Lotpaste eine neue Legierung eingeht. Dies hat Vorteile für die mechanische Festigkeit der neuen Lotverbindung. Es werden Lotpasten aus einer Sn-Bi-Legierung empfohlen, die von der Konzentration der Komponenten her nahe dem eutektischen Bereich angeordnet sind, der einen Schmelzpunkt von ungefähr 139 °C aufweist. In dem Dokument sind Methoden beschrieben, wie die endgültige Zusammensetzung der Lotverbindung berechnet werden kann; es ist jedoch nicht vorgesehen eine endgültige Zusammensetzung der Ziellegierung festzulegen und die Zusammensetzung einer Lotvorlegierung anhand der gewünschten Ziellegierung und des Volumens des aufzubringenden Lotmittels zu berechnen um diese Ziellegierung zu erhalten. Ebenso wenig ist vorgesehen das Standardlot einer BGA vollständig aufzuschmelzen und eine überwiegende bis vollständige Durchmischung des Standardlots und der Lotpaste zu erzielen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässige mikrolegierte Lötverbindung mit festzulegender Legierung auch bei der Verwendung von Bauteilen mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) zu erhalten.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hierfür wird eine Lotvorlegierung mit den Merkmalen von Anspruch 6 verwendet, welche eine erhöhte Konzentration an Mikrolegierungselementen besitzt. Die Lotvorlegierung vermischt sich beim Löten mit der vorbeloteten Standardlegierung und nach dem Löten stellt sich schließlich eine gewünschte mikrolegierte Ziellegierung in der Lötverbindung ein.
Das neue Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) und einer Leiterplatte bei der Oberflächenmontage enthält folgende Schritte:
• Feststellung des Volumens und der Zusammensetzung der vorbeloteten Anschlussstellen des elektronischen Bauteils als Volumen und Zusammensetzung der Standardlotlegierung, • Festlegung der gewünschten Zusammensetzung einer mikrolegierten Ziellegierung für die zu erzielende Lötverbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte,
• Festlegung des aufzutragenden Volumens an Lotmittel je vorgesehenem Anschluss (Pad) auf der Leiterplatte, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Anteils an Flussmittel,
• Bestimmen der Zusammensetzung einer Lotvorlegierung für das aufzutragende Lotmittel bei der Oberflächenmontage, nämlich aus den festgestellten bzw. festgelegten Zusammensetzungen der Standardlotlegierung und der gewünschten Ziellegierung unter Berücksichtigung des Volumens der Standardlotlegierung sowie des aufzutragenden Volumens an Lotmittel,
• Erzeugen einer Lotvorlegierung mit der vorbestimmten Zusammensetzung,
• Erzeugen eines Lotmittels aus der Lotvorlegierung und gegebenenfalls dem Anteil an Flussmittel,
• Aufbringen des festgelegten Volumens an Lotmittel auf die vorgesehenen Anschlüsse (Pads) der Leiterplatte,
• Aufsetzen des mindestens einen Bauteils auf die Leiterplatte,
• Verbinden des Bauteils mit der Leiterplatte durch Löten, o wobei das verwendete Flussmittel die Anschlussstelle des elektronischen Bauteils umgibt und eine Oxidschicht an der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils beseitigt und o wobei durch die verwendete Prozesstemperatur die Standardlotlegierung und Lotvorlegierung schmelzen und eine überwiegende Durchmischung von Standardlotlegierung der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils und der Vorlegierung des aufgetragenen Lotmittels erfolgt, bevor die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte entsteht,
• wobei vorzugsweise eine Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte mit einer Zusammensetzung entsteht, welche der gewünschten mikrolegierten Ziellegierung entspricht. Unter überwiegender Durchmischung wird verstanden, dass das Standardlot der vorbeloteten Anschlussstelle vollständig oder nahezu vollständig beim Lotvorgang aufgeschmolzen wird ebenso wie die Vorlegierung des aufgetragenen Lotmittels und dass sich beim Lotvorgang beide Lote überwiegend oder vollständig durchmischen um die Ziellegierung zu bilden.
Zur Feststellung des Volumens der vorbeloteten Anschlussstellen des elektronischen Bauteils (BGA) wird das Volumen der Lotkugeln bestimmt. Lotkugeln mit einem Durchmesser von 0,6 mm weisen beispielsweise ein Volumen von 0,113 mm3 auf. Bekannte Standardlotlegierungen für vorbelotete Anschlussstellen des elektronischen Bauteils (BGA) sind auf Zinn-Silber- Kupfer-Basis. Vorzugsweise wird eine SnAg3,0Cu0,5-Legierung oder eine SnAg3,0Cu0,7-Legierung verwendet, deren Schmelzpunkte bei ca. 217 - 221 °C liegen.
