DE60119017T2

DE60119017T2 - Bleifreie,Zink enthaltende Lötpaste

Info

Publication number: DE60119017T2
Application number: DE60119017T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Kitakatsushika-gun Taguchi; Kunihito Mouka-shi Takaura; Masahiko Kashiba-shi Hirata; Hisahiko Ibaraki-shi Yoshida; Takashi Fushimi-ku Kyoto-shi Nagashima
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-02-02
Also published as: MY128285A; EP1142666B1; ATE324222T1; CN1162249C; US20020050305A1; DE60119017D1; CN1316312A; US6440228B1; EP1142666A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lötpaste und insbesondere eine bleifreie, Zink enthaltende Lötpaste, die ein Pulver aus einer Zink enthaltenden, bleifreien Lötlegierung gemischt mit einem Lötflussmittel umfasst.
Sn-Pb-Legierungen sind seit früher Zeit beim Löten verwendet worden und sie sind nach wie vor die populärsten Lötmetalle für das Löten von elektronischen Bauteilen auf Leiterplatten oder andere Substrate.
Sn-Pb-Legierungen weisen eine eutektische Zusammensetzung von ungefähr 63% Sn, wobei der Rest aus Pb besteht, auf. Diese Zusammensetzung hat eine niedrige Schmelztemperatur von 183°C, wodurch es ermöglicht wird, ein Löten in einem Temperaturbereich von 220°C bis 230°C, in welchem Bereich es keine substantiellen thermischen Schädigungen an wärmeempfindlichen elektronischen Bauteilen gibt, auszuführen. Die eutektische Sn-Pb-Legierung, die als eutektische Legierung bezeichnet wird, weist extrem gute Benetzbarkeit und Lötbarkeit auf, und da es bei dieser keinen Unterschied zwischen deren Liquidus- und Solidus-Temperaturen gibt (d.h. es gibt keinen Erstarrungstemperaturbereich), tritt die Erstarrung unverzüglich während des Lötens, wenn der Schmelzpunkt erreicht wird, auf. Als ein Ergebnis tritt, sogar wenn Vibrationen oder mechanische Schläge auf zu lötende Teile während des Lötens ausgeübt werden, kein Reißen oder keine Ablösung der resultierenden gelöteten Verbindungen auf.
Weggeworfene elektronische Geräte, einschließlich Fernsehgeräte, Radios, Audio- oder Videorecorder, Computer, Kopier- und Druckgeräte u.s.w., werden im Allgemeinen in Mülldeponien entsorgt, da solche Geräte aus verschiedenen Materialien, wie Kunstharzen, die für Gehäuse und Leiterplatten verwendet werden, und Metallen, die für Drähte und andere elektrische Verbindungen und Rahmen verwendet werden, bestehen, die für eine Entsorgung durch Verbrennung nicht geeignet sind.
In den letzten Jahren ist das Phänomen des sauren Regens aufgrund des Ausstoßes von Schwefeloxid in die Atmosphäre durch die intensive Verwendung von fossilen Brennstoffen, wie Benzin und Heizöl (Schweröl), zu einem ernsthaften Problem geworden. Saurer Regen dringt in den Boden ein und bewirkt die Auflösung der Lötmetalle, die in weggeworfenen elektronischen Geräten, die in den Deponien vergraben sind, vorhanden sind, wodurch eine Verunreinigung des Grundwassers mit Blei hervorgerufen wird. Wenn derartiges verunreinigtes Grundwasser von Menschen viele Jahre lang aufgenommen wird, kann die Anhäufung von Blei in deren Körpern zu einer Bleivergiftung (Saturnismus) führen.
Aus diesem Gesichtspunkt ist in der Elektronikindustrie angestrebt worden, eine bleifreie Lötlegierung zum Löten von elektronischen Bauteilen zu verwenden. Herkömmliche bleifreie Lötlegierungen sind auf Sn basierende Legierungen, wie Sn-Ag-, Sn-Sb-, Sn-Bi- und Sn-Zn-Legierungen.
