-
Die
Erfindung betrifft einen bleifreien Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln.
Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung zwischen
zwei Bauteilen unter Verwendung des Lot-Werkstoffs angegeben.
-
Die
Entwicklung neuartiger Lot-Werkstoffe wird im Hinblick auf Funktionalität,
Zuverlässigkeit, Applikationserweiterung, (höhere
Betriebstemperaturen), Herstellungskosten und unter Umwelt-Aspekten
(Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher
Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten, Restriction of
the use of certain hazardous substances in electrical and electronic
equipment, RoHS) vorangetrieben. Hierbei spielt eine Schmelz-Temperatur
des Lot-Werkstoffs und damit eine Prozess-Temperatur eine entscheidende
Rolle, bei der der Lot-Werkstoff verarbeitet wird. Je höher die
Schmelz-Temperatur ist, desto eher kommt es zu einer Schädigung
der mit Hilfe des Lot-Werkstoffs zu verbindenden Bauteile. Gleichzeitig
sind hohe Prozess-Temperaturen ein relevanter Kostenfaktor beim Herstellen
der entsprechenden Lot-Verbindung.
-
In
der Vergangenheit wurden Lot-Werkstoffe mit Blei eingesetzt, beispielsweise
eine Zinn-Blei-Legierung mit einem Zinn-Anteil von 37 Gew.-% und
einem Blei-Anteil von 63 Gew.-%. Dieser Lot-Werkstoff weist eine
relativ niedrige Schmelz-Temperatur von 183°C auf. Bisher
bekannte bleifreie Lot-Werkstoffe besitzen im Vergleich dazu höhere
Schmelz-Temperaturen. Aufgrund der höheren Schmelz-Temperaturen
müssen die Bauteile (z. B. Leiterplatten) so ausgelegt
sein, dass sie den höheren Temperaturen widerstehen.
-
Aus
der
US 2006/0226203
A1 ist ein Lot-Werkstoff bekannt, der bei einer relativ
niedrigeren Prozess-Temperatur zu einer Lot-Verbindung verarbeitet
werden kann. Der Lot-Werkstoff weist ein Dispersionsmittel und ein
im Dispersionsmittel verteiltes Dispergens aus einem Lot-Pulver
mit Metall-Nanopartikeln auf.
-
Kern
dieses Dokuments ist die Verwendung möglichst kleiner Metall-Partikel,
so dass eine möglichst große reaktive Oberfläche
resultiert. Eine damit einhergehende erhöhte Reaktivität
führt zu einer Erniedrigung der Schmelz-Temperatur des
Lot-Pulvers.
-
Allerdings
kann es aufgrund der erhöhten Reaktivität zu unerwünschten
Nebenreaktionen kommen. Beispielsweise oxidieren Metall-Nanopartikel aus
einem unedlen Metall wie Kupfer in Gegenwart von Sauerstoff an der
Nanopartikel-Oberfläche. Bei sehr kleinen Kupfer-Nanopartikeln
kann es sogar zu einem kompletten Aufoxidieren der Kupfer-Nanopartikel
kommen. Es resultieren Kupfer-Oxid-Nanopartikel. Somit kann das
Material nicht mehr zum Verlöten gebraucht werden. Dieses
Problem könnte zwar durch Ausschluss von Sauerstoff beim
Lötvorgang gelöst werden. Allerdings bedeutet
dies einen zusätzlichen Aufwand, der im Hinblick auf Kostenreduzierung
unerwünscht ist.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lot-Werkstoff bereitzustellen,
der eine relativ niedrige Schmelz-Temperatur aufweist und der mit möglichst
geringem Aufwand zu einer Lot-Verbindung verarbeitet werden kann.
