DE3738342A1

DE3738342A1 - Lot-zusammensetzung

Info

Publication number: DE3738342A1
Application number: DE19873738342
Authority: DE
Inventors: Wallace Rubin; Philip Stanley Hedges
Original assignee: Multicore Solders Ltd
Current assignee: Multicore Solders Ltd
Priority date: 1986-12-03
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1988-06-16
Also published as: GB2198676B; JPS63140792A; US4960236A; GB8728061D0; GB8628916D0; GB2198676A

Description

Die Erfindung betrifft eine Lot-Zusammensetzung und befaßt sich mit einer Lot-Paste, die sich für das Weichlöten von Elementen in der elektronischen Industrie eignet.

Lot-Paste ist eine homogene Mischung aus einer Weichlot-Legie rung in Puverform, die in einem flüssigen Medium dispergiert ist, das üblicherweise aus einem Flußmittel, einem organischen Lösungsmittel und einem Verdickungsmittel besteht, das dem Ge misch die gewünschte pastöse oder creme-artige Zusammensetzung verleiht.

Solche Lot-Pasten können auf Oberflächen oder eine Weichlötung erfordernde Stellen in mannigfaltiger Weise aufgebracht werden, etwa durch Siebdruck oder mittels einer Abgabevorrichtung, wie etwa einer Spritze.

In den letzten Jahren werden Lot-Pasten im verstärkten Umfang in der elektronischen Industrie verwendet, insbesondere bei der automatischen Herstellung von gedruckten Schaltungen, bei denen leitungslose elektronische Miniaturelemente auf die Ober fläche einer gedruckten Leiterplatte aufgebracht, auf die vorher eine Lot-Paste aufgebracht worden ist, beispielsweise durch Siebdruck, wobei die gedruckte Leiterplatte dann einer ausrei chend hohen Temperatur unterworfen wird, beispielsweise mittels eines erhitzten Förderbandes, um so eine Verflüssigung des Fluß mittels und der Lot-Legierung in der Paste zu bewirken, mit der Folge einer derartigen Berührung der elektronischen Elemente, daß beim nachfolgenden Abkühlen der Leiterplatte die Komponen ten auf der Leiterplatte aufgelötet sind.

Für diese Verwendung in der elektronischen Industrie ist es wünschenswert, für das Flußmittel der Lot-Paste ein Material zu verwenden, das nicht korrosionsanfällig ist und das nach der Erhitzung und der nachfolgenden Abkühlung nur zu solchen Fluß Rückständen führt, die ihrerseits nicht korrodieren und nicht leitend sind. Aus diesem Grund werden in den auf dem Markt er hältlichen Lot-Pasten meist Flußmittel auf Harzbasis verwendet, insbesondere, wenn es sich um Lot-Pasten für die Verwendung bei der Herstellung von elektronischen Bauteilen handelt, deren Komponenten auf eine Oberfläche aufgelötet werden müssen.

Andererseits werden aber auch aktivere Flußmittel verwendet, deren Rückstände jedoch korrodierend und leitend sind. Dabei ist es dann jedoch erforderlich, die Rückstände durch wässerige oder organische Lösungsmittel exakt zu entfernen, um sicherzustellen, daß der gelötete Schaltkreis nicht korrodiert.

Sowohl Lot-Pasten mit einem Flußmittel auf Harzbasis als auch solche mit einem der erwähnten aktiveren Flußmittel weisen je doch mehrere Nachteile auf.

Weil nicht-korrodierende Rückstände dazu neigen, klebrig zu sein, verhindern sie eine wiederholte automatische Prüfung des Schalt kreises. Auch können sie in ästhetischer Hinsicht unbefriedigend sein und müssen dann, wie die korrodierenden Flußmittel-Rück stände, entfernt werden. Diese Entfernung erfordert jedoch ei nen besonderen Arbeitsgang.