Sn-Ag-Legierungen bilden eine eutektische Zusammensetzung von Sn-3,5Ag, aber die Schmelztemperatur, d.h. die eutektische Temperatur dieser Zusammensetzung, ist relativ hoch (221°C). Sogar wenn diese eutektische Zusammensetzung mit der niedrigsten Schmelztemperatur unter Sn-Ag-Legierungen als Lötlegierung verwendet wird, wird die Löttemperatur im Bereich von 260°C bis 270°C liegen, was thermische Schädigungen an wärmeempfindlichen elektronischen Bauteilen während des Lötens bewirken kann, wodurch deren Funktionen verschlechtert oder sogar vernichtet werden.
Von Sn-Sb-Legierungen hat eine Sn-5Sb-Legierung die niedrigste Schmelztemperatur, aber ihre Schmelztemperatur beträgt 235°C auf der Soliduslinie und 240°C auf der Liquiduslinie. Dementsprechend liegt ihre Löttemperatur im Bereich von 280°C bis 300°C, was nach wie vor höher als jene einer Sn-3,5Ag-Legierung ist, und thermische Schädigungen an wärmeempfindlichen elektronischen Vorrichtungen können nicht vermieden werden.
Sn-Bi-Legierungen haben eine eutektische Zusammensetzung von Sn-58% Bi mit einer Schmelztemperatur von 139°C, welche beträchtlich niedriger ist als jene des oben beschriebenen herkömmlichen eutektischen Sn-Pb-Lötmetalls (183°C). Dementsprechend können Sn-Bi-Legierungen vom Gesichtspunkt der Schmelztemperaturen aus als potentiell als bleifreie Lötmetalle verwendbar angesehen werden. Jedoch sind Sn-Bi-Legierungen zu spröde und hart, um die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit und Dehnung, die für Lötlegierungen erforderlich sind, zu erfüllen.
Sn-Zn-Legierungen haben eine eutektische Zusammensetzung von Sn-9% Zn mit einer Schmelztemperatur von 199°C. Diese eutektische Zusammensetzung ist vorteilhaft, indem ihre Schmelztemperatur nahe bei jener von herkömmlichem eutektischem Sn-Pb-Lötmetall (183°C) liegt. Ein anderer Vorteil von Sn-Zn-Legierungen besteht darin, dass ihre mechanischen Eigen schaften jenen von Sn-Pb-Legierungen überlegen sind. Sn-Zn-Legierungen weisen jedoch schlechte Lötbarkeit auf.
Um die Lötbarkeit von Sn-Zn-Legierungen zu verbessern und ihre mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern, sind verschiedene Lötlegierungen, welche auf einer Sn-Zn-Legierung basieren und ein oder mehrere zusätzliche Elemente, wie Ag, Cu, Bi, In, Ni und P, enthalten, vorgeschlagen worden.
Mit diesen verbesserten, auf Sn-Zn basierenden Lötlegierungen, welche ein oder mehrere zusätzliche Elemente enthalten, kann eine beträchtlich zufrieden stellende Lötbarkeit erzielt werden, solange diese Legierungen in Form von Lötdraht zum Löten mit einem Lötkolben zusammen mit einem geeigneten Lötflussmittel verwendet werden. Wenn diese auf Sn-Zn basierenden Lötlegierungen jedoch in Form einer Lötpaste, die eine Mischung eines Pulvers aus einer solchen Lötlegierung und einem Lötflussmittel in einem viskosen Fluid ist, verwendet werden, funktionieren sie nicht erfolgreich oder zeigen keine zufrieden stellende Lötbarkeit. So kann eine aus einer auf Sn-Zn basierenden Lötlegierung hergestellte Lötpaste während des Lötens Nicht-Benetzbarkeit oder Entnetzung bewirken, wodurch die Flächen eines Substrates, die gelötet werden sollen, durch das Lötmetall nicht vollständig benetzt werden und Lötmaterial-Kügelchen darauf aufweisen. Sogar wenn das Lötmetall anhand einer Sichtprüfung nur begrenzte Flächen, d.h. die mit Lötmetall bedruckten Flächen, gründlich zu benetzen scheint, kann es innerliche lochartige Hohlräume an der Grenzfläche zwischen dem Lötmetall und dem Substrat enthalten, wie festgestellt werden kann, wenn das Lötmetall abgezogen wird.