-
Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Lot-Werkstoff mit mindestens
einer Lotdispersion angegeben. Die Lotdispersion weist mindestens
ein Dispersionsmittel und mindestens ein im Dispersionsmittel verteiltes
Dispergens auf, wobei das Dispergens ein Lot-Pulver mit Metall-Nanopartikeln
aus im Wesentlichen einem Metall-Element aufweist und die Metall-Nanopartikel
einen aus dem Bereich von 20 nm bis 40 nm ausgewählten
durchschnittli chen Partikel-Durchmesser aufweisen. Bevorzugt weisen
mehr als 90% der Metall-Nanopartikel und insbesondere mehr als 95%
der Metall-Nanopartikel einen Partikel-Durchmesser aus dem Bereich
von 20 nm bis 40 nm auf (einschließlich der angegebenen
Bereichsgrenzen, was im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
für jeden der angegebenen Bereiche zutrifft).
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer
Lot-Verbindung zwischen zwei Bauteilen unter Verwendung des Lot-Werkstoffs
angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
a) Auftragen mindestens eines Dispersions-Films mit dem Lot-Werkstoff auf
zumindest eines der Bauteile, b) Zusammenbringen der Bauteile derart,
dass der Dispersions-Film die Bauteile miteinander verbindet und
c) Wärmebehandeln des Dispersions-Films derart, dass die
Metall-Nanopartikel zumindest zum Teil verschmelzen und damit die
Lot-Verbindung entsteht.
-
Der
Dispersions-Film wird auf einen Oberflächenabschnitt zumindest
eines der Bauteile aufgetragen. Zum Auftragen des Dispersions-Films
wird vorzugsweise mindestens ein aus der Gruppe Sprühen, Drucken
und Tauchen ausgewähltes Aufbringungs-Verfahren durchgeführt.
Beispielsweise wird eines der Bauteile in die Lot-Dispersion getaucht.
Dabei lagert sich der Dispersions-Film am Bauteil an. Zum Drucken
kann beispielsweise ein Tintenstrahl(Ink-Jet)-Druckverfahren eingesetzt
werden. Dabei kann der Dispersions-Film strukturiert aufgetragen
werden.
-
Das
Auftragen des Dispersions-Films kann mehrmals durchgeführt
werden. Dabei können gleiche Lot-Dispersionen mit gleichen
Metall-Nanopartikeln oder unterschiedliche Lot-Dispersionen mit
unterschiedlichen Metall-Nanopartikeln verwendet werden.
-
Eine
Dispersion ist die Bezeichnung für ein System, das aus
mehreren Phasen besteht. Das Dispersionsmittel bildet dabei eine
kontinuierliche Phase, in der das Dispergens (disper gierte Phase)
fein verteilt ist. Die Dispersion kann dabei Additive aufweisen,
die ein Dispergieren des Dispergens im Dispersionsmittel erleichtern
(Dispergiermittel) oder die Dispersion stabilisieren.
-
Bei
der Lot-Dispersion gemäß der vorliegenden Erfindung
weist das Dispergens Lot-Pulver mit Metall-Nanopartikeln aus im
Wesentlichen einem Metall-Element auf. Dies bedeutet, dass die Metall-Nanopartikel
aus je einem einzigen metallischen Element bestehen. Verbindungen
mehrerer metallischer Elemente in Form von Legierungen sind nicht vorgesehen.
Gleichwohl können die Metall-Nanopartikel jeweils eine
Verunreinigung von unter 1 mol% und insbesondere von unter 0,1 mol%
aufweisen. Die Metall-Nanopartikel fungieren als Primär-Partikel
des Lotprozesses. Die Primär-Partikel verschmelzen bei der
Wärmebehandlung zumindest teilweise. Durch das Verschmelzen
entstehen größere Metall-Partikel. Die Lot-Verbindung
entsteht.
-
Die
grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, Lot-Pulver mit hochreaktiven
Metall-Nanopartikeln zum Verlöten von Bauteilen zu verwenden.