Zur Festlegung der gewünschten Zusammensetzung einer mikrolegierten Ziellegierung für die zu erzielende Lötverbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte kann auf bewährte Legierungen zurückgegriffen werden. Ein Beispiel für eine solche mikrolegierte Ziellegierung ist die Innolot-Legierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15.
Die Festlegung des aufzutragenden Volumens an Lotmittel für jeden vorgesehenen Anschluss (Pad) auf der Leiterplatte erfolgt unter Berücksichtigung eines Anteils an Flussmittel. Wenn das Lotmittel beispielsweise eine Lotpaste ist und neben der Lotvorlegierung ein Flussmittel enthält, so ist dies bei der Bestimmung des Volumens zu berücksichtigen. Bei einem Volumenanteil von z.B. 50 Vol% Flussmittel sind dann auch nur 50 Vol% Lotvorlegierung in dem Lotmittel enthalten, welches auf die Leiterplatte gedruckt wird. Bei einem bekannten Lotpastendruck mit einer Lotpastenschablone, welche beispielsweise eine Dicke von 100 pm und einen runden Öffnungsdurchmesser von 0,6 mm aufweist, was der aufgedruckten Pastendicke und der aufgedruckten Fläche entspricht, würde sich eine aufgedruckte Kreisfläche von 0,28 mm2 mit einer Dicke von 0, 1 mm ergeben, d.h. einem Volumen an aufgedruckter Lotpaste je Anschluss von 0,028 mm3, was bei einem Volumenanteil von 50 Vol% Lotvorlegierung, dann einem Volumen von 0,014 mm3 entspricht. Das Verhältnis des Volumenanteils der Lotvorlegierung in einem Pad im Vergleich zum Volumen der am Bauteil vorhandenen Lotkugel beträgt in diesem Beispiel 1 : 8.
Die Vorlegierung kann auch als feste Preform, z.B. als Stanzteil oder Draht verwendet werden. Solche Preformen können einen Anteil an Flussmittel enthalten oder nur aus der Lotvorlegierung bestehen. Besteht die Preform nur aus der Lotvorlegierung, wird beim Löten separat Flussmittel zugeführt. Dies kann auch ein fluides Flussmittel sein, wie beispielsweise ein Gas mit reduzierender Wirkung auf die Oxidschicht eines Lotes. Leicht reduzierbare Gasgemische sind beispielsweise Formiergase.
Zur Bestimmung der Zusammensetzung der Lotvorlegierung für das aufzutragende Lotmittel bei der Oberflächenmontage werden nun die festgestellten bzw. festgelegten Zusammensetzungen der Standardlotlegierung und der gewünschten Ziellegierung herangezogen, beispielsweise SnAg3,0Cu0,5-Legierung für die Standardlotlegierung der Lotkugeln und SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15 für die Ziellegierung der Lötverbindung und unter Berücksichtigung des Volumens der Standardlotlegierung sowie des aufzutragenden Volumens an Lotmittel die einzelnen Legierungsanteile für die Vorlegierung berechnet. Die Mischung der Lotpaste der Vorlegierung und der Lotkugeln erfolgt beispielsweise im Volumenverhältnis 1:8 bei einem Pad im Durchmesser von 0,6 mm mit einer 0,1 mm dicken Schablone und einer Lotkugel mit einem Durchmesser von 0,6 mm. Die Berechnung der Vorlegierung beruht dabei auf folgenden Annahmen. Zur Berechnung der Mischung muss zunächst die Legierungszusammensetzung, die in Masse-Prozent angegeben wird, in Volumen-Prozent mit Hilfe der Dichte umgerechnet werden. Aus den Volumenanteilen der Ziellegierung und der Standardlegierung der Lotkugel können die Volumenanteile aller Elemente der Vorlegierung als Unbekannte errechnet werden. Diese müssen dann anschließend wieder in Masse-Prozente umgerechnet werden. Die Ergebnisse der beschriebenen Methode ergeben Werte, die dann exakt wären, wenn alle Elemente im festen Zustand vollständig löslich sind und es zu keinem Phasenwechsel kommt. Bei einer komplexen 6-Stoff- Legierung sind aber die Dichten und Anteile der verschiedenen möglichen Phasen nicht genau bestimmbar, so dass nur von einer abgeschätzten mittleren Dichte der Gesamtlegierung ausgegangen werden kann. In der nachfolgenden Berechnungsformel ist VI das Volumen der der Lotkugeln und V2 das Volumen der Vorlegierungspads:
Figure imgf000007_0001
Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dichten der Legierungselemente (Sn, Ag, Cu, Bi, Sb, Ni) ergibt sich für die Lotvorlegierung der Lotpaste folgende Legierungszusammensetzung: Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,lSbl2,5Nil,3
Eine Lotpaste mit dieser Zusammensetzung
(Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,lSbl2,5Nil,3) der Vorlegierung besitzt aufgrund des hohen Bismut- Anteils einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Standardlot. Nach dem Lötprozess ergibt sich durch die Mischung mit dem Standardlot (SnAg3,0Cu0,5) der Lotkugel der BGAs im Verhältnis 1 : 8 die gewünschte Ziellegierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15 mit den gewünschten Eigenschaften für die resultierende Lötverbindung.