Die Lötbarkeit einer aus einer auf Sn-Zn basierenden Lötlegierung hergestellten Lötpaste kann verbessert werden, indem ein aktiviertes Flussmittel verwendet wird, welches einen starken Aktivator, welcher die Ausbreitung der geschmolzenen Lötlegierung wirksam verbessern kann, enthält. Der starke Aktivator kann jedoch mit Zink (Zn), welches in der Lötlegierung vorhanden ist, reagieren, wodurch dieses in einer kurzen Zeitspanne oxidiert oder korrodiert wird, und bewirken, dass das Lötmetall seine Metallnatur verliert, was zu einer signifikanten Verschlechterung der Lötbarkeit führt. Dementsprechend leidet eine aus einer auf Sn-Zn basierenden Lötlegierung oder andersartigen Zn enthaltenden Lötlegierung hergestellte Lötpaste (wobei eine solche Lötpaste im Folgenden als „Zn enthaltende Lötpaste" bezeichnet wird) nach Aufbewahrung für eine relativ kurze Zeitspanne im Allgemeinen unter dem Problem von nachteiligen Veränderungen mit der Zeit, d.h. Alterung.
Die nachteiligen Veränderungen mit der Zeit (im Folgenden als Alterung bezeichnet) einer Zn enthaltenden Lötpaste zeigen sich als eine Veränderung in der Viskosität. So weist eine Zn ent haltende Lötpaste unmittelbar nach ihrer Herstellung eine geeignete Viskosität auf, die es leicht macht, sie mit einem Spatel oder einem Rührstab zu verrühren, und die für einen Auftrag durch Siebdruck oder Abgabe mittels eines Spenders geeignet ist. Nachdem sie jedoch für eine bestimmte Zeitspanne in der Größenordnung von einer oder zwei Wochen aufbewahrt worden ist, weist sie aufgrund von Alterung eine erhöhte Viskosität auf und ist schwierig zu verrühren.
Wenn eine solche gealterte Lötpaste, welche eine erhöhte Viskosität aufweist, auf eine Leiterplatte durch Siebdruck oder mittels eines Spenders aufgetragen und dann in einem Reflow-Ofen erwärmt wird, schmilzt das Lötmetall möglicherweise nicht vollständig oder eine große Menge von Oxiden, die sich in der Lötlegierung gebildet hat, kann die Bildung von Lötmaterial-Kügelchen bewirken, wenn das Lötmetall schmilzt. Sogar bei einer frisch hergestellten Zn enthaltenden Lötpaste verteilt sich das geschmolzene Lötmetall möglicherweise nicht adäquat und es kann möglicherweise gute Lötbarkeit nicht erzielt werden, wenn das Reflow-Löten in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, wie Luft, ausgeführt wird. Dementsprechend muss ein Reflow-Löten in einer Inertgas-Atmosphäre ausgeführt werden, wodurch die Betriebskosten erhöht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Gegenstand der Erfindung, eine Zn enthaltende Lötpaste bereitzustellen, die weniger empfindlich gegenüber Alterung ist und eine verlängerte Lagerfähigkeit aufweist.
Es ist ein anderer Gegenstand der Erfindung, eine Zn enthaltende Lötpaste bereitzustellen, welche zufrieden stellende Lötbarkeit zeigt, wenn ein Reflow-Löten an der Luft ausgeführt wird.
Es ist festgestellt worden, dass das Hinzufügen einer Glycidylether-Verbindung zu einem Flussmittel, welches verwendet wird, um eine Zn enthaltende Lötpaste herzustellen, die Wirkung hat, die resultierende Lötpaste gegenüber einer Alterung zu stabilisieren und die Lötbarkeit der Lötpaste zu verbessern, obwohl der Mechanismus für diese Wirkung nicht eindeutig ermittelt worden ist.
Eine solche günstige Wirkung der Glycidylether-Verbindung auf die Stabilität und Lötbarkeit einer Lötpaste ist besonders bei Zn enthaltenden Lötpasten ausgeprägt, kann aber in einem gewissen Ausmaß auch bei anderen Lötpasten erzielt werden. So ist das Hinzufügen einer Glycidylether-Verbindung zu einem Flussmittel allgemein bei allen Arten von Lötpasten wirksam, um Alterung zu verzögern und Lötbarkeit zu verbessern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Lötpaste ein Pulver aus einer Lötlegierung, vorzugsweise einer bleifreien Lötlegierung, gemischt mit einem Lötflussmittel, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glycidylether-Verbindung zu dem Lötflussmittel hinzugefügt wird.