An zweiter Stelle ist zu bemerken, daß Flußmittel-Rückstände dazu neigen, hygroskopisch zu sein und damit verspritzen.

Als dritter Punkt kommt hinzu, daß manche Flußmittel es zulas sen, daß Lot-Teilchen in der Lot-Paste sich von der Lötstelle entfernen und Anlaß zur Bildung einer Anzahl diskreter kleiner Kügelchen aus Weichlot um die Lötverbindung herum geben, was zu elektrischen Kurzschlüssen führen kann.

Aufgrund der erwähnten Nachteile ist es wünschenswert und in einigen Fällen ganz wesentlich, beispielsweise um militärischen Anforderungen, etwa dem Reinheitstest gemäß MIL-P-28 809, zu ent sprechen, die Flußmittel-Rückstände sowie die erwähnten Lot-Kü gelchen soweit wie möglich zu entfernen. Diese Entfernung kann jedoch schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein, insbeson dere in Bereichen der Leiterplatte unterhalb der aufgesetzten elektronischen Komponenten.

Die Anmelderin hat nun festgestellt, daß eine im wesentlichen zu keinen Flußmittel-Rückständen führende Lot-Taste auch ohne Verwendung von Harz hergestellt werden kann, wenn als flüssiges Medium, in welchem die pulverförmige Weichlot-Legierung disper giert ist, ein im wesentlichen mit Wasser nicht mischbares orga nisches Lösungsmittel ist, wie etwa Terpineol, das als Flußmit tel zumindest eine organische Säure (ausgenommen Harz oder modi fiziertes Harz) oder Amine oder Amin-Halogenidsalze sowie zumin dest ein Verdickungsmittel enthält.

Gemäß der Erfindung wird somit eine Lot-Paste geschaffen, die sich zum Auflöten elektronischer Komponenten auf Leiterplatten eignet, wobei diese Lot-Paste eine feinverteilte Weichlot-Legie rung enthält, die in einem flüssigen Medium dispergiert ist, das im wesentlichen aus einem im wesentlichen in Wasser unmischba ren organischen Lösungsmittel besteht, das ein oder mehrere organische Säuren (außer Harz oder modifiziertes Harz) oder Amine oder Amin-Hydrohalogenidsalze als Flußmittel und ein oder mehrere Verdickungsmittel enthält.

Die Lot-Paste enthält im allgemeinen 70 bis 95 Gew-% Lot-Le gierung und 5 bis 30 Gew-% flüssiges Medium, das seinerseits im allgemeinen 0,2 bis 10 Gew-% Flußmittel und 0,1 bis 10 Gew-% Verdickungsmittel enthält.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Lot-Paste außerdem ein flüchtiges Amin, das mit einem Säure-Überschuß zu reagieren vermag, der während des Lötvor gangs zurückbleibt, und/oder ein Geliermittel, das jede Ent färbung zu vermindern vermag, die durch metallische Reaktions produkte entsteht.

Lot-Pasten gemäß der Erfindung führen bei ihrer Verwendung zu minimalen oder zu überhaupt keinen Flußmittel-Rückständen und vermeiden die Erfordernisse von nachträglichen Reinigungsvorgängen. Insbesondere sind die gemäß der Erfindung hergestellten Lot- Pasten dazu fähig, bei ihrer Verwendung die strengen Anfor derungen des Reinheitstests gemäß MIL-P-28 809 zu erfüllen, und zwar ohne die Erfordernisse eines Waschens oder Reinigens der gelöteten elektronischen Schaltkreise. Sollte doch einmal eine Reinigung erforderlich sein, dann ist diese vergleichswei se einfach durchzuführen.

Die bei der Herstellung der Lot-Tasten nach der Erfindung ver wendbaren organischen Säuren sind aliphatische Carboxylsäuren, beispielsweise Propyonsäure, Oxalsäure, Adipinsäure, Oxybern steinsäure, Maleinsäure und Zitronensäure, sowie aromatische Carbonsäuren, beispielsweise Salicylsäure.