Für andere mikrolegierte Ziellegierungen der Lötverbindung ergeben sich nach der vorbeschriebenen Berechnungsmethode andere Zusammensetzungen für die Lotvorlegierungen. Dies sind insbesondere Lotvorlegierung auf Zinn-Silber- Kupfer-Basis, welche mindestens eins oder mehrere der nachfolgende Zusatzelemente wie Bismut (Bi), Antimon (Sb) und Nickel (Ni) enthalten. Hierbei liegen die Anteile der Zusatzelemente bei höheren Werten als der Ziellegierung. Die Lotvorlegierungen enthalten insbesondere: - 0 bis 10 Gew% Ag
- 0 bis 10 Gew% Cu
- 0 bis 30 Gew% Bi
- O bis 15 Gew% Sb
- 0 bis 2 Gew% Ni
- Rest Sn.
Zur vorteilhaften Herstellung der Lotvorlegierungen lassen sich marktübliche Weichlotpulver verwenden. Dies sind insbesondere: SnSb5, SnSb lO, SnBi58, SnCuO,7, SnNi5, Ni, Ag, Cu.
Durch Vermischen von Weichlotpulver beispielsweise 50 % SnSb5 und 50 % SnBi58 erhält man eine Sn66Bi3 lSb2-Vorlegierung.
Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 30 % SnSblO und 40 % SnBi58 und 20% SnCuO,7 und 10% SnNi5 erhält man eine Sn71, lCu0, lBi25,5Sb2,8Ni0, 5- Vorlegierung.
Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 65 % SnSblO und 25 % SnBi58 und 1% Ni und 7 % Ag und 2 % Cu erhält man eine Sn65, 4 Ag9,4Cu2,3Bil5,8Sb6,0Ni 1, 1 -Vorlegierung.
Alle drei zuletzt genannten Pulver-Zusammensetzungen ergeben Lotvorlegierungen für mikrolegierte Lötverbindungen, wobei die zuletzt genannte Sn65,4Ag9,4Cu2,3Bil5,8Sb6,0Nil, l-Vorlegierung annähernd zu einer Ziellegierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0, 15 in der Lotverbindung führt, welche der Innolot-Legierung entspricht.
Vor dem Verlöten wird das Lotmittel auf die vorgesehenen Anschlüsse (Pads) der Leiterplatte aufgebracht, z.B. durch Lotpastendruck mit dem vorher festgelegten Volumens an Lotmittel. Des Weiteren ist die Verwendung fester Lotmittel-Preformen möglich. Anschließend wird das mindestens eine Bauteil mit den vorbeloteten Anschlussstellen auf die Leiterplatte aufgesetzt.
Danach beginnt der eigentliche Lötvorgang. Die vorbeloteten Anschlussstellen der Bauteile, z.B . Lotkugeln, sind von einer Oxidschicht umgeben, welche durch die angewendete Löttemperatur von ca. 260 °C nicht schmelzen. Diese Oxidschicht muss chemisch aufgebrochen werden. Hierzu dient das Flussmittel, welches die Oxidschicht reduziert und damit die Standardlötlegierung freilegt. Damit sich die aufgebrachte Lotvorlegierung des Lotmittels mit der Standardlotlegierung der vorbeloteten Anschlussstellen vermischen kann, muss sichergestellt sein, dass ausreichend Flussmittel dafür sorgt, dass die Lotkugeln von Oxiden solange freigehalten werden bis die zuerst geschmolzene Lotvorlegierung sich nach und nach mit der Standardlotlegierung der Lotkugel überwiegend vermischt hat. Wird beispielsweise die Lotkugel mit einer ausreichenden Flussmittelmenge umgeben, so hat die Lotvorlegierung ausreichend Zeit in die Standardlotlegierung zu diffundieren. Es hat sich hierbei gezeigt, dass es vorteilhaft ist die 10-fache Menge an Flussmittel einzusetzen als beispielsweise für das Entfernen der Oxidschicht der Lotkugeln notwendig wäre. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine kalten Lötstellen, also unverbundene Bereiche, entstehen. Wird beispielsweise als Lotmittel eine Lotpaste mit einem Flussmittel verwendet, so sind solche Flussmittel bevorzugt, welche ein multimeres Harz umfassen. Ein solches Harz verbleibt lange an der Lötstelle und hält quasi die Lotvorlegierungsschmelze an der Lotkugel, so dass eine überwiegende Durchmischung der Lotkugel und der Lotvorlegierung erfolgen kann.