Die hochreaktiven Metall-Nanopartikel verschmelzen bei einer relativ
niedrigen Temperatur. Somit können Bauteile bei einer relativ
niedrigen Prozess-Temperatur verlötet werden. Als Folge
davon ist beim Lötprozess eine Temperaturbelastung der
Bauteile relativ niedrig. Gleichzeitig sind aber die Metall-Nanopartikel
nicht so klein, dass unerwünschte Nebenreaktionen, wie
die Oxidation eines unedlen Metalls in Gegenwart von Sauerstoff,
so weit auftreten, dass das Material nicht mehr zum Verlöten
gebraucht werden könnte.
-
Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung weist das Dispergens mindestens ein weiteres Lot-Pulver
mit weiteren Metall-Nanopartikeln aus einem vom Metall-Element verschiedenen
weiteren Metall-Element auf. Entsprechend den Metall-Nanopartikeln
weisen die weiteren Metall-Nanopartikel einen aus dem Bereich von
20 nm bis 40 nm ausgewählten weiteren durchschnittlichen
Partikel-Durchmesser auf. Bevorzugt weisen mehr als 90% der weiteren
Metall-Nanopartikel und insbesondere mehr als 95% der weiteren Metall-Nanopartikel
einen weiteren Partikel-Durchmesser aus dem Bereich von 20 nm bis
40 nm auf.
-
Die
Metall-Nanopartikel und die weiteren Metall-Nanopartikel bestehen
aus unterschiedlichen Metallen. Das Dispergens weist eine Mischung
zweier oder mehrerer Lot-Pulver aus unterschiedlichen Metall-Nanopartikeln
auf. Zum Beispiel wird eine Lot-Pulver-Mischung mit einem Zinn-Anteil
von 99,3 Gew.-% und einem Kupfer-Anteil von 0,7 Gew.-% verwendet.
Bei der Wärmebehandlung dieser Lot-Pulver-Mischung entsteht
die Legierung SnCu0,7.
-
Im Übrigen
bestehen auch die weiteren Metall-Nanopartikel aus je einem einzigen
metallischen Element. Verbindungen mehrerer metallischer Elemente
in Form von Legierungen kommen ebenfalls nicht vor. Auch für
die weiteren Metall-Nanopartikel gilt: Eine Verunreinigung von unter
1 mol% und insbesondere von unter 0,1 mol% ist möglich.
-
Der
besondere Vorteil bei der Verwendung von Mischungen aus Metall-Nanopartikel
unterschiedlicher Metalle besteht in der Möglichkeit, die Schmelz-Temperatur
weiter zu erniedrigen. So kann die Mischung der Lot-Pulver beispielsweise
so gewählt werden, dass sich ein Eutektikum bildet.
-
Durch
die Verwendung der reinen Metall-Nanopartikel und der reinen weiteren
Metall-Nanopartikel gelingt es darüber hinaus, eine exakte
gewünschte stöchiometrische Zusammensetzung der
Lot-Pulver-Mischung und damit eine exakte Schmelz-Temperatur der
Lot-Pulver-Mischung einzustellen.
-
Die
Metall-Nanopartikel können aus unterschiedlichsten Metallen
bestehen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung
ist das Metall-Element und/oder das weitere Metall-Element aus der
Gruppe Antimon, Bismut, Gold, Kupfer, Silber, Zink und Zinn ausgewählt.
Insbesondere unedle Metalle wie Kupfer und Zinn eignen sich für
diese Anwendungen. So kann mit Hilfe einer DSC(Differential Scanning
Calorimetry)-Analyse beispielsweise gezeigt werden, dass sich aus
einer Lot-Dispersion mit reinen Kupfer-Nanopartikeln auf einem Substrat
unter Stickstoff-Atmosphäre ein Kupfer-Film mit einem Schmelzpeak
bei etwa 360°C bildet. Dies liegt etwa 740°C unterhalb
der Schmelz-Temperatur von Kupfer, die in der Literatur mit etwa
1100°C angegeben ist.