Vorzugsweise sind als Flußmittel in der Lot-Paste zwei oder mehr aliphatische Carbonsäuren vorhanden, beispielsweise Oxy bernsteinsäure und Adipinsäure.

Andere organische Säuren, die verwendet werden können, sind Sulfonsäuren, beispielsweise Methylsulfonsäure und Toluolsul fonsäure. Verwendbare Amine und Aminhydrohalogensalze sind Alcyl- und Cycloalcylamine und aromatische Amine sowie die Hydrohalogensalze solcher Amine, beispielsweise Diäthylamin, Triäthylamin, Cyclohexylamin, N-Methylanilin und dessen ent sprechende Hydrohalogenide, wie etwa Triäthylamin-Hydrobromid.

Verwendbare, im wesentlichen im Wasser unlösliche organische Lösungsmittel sind einwertige Hydrate, beispielsweise Terpineol, und Ester, beispielsweise 2-Ethoxyäthylazetat. Diese Lösungs mittel haben einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt und einen Siedepunkt unterhalb der Löttemperatur und besitzen außer dem eine geringe Feuchtigkeits-Absorption. Diese Lösungsmittel können mit mehrwertigen Hydraten vermischt werden, etwa Glykolen, beispielsweise Diäthylglykol, Dipropylenglykol oder Hexylen glykol, oder mit Estern, beispielsweise Triäthylenglykol-Mono äthylester oder Tetraäthylen-Glykoldimethylester, vorausge setzt, daß die Mischung die oben angegebenen Anteilswerte er füllt.

Als Verdickungsmittel kann ein solches verwendet werden, wie es üblicherweise bei der Herstellung von Lot-Pasten verwendet wird, wie etwa beispielsweise Äthylzellulose oder Rizinusöl. Vorteilhafterweise werden zwei oder mehrere Verdickungsmittel in der Paste vorgesehen, beispielsweise Äthylzellulose und hydriertes Rizinusöl.

Als flüchtige Amine, die bevorzugt in dem flüssigen Medium verwendet werden, können beispielsweise Morpholin oder Tribu thylamin dienen, während als Gelatiermittel, das ebenfalls vor zugsweise vorhanden sein soll, beispielsweise Benzotriazol oder Imidazol dienen kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das zur Bildung der Lot-Paste dienende flüssige Medium das organische Flußmittel in einem Anteil von 0,2 bis 10 Gew-% des flüssigen Mediums, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew-%, das Verdickungsmittel in einem Anteil von 0,1 bis 10 Gew-%, vorzugsweise 0,5 bis 5 Gew-%, das flüchtige Amin in einem Anteil von 0 bis 10 Gew-%, vorzugs weise von 0 bis 3 Gew-%, und das Gelatiermittel in einem Anteil von 0 bis 1 Gew-%, vorzugsweise 0 bis 0,5 Gew-% des flüssigen Mediums enthalten.

Die bei der Bildung der Lot-Paste nach der Erfindung verwendete pulverförmige Weichlot-Legierung kann aus Partikeln von bei spielsweise einer Zinn/Blei-Legierung, einer Zinn/Blei/Antimon- Legierung oder einer Zinn/Blei/Silber/Antimon-Legierung be stehen. Diese Legierungen können beispielsweise aus 60% Zinn/ 40% Blei, 63% Zinn/36,7% Blei/0,3% Antimon oder 62% Zinn/ 35,7% Blei/2% Silber/0,3% Antimon bestehen, wobei es sich hier um Gewichtsprozente handelt. Das Lot-Legierungspulver kann eine Teilchengröße im Bereich von beispielsweise 10 bis 150 Micron (µm), vorzugsweise 20 bis 100 Micron aufweisen.