Insbesondere stellt die Erfindung eine bleifreie Lötpaste bereit, welche ein Pulver aus einer Zink enthaltenden, bleifreien Lötlegierung gemischt mit einem Lötflussmittel umfasst, (nämlich eine Zn enthaltende Lötpaste), welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Glycidylether-Verbindung zu dem Lötflussmittel vorzugsweise in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% basierend auf dem Lötflussmittel hinzugesetzt ist.
Die Glycidylether-Verbindung ist eine Verbindung, welche wenigstens eine Glycidylether-Gruppierung
in dem Molekül aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zn enthaltende Lötlegierung eine auf Sn-Zn basierende Legierung, einschließlich einer Sn-Zn-Legierung, und mehr bevorzugt eine Sn-Zn-Bi-Legierung.
Gemäß der Erfindung kann eine Zn enthaltende Lötpaste, von welcher angenommen worden ist, dass sie eine Lagerfähigkeit von ungefähr einer Woche aufweist, wenn sie bei 25°C oder darunter aufbewahrt wird, 4 Wochen oder länger ohne signifikante Alterung aufbewahrt werden, wodurch die praktische Verwendung von Zn enthaltenden Lötpasten vereinfacht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein Graph, welcher die Veränderung der Viskosität von Zn enthaltenden Lötpasten, die in den Beispielen hergestellt worden sind, als Funktion der Zeit während einer Aufbewahrung bei 25°C zeigt.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die Alterung einer herkömmlichen Zn enthaltenden Lötpaste während der Lagerung tritt aufgrund der hohen Reaktivität von Zn gegenüber einer Säure oder Lauge, die normalerweise in dem Flussmittel als ein Aktivator oder andersartiges Additiv vorhanden ist, auf, wodurch Zn in der Lötpaste selektiv korrodiert (oxidiert) wird. Die Zn enthaltende Lötlegierung liegt in einer Lötpaste in Form eines feinen Pulvers mit einer erhöhten Oberfläche vor, was die Korrosion von Zn beschleunigt. Das Hinzufügen einer Glycidylether-Verbindung zu dem Lötflussmittel, welches verwendet wird, um eine Zn enthaltende Lötpaste gemäß der Erfindung zu bilden, kann die Lötlegierung gegenüber einer Korrosion stabilisieren und die Alterung der Lötpaste verzögern.
Die Alterung einer Lötpaste zeigt sich als Verschlechterungen bei verschiedenen Eigenschaften der Lötpaste mit der Zeit. Insbesondere im Falle einer Zn enthaltenden Lötpaste können solche Verschlechterungen anhand einer Erhöhung der Viskosität der Lötpaste ausgewertet werden.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird die Lötbarkeit einer Lötpaste ausgewertet durch das Ausmaß an Ausbreitung und die Bildung von Lötmaterial-Kügelchen, wenn die Paste auf ein Substrat aufgetragen und in einem Reflow-Ofen an der Luft oder in einer andersartigen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erwärmt wird.
Wie zuvor beschrieben, sind diese Eigenschaften von herkömmlichen Sn-Zn-Lötlegierungen durch das Hinzufügen von einem oder mehreren Elementen, wie Ag, Bi, In, Ni und P, zu den Legierungen verbessert worden. Dieser Ansatz ist erfolgreich, wenn diese Legierungen in Form von Lötdraht zum Löten mit einem Lötkolben verwendet werden, ist aber nicht wirksam, wenn die Legierungen in Form von Lötpasten verwendet werden. Es war im Stand der Technik aufgrund von schneller Alterung und der damit einhergehenden Erhöhung der Viskosität und Verschlechterung der Lötbarkeit schwierig, eine Lötpaste zu verwenden, welche eine Sn-Zn- oder andersartige Zn enthaltende Lötlegierung umfasste. Die Erfindung kann die Alterung einer solchen Lötpaste wirksam verzögern und vereinfacht die praktische Verwendung davon.
Die in der erfindungsgemäßen Lötpaste verwendete Zn enthaltende Lötlegierung kann eine jegliche Zn enthaltende Lötlegierung sein, ist aber vorzugsweise eine auf Sn-Zn basierende Lötlegierung. Eine auf Sn-Zn basierende Lötlegierung besteht normalerweise hauptsächlich aus Sn (Zinn) und enthält Zn (Zink) und sie kann gegebenenfalls ein oder mehrere zusätzliche Legierungselemente enthalten. Nicht-einschränkende Beispiele von auf Sn-Zn basierenden Lötlegierungen umfassen Sn-Zn-Legierungen, wie eine Sn-9% Zn-Legierung, Sn-Zn-Bi-Legierungen, wie eine Sn-8% Zn-3% Bi-Legierung, Sn-Zn-Ag-Legierungen, wie eine Sn-9% Zn-0,2% Ag-Legierung, und Sn-Zn-Bi-Ag-Legierungen, wie eine Sn-8% Zn-11% Bi-0,1% Ag-Legierung.