Es entsteht eine Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte mit einer Zusammensetzung, welche der gewünschten mikrolegierten Ziellegierung entspricht.

Claims

Ansprüche Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) und einer Leiterplatte bei der Oberflächenmontage
• Feststellung des Volumens und der Zusammensetzung der vorbeloteten Anschlussstellen des elektronischen Bauteils als Volumen und Zusammensetzung der Standardlotlegierung,
• Festlegung der gewünschten Zusammensetzung einer mikrolegierten Ziellegierung für die zu erzielende Lötverbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte,
• Festlegung des aufzutragenden Volumens an Lotmittel je vorgesehenem Anschluss (Pad) auf der Leiterplatte, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Anteils an Flussmittel,
• Bestimmen der Zusammensetzung einer Lotvorlegierung für das aufzutragende Lotmittel bei der Oberflächenmontage, nämlich aus den festgestellten bzw. festgelegten Zusammensetzungen der Standardlotlegierung und der gewünschten Ziellegierung unter Berücksichtigung des Volumens der Standardlotlegierung sowie des aufzutragenden Volumens an Lotmittel,
• Erzeugen einer Lotvorlegierung mit der vorbestimmten Zusammensetzung,
• Erzeugen eines Lotmittels aus der Lotvorlegierung und gegebenenfalls dem Anteil an Flussmittel,
• Aufbringen des festgelegten Volumens an Lotmittel auf die vorgesehenen Anschlüsse (Pads) der Leiterplatte,
• Aufsetzen mindestens eines Bauteils auf die Leiterplatte,
• Verbinden des Bauteils mit der Leiterplatte durch Löten, o wobei das verwendete Flussmittel die Anschlussstelle des elektronischen Bauteils umgibt und eine Oxidschicht an der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils beseitigt und o wobei durch die verwendete Prozesstemperatur die Standardlotlegierung und Lotvorlegierung schmelzen und eine überwiegende Durchmischung von Standardlotlegierung der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils und der Lotvorlegierung des aufgetragenen Lotmittels erfolgt, bevor die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte entsteht. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil Lotkugeln (Balls) einer Standardlotlegierung auf Zinn-Silber-Kupfer-Basis vorhanden sind, vorzugsweise eine SnAg3,0Cu0,5-Legierung oder eine SnAg3,0Cu0,7-Legierung, deren Schmelzpunkte bei ca. 217 - 221 °C liegen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmittel eine Lotpaste mit einem Volumenanteil von 30 bis 70 Vol% Lotvorlegierung ist, vorzugsweise von 50 Vol% Lotvorlegierung, wobei die Lotpaste bevorzugt auf die Leiterplatte gedruckt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Löten Flussmittel im Überschuss zugeführt wird, vorzugsweise die 10-fache Menge, die zum Aufbrechen der Oxidschicht der vorbeloteten Anschlussstellen notwendig ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotvorlegierung eine Zinn-Legierung, vorzugsweise eine Zinn-Silber- Kupfer-Legierung oder Zinn-Kupfer-Legierung ist, welche als Zusatzelemente mindestens ein Element ausgewählt aus Bismut (Bi), Antimon (Sb) und Nickel (Ni) enthält, wobei die Legierungsanteile so eingestellt sind, dass sich beim Verlöten mit Lotkugeln einer Standard- Lotlegierung eine Lötverbindung aus einer mikrolegierten Legierung ergibt. Lotvorlegierung, insbesondere für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus SnSblO, SnBi58, Ag, Cu und Ni, enthaltend ca. - 9,4 Gew% Ag
- 2,3 Gew% Cu
- 15,8 Gew% Bi
- 6,0 Gew% Sb
- 1,1 Gew% Ni
- Rest Sn. Lotvorlegierung gemäß Anspruch 6, enthaltend mindestens ein weiteres Zusatzlegierungselement, nämlich Germanium und/oder Seltene-Erden- Elemente. Verfahren zur Herstellung einer Lotvorlegierung, insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
• Festlegen der gewünschten Zusammensetzung der Lotvorlegierung,
• Bereitstellung von Weichlotpulvern, welche die Legierungselemente der zu erzielenden Lotvorlegierung enthalten,
• Bestimmen der Massenanteile der ausgewählten Weichlotpulver,
• Vermischen der bestimmten Massenanteile der ausgewählten Weichlotpulver zu einer Lotvorlegierung.
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