Die Lot-Paste nach der Erfindung kann so hergestellt werden, daß in an sich bekannter, üblicher Weise das Weichlot-Legie rungspulver mit dem flüssigen Medium vermischt wird. Die sich dabei ergebende Paste enthält im allgemeinen 70 bis 95 Gew-% Lot-Legierung und 5 bis 30 Gew-% flüssiges Medium, vorzugsweise 75 bis 90 Gew-% Lot-Legierung und 10 bis 25 Gew-% flüssiges Me dium.

Die Herstellung des Weichlot-Legierungspulvers erfolgt im all gemeinen in einer inerten Gasatmoshäre, beispielsweise in Stick stoff, um so eine Oxidation der Legierungsteilchen zu vermeiden und eine Lot-Paste zu erhalten, die im wesentlichen frei (unter 0,1 Gew-%) von Oxyden ist, deren Anwesenheit sich nachteilig auf die Anbringung der elektronischen Komponenten auf die Leitertafel auswirken und zur Bildung von Lot-Kügelchen in der Lötungsumgebung führen würde.

Die nachfolgenden Beispiele erläutert die Herstellung der Lot- Paste nach der Erfindung.

BEISPIEL 1

Eine Legierung aus Zinn, Blei und Antimon im Gewichtsverhältnis 63% Zinn/36,7% Blei/0,3% Antimon wurde zu einem im wesent lichen oxidfreien, feinverteilten Pulver verarbeitet, dessen Teilchengröße zwischen 53 und 75 Micron betrug.

Das Legierungspulver wurde mit einem flüssigen Medium folgender Zusammensetzung vermischt,

Gew.-% Oxalsäure2,0 hydriertes Rizinusöl4,0 Morpholin1,2 Benzotriazol0,2 TerpineolAusgleich

wobei das Verhältnis zwischen Legierungspulver und flüssigem Medium so gewählt wurde, daß eine Lotpaste mit 90 Gew-% Weich lot-Legierung und 10 Gew-% flüssigem Medium entstand, wobei die Viskosität 500,000±10% Centipoise bei 20°C betrug.

Die auf diese Weise hergestellte Lot-Paste wurde dazu verwen det, leitungslose elektronische Komponenten auf der Oberfläche einer Leiterplatte zu befestigen. Die Lot-Paste wurde mit ei ner Schichtdicke von etwa 250 Micron mittels Siebdruck auf die Leiterplatte aufgebracht, worauf die elektronischen Komponenten, wie etwa Widerstände und Kondensatoren, an den gewünschten Stel len auf die mit der Lot-Paste beschichtete Leiterplatte aufge setzt wurde. Dabei wurden während des Herstellungsvorgangs die elektronischen Komponenten durch die Rest-Klebrigkeit der aufge brachten Lot-Paste an ihrem Ort festgehalten. Die Leiterplatte wurde dann auf eine Temperatur von 215°C erhitzt, welche Tempe ratur etwa 32°C über der Verflüssigungstemperatur der Weichlot- Legierung liegt, und zwar durch Hindurchleiten der Leiterplatte durch eine Infrarot-Heizzone, wodurch die Legierungsteilchen und das Flußmittel in der Lot-Paste geschmolzen wurden und damit die elektronischen Komponenten auf dem Schaltkreis festlöteten. Da raufhin erfolgte eine schnelle Abkühlung unter die Erstarrungs temperatur der Lot-Legierung, um so die elektronischen Komponen ten dauerhaft auf der Leiterplatte festzuhalten. Es zeigte sich, daß der Anteil an Flußmittel-Rückständen auf der verlöteten Lei terplatte so vernachlässigbar war, daß mit dem bloßen Auge nichts zu sehen war, und die Leiterplatte bestand ohne Abwaschen oder Reinigen den Test nach MIL-P-28 809.