Wie oben beschrieben, kann das Konzept der Erfindung auf andere Lötlegierungen, wie herkömmliche Sn-Pb-Lötlegierungen, Sn-Ag-Lötlegierungen und Sn-Bi-Legierungen, angewendet werden. So können Lötpasten aus diesen Lötlegierungen in Hinblick auf Alterung verbessert werden, indem eine Glycidylether-Verbindung zu dem Flussmittel, welches verwendet wird, um die Lötpaste herzustellen, hinzugefügt wird. Die Verbesserung ist jedoch besonders signifikant bei Zn enthaltenden Lötpasten, da sie, wie oben diskutiert, hochgradig empfindlich gegenüber einer Alterung sind.
Im Allgemeinen kann ein Pulver aus einer Lötlegierung, welche verwendet wird, um eine Lötpaste herzustellen, durch die Gasatomisierungs- oder Zentrifugalatomisierungstechnik hergestellt werden. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Pulvers liegt üblicherweise im Bereich von 200 bis 400 Mesh oder sogar darunter.
Das Lötflussmittel, das mit einem Pulver einer Zn enthaltenden Lötlegierung gemischt wird, um eine Lötpaste zu bilden, und zu welchem ein Glycidylether hinzugesetzt wird, ist nicht auf eine spezielle Klasse beschränkt und es kann das gleiche sein wie jene, die in herkömmlichen Lötpasten verwendet worden sind, d.h. jenen Pasten, welche ein Pulver aus einer eutektischen Sn-Pb-Lötlegierung enthalten.
Ein typisches Flussmittel, welches in einer Lötpaste verwendet wird, ist ein Harz-Flussmittel. Auch in der erfindungsgemäßen Lötpaste ist es bevorzugt, ein Harz-Flussmittel als ein Lötflussmittel zu verwenden, obwohl andere Lötflussmittel, insbesondere nicht-wasserlösliche Flussmittel, wie jene, die auf einem Kunstharz basieren, verwendet werden können.
Das im Rahmen der Erfindung verwendete Harz-Flussmittel ist vorzugsweise ein aktiviertes Harz-Flussmittel, welches einen Aktivator enthält. Ein aktiviertes Harz-Flussmittel umfasst ein Harz als einen Hauptbestandteil und geringere Mengen von einem Aktivator und gegebenenfalls einem oder mehreren anderen Additiven, wie einem Thixotropiermittel, wobei diese Bestandteile in einem Lösemittel gelöst sind. Das Harz kann ein natürliches Harz, welches auch als Kolophonium bezeichnet wird, oder ein modifiziertes Harz oder eine Mischung von diesen sein. Nützliche Aktivatoren sind Aminhydrohalogenide, insbesondere Aminhydrobromide, wie Diphenylguanidinhydrobromid, Cyclohexylaminhydrobromid, Triethanolaminhydrobromid und dergleichen, obwohl andere Aktivatoren verwendet werden können. Nicht-einschränkende Beispiele des Thixotropiermittels sind gehärtetes Rizinusöl und Fettsäureamide, wie Stearamid. Nicht-einschränkende Beispiele des Lösemittels sind α-Terpineol und Alkylenglycolether, wie Diethylenglycolmonohexylether.
Eine typische Zusammensetzung eines aktivierten Harz-Flussmittels auf Gewichtsbasis ist, wie folgt:
40%–60% eines Harzes und/oder eines modifizierten Harzes,
3%–8% eines Thixotropiermittels,
0,5%–3% eines Aktivators und
30%–50% eines Lösemittels.
Jeder dieser Bestandteile kann aus einer oder mehreren Verbindungen bestehen. In dem Harz-Flussmittel können andere Additive, einschließlich eines Coaktivators, wie einer organischen Halogenid-Verbindung, vorhanden sein.