BEISPIEL 2

Das Herstellungsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, je doch wies das flüssige Medium folgende Zusammensetzung auf:

Gew.-% Maleinsäure3,0 hydriertes Rizinusöl4,0 Terpineol50,0 DipropylenglykolAusgleich

Bei der Anwendung dieser Lot-Paste zur Befestigung elektroni scher Komponenten auf einer Leiterplatte in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise wurden sehr ähnliche Ergebnisse erhalten.

BEISPIEL 3

Das Herstellungsverfahren von Beispiel 3 wurde wiederum wie derholt, jedoch mit folgender Zusammensetzung des flüssigen Mediums:

Gew.-% Oxybernsteinsäure1 Adipinsäure2 Morpholin1,2 Benzotriazol0,2 Äthylzellulose3,0 hydriertes Rizinusöl1,0 Terpineol50,0 Triäthylenglykol
MonoäthylätherAusgleich

Bei der Verwendung dieser Paste zum Auflöten elektronischer Komponenten auf eine Leiterplatte in der im Beispiel 1 be schriebenen Weise wurden wiederum ähnliche Ergebnisse erhalten.

BEISPIEL 4

Das Herstellungsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederum wieder holt, jedoch mit folgender Zusammensetzung des flüssigen Mediums:

Gew.-% Cyclohexylamid3,0 Benzotriazol0,2 Äthylzellulose4,0 hydriertes Rizinusöl1,0 Triäthylenglykol
Monoäthyläther50,0 TerpineolAusgleich

BEISPIEL 5

Das Herstellungsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederum wie derholt, jedoch mit folgender Zusammensetzung des flüssigen Mediums:

Gew.-% Triäthylamin Hydrobromid1,5 Äthylzellulose3,0 hydriertes Rizinusöl2,0 Dipropylenglykol50,0 TerpineolAusgleich

Claims

1. Lot-Paste zur Verwendung beim Auflöten von elektronischen Bauelementen auf gedruckte Leiterplatten, gekennzeichnet durch eine feinverteilte Weichlot-Legierung, die in einem flüssigen Medium dispergiert ist, welches vor allem aus ei nem mit Wasser im wesentlichen nicht vermischbaren organischen Lösungsmittel besteht, das eine oder mehrere organische Säuren, mit Ausnahme von Harz oder modifiziertem Harz, Amine oder Amin- Hydrohalogenidsalze als Flußmittel sowie ein oder mehrere Ver dickungsmittel enthält.

2. Lot-Paste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Medium 0,2 bis 10 Gew-% Flußmittel und 0,1 bis 10 Gew-% Verdickungsmittel enthält.

3. Lot-Paste nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Paste 70 bis 95 Gew-% Lot-Legierung und 5 bis 30 Gew-% flüs siges Medium enthalten sind.

4. Lot-Paste nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste außerdem ein flüchtiges Amin enthält, das mit ei nem Säureüberschuß reagiert, der während des Lötvorgangs mit der Paste zurückbleibt, und/oder ein Geliermittel enthält, welches eine Entfärbung vermindert, die durch metallische Reaktionspro dukte entsteht.

5. Lot-Paste nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Morpholin als flüchtiges Amin und Benzotriozol als Geliermittel.

6. Lot-Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Flußmittel eine aliphatische Carboxylsäure ist.

7. Lot-Paste nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr aliphatische Carboxylsäuren das Flußmittel darstellen.

8. Lot-Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß zwei oder mehr Verdickungsmittel anwesend sind.

9. Lot-Paste nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdickungsmittel sowohl Äthylcellulose als auch hydrier tes Rizinusöl anwesend sind.

10. Lot-Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das im wesentlichen mit Wasser nicht vermischbare organische Lösungsmittel ein einwertiges Hydrat ist, gegebenen falls vermischt mit einem mehrwertigen Hydrat.

11. Lot-Paste nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das einwertige Hydrat Terpineol und das gegebenenfalls vorhan dene mehrwertige Hydrat Dipropylenglykol oder Triäthylenglykol- Monoäthyläther ist.