Gemäß der Erfindung wird eine Glycidylether-Verbindung zu dem Lötflussmittel während oder nach der Herstellung des Flussmittels hinzugesetzt. Das Flussmittel wird dann gleichförmig mit einem Pulver aus einer Zn enthaltenden Lötlegierung gemischt, um eine Lötpaste herzustellen. Die resultierende Lötpaste weist verbesserte Beständigkeit gegenüber Alterung und verbesserte Lötbarkeit auf. So kann die Lötpaste für eine längere Zeitspanne, z.B. 4 Wochen oder mehr, ohne substantielle nachteilige Veränderungen, wie eine Zunahme der Viskosität, aufbewahrt werden und kann beim Reflow-Löten an der Luft verwendet werden, um zufrieden stellende gelötete Verbindungen herzustellen.
Die Glycidylether-Verbindung weist vorzugsweise die folgende allgemeine Formel (I):
in welcher R eine gesättigte oder ungesättigte, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe, die gegebenenfalls wenigstens eine Hydroxylgruppe enthalten kann, ist und n eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist, auf.
Die aliphatische Kohlenwasserstoffgruppe umfasst cyclische aliphatische Kohlenwasserstoffgruppen. Wenn R eine einwertige Gruppe ist, kann es eine Alkylgruppe, welche vorzugsweise 3 bis 20 Kohlenstoffatome aufweist, wie Propyl, n-Butyl, sek.-Butyl, Amyl, Hexyl, 2-Ethylhexyl, 2-Methyloctyl, Decyl, Dodecyl, Tridecyl oder Stearyl; eine Alkenylgruppe, wie Allyl; oder eine Arylgruppe, wie Phenyl, Naphthyl, Biphenyl oder Tolyl, sein.
Nicht-einschränkende Beispiele der Verbindung der Formel (I), welche eine einwertige Gruppe R aufweist (n = 1), umfassen Allylglycidylether, Propylglycidylether, n-Butylglycidylether, Phenylglycidylether, Biphenylglycidylether, Tolylglycidylether, 2-Ethylhexylglycidylether, sek.-Butylphenylglycidylether, 2-Methyloctylglycidylether, Dodecylglycidylether, Stearylglycidylether und dergleichen. Nicht-einschränkende Beispiele der Verbindung der Formel (I), welche eine mehrwertige Gruppe R aufweist (n ≥ 2), umfassen Ethylenglycoldiglycidylether, Sorbitolpolyglycidylether, Glyceroltriglycidylether, Trimethylolpropanpolyglycidylether und dergleichen.
Die Glycidylether-Verbindung wird zu dem Lötflussmittel vorzugsweise in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% bezogen auf das Flussmittel hinzugesetzt. Selbstverständlich können zwei oder mehr Glycidylether-Verbindungen zusammen in einer Gesamtmenge von 0,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% hinzugesetzt werden. Wenn die Menge geringer als 0,1 Gew.-% ist, kann eine substantielle Verbesserung bei der Alterungsbeständigkeit und bei der Lötbarkeit nicht erzielt werden. Die Zugabe von mehr als 5 Gew.-% der Glycidylether-Verbindung hat eine nachteilige Wirkung auf die Lötbarkeit. Die Glycidylether-Verbindung wird zu dem Flussmittel vorzugsweise in einer Menge von 1,0 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% und mehr bevorzugt 1,5 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% hinzugesetzt.
In der erfindungsgemäßen Lötpaste sind die Anteile des Lötflussmittels und des Pulvers der Zn enthaltenden Lötlegierung in einer Lötpaste nicht kritisch, sie liegen aber üblicherweise im Bereich von 5% bis 50% und bevorzugt von 5% bis 30% für das Lötflussmittel und von 95% bis 50% und vorzugsweise 95% bis 70% für das Lötlegierungspulver auf einer Gewichtsbasis.
Die erfindungsgemäße Zn enthaltende Lötpaste weist verbesserte Alterungsbeständigkeit auf. Sie kann dementsprechend eine längere Zeitspanne, wobei ihre Viskosität innerhalb eines solchen Bereichs bleibt, dass die Lötpaste durch Siebdruck oder mittels eines Spenders gleichmäßig aufgetragen werden kann, und ohne eine substantielle Verschlechterung der Lötbarkeit aufbewahrt werden. Als Ergebnis kann die gelagerte Lötpaste einem Reflow-Löten mit nur geringfügiger oder keinerlei Bildung von Lötmaterial-Kügelchen oder von Oxiden der Lötlegierung unterworfen werden, wodurch ein Reflow-Löten mit einer Zn enthaltenden Lötpaste auf eine verlässliche Weise erzielt wird.
Da eine Zn enthaltende Lötlegierung in der Lage ist, einen Schmelzpunkt nahe jenem der üblichsten eutektischen Sn-Pb-Lötlegierung aufzuweisen, können Zn enthaltende Lötpasten verwendet werden, um ein Reflow-Löten in einem Reflow-Ofen, der für ein Reflow-Löten mit herkömmlichen Sn-Pb-Lötpasten entworfen worden ist, auszuführen. Dementsprechend sind Zn enthaltende Lötpasten vorteilhaft, indem sie es ermöglichen, ein bleifreies Reflow-Löten in bestehenden Reflow-Löt-Anlagen auszuführen. Aufgrund ihrer kurzen Lagerfähigkeit von ungefähr einer Woche oder so war die Anwendung von Zn enthaltenden Lötpasten jedoch im Stand der Technik beschränkt gewesen. Die Erfindung kann diese Einschränkung von Zn enthaltenden Lötpasten beseitigen oder abmildern.
Die folgenden Beispiele werden aufgeführt, um die Erfindung weiter zu veranschaulichen. Diese Beispiele sollen in jeglicher Hinsicht als der Veranschaulichung dienend und nicht einschrän kend verstanden werden. In den Beispielen sind alle Prozentangaben auf das Gewicht bezogen, sofern nicht anders angegeben.
Beispiele
In jedem der folgenden Beispiele wurden Lötpasten bestehend aus 10% eines Lötflussmittels und 90% eines Lötlegierungs-Pulvers durch sorgfältiges Mischen dieser beiden Bestandteile hergestellt. Die in den Beispielen verwendeten Flussmittel hatten die in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen. Das Lötlegierungs-Pulver war ein Pulver einer Zn enthaltenden Legierung mit der Zusammensetzung: Sn-8% Zn-3% Bi. Die resultierenden Lötpasten wurden in Hinblick auf Alterung (Zunahme der Viskosität) und Lötbarkeit (Aufschmelzeigenschaften) auf die nachfolgend beschriebene Weise ausgewertet.
[Testverfahren für Alterung]
Eine frisch hergestellte Lötpaste, die getestet werden sollte, wurde in einer thermostatisierten Kammer bei 25°C höchstens 5 Wochen gelagert, während die Viskosität der Paste in regelmäßigen Zeitabständen bestimmt wurde. Die Alterungsbeständigkeit der Lötpaste wurde anhand der Zeitspanne, bevor die Viskosität der Lötpaste auf 350 Pascal-Sekunden [Pa·s] oder mehr, welche für eine Anwendung durch Siebdruck oder mittels eines Spenders nicht länger geeignet ist, angestiegen war, ausgewertet und wurde, wie folgt, eingestuft:

⌾ (Hervorragend):: Vier Wochen oder mehr,
O (Gut):: Zwei Wochen oder mehr, aber weniger als vier Wochen,
X (Schlecht):: Weniger als zwei Wochen.

So zeigt die oben erwähnte Zeitspanne die Lagerfähigkeit der Lötpaste an.
[Testverfahren für Lötbarkeit]
Die Lötbarkeit wurde getestet, indem eine zu testende Lötpaste, die entweder frisch hergestellt oder wie oben gelagert worden war, auf eine Leiterplatte aufgetragen und bei 230°C an der Luft erwärmt wurde, um das Erwärmen in einem Reflow-Ofen an der Luft zu simulieren. Die Lötbarkeit wurde ausgewertet anhand der Aufschmelzeigenschaften während der Erwärmung, indem die Ausbreitungsbedingungen des Lötmetalls auf den Platten und die Bildung von Lötmaterial-Kügelchen aufgrund von Oxidation der Lötlegierung unter Bildung von unschmelzbaren Oxiden beobachtet wurden, und, wie folgt, eingestuft:

⌾ (Hervorragend):: Keine Lötmaterial-Kügelchen beobachtet,
O (Gut):: Einige wenige Lötmaterial-Kügelchen beobachtet,
X (Schlecht):: Wenig oder keinerlei Schmelzen.

Tabelle 1 zeigt zusätzlich zu der Zusammensetzung des verwendeten Lötflussmittels in Gewichtsprozent die Alterungsbeständigkeit, wie oben ausgewertet, und die Lötbarkeit nach Lagerung für 7 Tage.
Die Viskositätsveränderung der Lötpasten der Beispiele 1 und 2 und des Vergleichsbeispiels 1 mit der Zeit während einer Lagerung für 35 Tage ist in 1 gezeigt. Die Veränderung der Lötbarkeit (Aufschmelzeigenschaften) mit der Zeit ist bis zu einer Lagerung für 25 Tage in Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 1
Tabelle 2
Wie aus 1 und Tabelle 1 ersehen werden kann, zeigten die Zn enthaltenden Lötpasten der Beispiele 1 und 2, die aus einem aktivierten Harz-Flussmittel, zu welchem eine Glycidy lether-Verbindung hinzugesetzt worden war, hergestellt worden waren, eine sehr langsame Viskositätszunahme mit der Zeit und deren Viskositäten blieben nach einer Lagerung für 35 Tage auf einem Niveau, welches für eine Anwendung durch Siebdruck oder mittels eines Spenders geeignet war.
Im Gegensatz dazu zeigte die Zn enthaltende Lötpaste des Vergleichsbeispiels 1, die eine herkömmliche Lötpaste, die aus einem aktivierten Harz-Flussmittel hergestellt worden ist, veranschaulicht, eine schnelle Zunahme der Viskosität mit der Zeit. Ihre Viskosität überschritt 300 Pascal-Sekunden am siebten Tag und stieg bald danach auf 350 Pascal-Sekunden oder mehr, was für eine Verwendung nicht länger geeignet ist, an. Wie aus den Tabellen 1 und 2 ersehen werden kann, zeigte eine solche Lötpaste mit einer erhöhten Viskosität eine verschlechterte Lötbarkeit mit der Bildung von feinen Lötmaterial-Kügelchen oder einer oxidierten Legierung. Eine solche verschlechterte Lötbarkeit wurde bereits ungefähr am dritten Tag beobachtet.
So ist offensichtlich, dass das Hinzufügen einer Glycidylether-Verbindung zu einem Flussmittel, welches verwendet wird, um eine Zn enthaltende Lötpaste herzustellen, wirksam ist, um die Alterung der Lötpaste und die damit einhergehende Verschlechterung der Lötbarkeit von dieser zu verzögern, wodurch die Lötpaste mit einer signifikant verlängerten Lagerfähigkeit ausgestattet wird.
Jedoch beeinflusst die Glycidylether-Verbindung, wenn sie in einer übermäßig großen Menge zugesetzt wird, die Lötbarkeit der Lötpaste nachteilig, wie in Vergleichsbeispiel 2 gezeigt.
Für die Fachleute auf diesem Gebiet wird es sich verstehen, dass zahlreiche Variationen und Modifizierungen an der Erfindung, wie sie oben in Bezug auf spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, vorgenommen werden können, ohne von dem Geist oder Umfang der Erfindung, wie breit beschrieben, abzuweichen.

Claims

Bleifreie Lötpaste, welche ein Pulver aus einer Zink enthaltenden, bleifreien Lötlegierung gemischt mit einem Lötflussmittel umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glycidylether-Verbindung zu dem Lötflussmittel in einer Menge von 0,1 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% basierend auf dem Lötflussmittel hinzugesetzt ist.
Bleifreie Lötpaste nach Anspruch 1, wobei die Glycidylether-Verbindung die folgende Formel aufweist:
in welcher R eine gesättigte oder ungesättigte, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffgruppe, die gegebenenfalls wenigstens eine Hydroxylgruppe enthalten kann, ist und n eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist.
Bleifreie Lötpaste nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zink enthaltende Lötlegierung eine auf Sn-Zn basierende Lötlegierung ist.
Bleifreie Lötpaste nach Anspruch 3, wobei die Zink enthaltende Lötlegierung eine auf Sn-Zn-Bi basierende Lötlegierung ist.
Bleifreie Lötpaste nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lötflussmittel ein Harz-Flussmittel ist.
Bleifreie Lötpaste nach Anspruch 5, wobei das Harz-Flussmittel ein aktiviertes Harz-Flussmittel, welches einen Aktivator und gegebenenfalls ein Thixotropiermittel enthält, ist.