-
Neben
Lot-Verbindungen aus den reinen Metall-Elementen sind mit Hilfe
der Erfindung vor allem auch Lot-Verbindungen in Form von Legierungen der
genannten Metall-Elemente zugänglich. Beispiele für
geeignete Legierungen sind Zinn-Kupfer, Zinn-Silber, Zinn-Silber-Kupfer,
Zinn-Silber-Eismut und Zinn-Zink. Diese Legierungen weisen bereits
im Makro- bzw. Mikromaßstab relativ niedrige Schmelz-Temperaturen
von unter 230°C auf. Durch den Einsatz von Metall-Nanopartikeln
als Ausgangsmaterialien der Legierungen werden die Schmelz-Temperaturen
weiter erniedrigt.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung weist das Dispersionsmittel ein organisches
Lösungsmittel auf. Dabei können beliebige organische
Lösungsmittel (polar, unpolar, protisch, aprotisch) eingesetzt werden.
Besonders gute Ergebnisse können mit organischen Lösungsmitteln
in Form von Poly-Hydroxy-Verbindungen (Polyole, Polyalkohole) und
deren Derivaten (z. B. Ether) erzielt werden. Gemäß einer besonderen
Ausgestaltung ist das organische Lösungsmittel 1-Methoxy-2-propanol
(Propylene-glycol-monomethyl-ether, PGME).
-
Bei
Verwendung eines organischen Lösungsmittels kann das Lösungsmittel
durch Reduzierung des Lösungsmittel-Partial-Drucks vom
entsprechenden Bauteil entfernt werden. Das Entfernen des Lösungsmittels
kann aber auch durch das Wärmebehandeln des Dispersions-Films
erfolgen. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels bleiben
die Metall-Nanopartikel übrig, die im weiteren Verlauf
des Wärmebehandelns miteinander ver schmelzen und so einen homogenen
Metall-Film und darüber eine homogene Lot-Verbindung bilden.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung weist das Dispersionsmittel ein polymeres
Reaktions-Harz auf. Die Lot-Dispersion ist eine Polymer-Dispersion
mit einem polymeren Reaktions-Harz als Dispersionsmittel. Als Reaktions-Harze
eignen sich beispielsweise Epoxide, Silikone und Acrylate. Beim
Wärmebehandeln des resultierenden Dispersions-Films findet
eine Vernetzungsreaktion (z. B. Polymerisation oder Polykondensation)
des Reaktions-Harzes statt. Als Folge davon entsteht eine Verbindung
der Bauteile durch Verkleben und Verlöten. Dies eignet
sich vor allen Dingen für Lot-Pulver-Mischungen, die bei
einer Temperatur von unter 200°C schmelzen.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird das Wärmebehandeln des Dispersions-Films
unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt. Ausschluss von
Sauerstoff bedeutet, dass der Sauerstoffpartialdruck kleiner 10–2 mbar und insbesondere kleiner
10–3 mbar beträgt. Unter
Ausschluss von Sauerstoff wird die Oxidation von Metall-Nanopartikeln
aus unedlen Metallen unterbunden. Beim Wärmebehandeln des Dispersions-Films
bildet sich ein entsprechender, homogener Metall-Film aus.
-
Mit
der Erfindung ist aber der Ausschluss von Sauerstoff auch bei der
Verwendung von Nano-Partikeln aus unedlen Metallen nicht notwendig.
In einer weiteren Ausgestaltung wird daher das Wärmebehandeln
in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt. Auch unter diesen
Bedingungen können unedle Metalle wie Kupfer zu einem homogenen
Metallfilm umgesetzt werden. So bildet sich beispielsweise aus einem
Dispersions-Film aus einer Lot-Dispersion mit Kupfer-Nanopartikeln
mit einem durchschnittlichen Partikel-Durchmesser aus dem Bereich
von 20 nm bis 40 nm bei einem einstündigen Wärmebehandeln bei
einer Temperatur von 250°C in Gegenwart von Sauerstoff
ein homogener Kupfer-Film. Dabei zeigt sich, dass keine sichtbare
Oxidation des Kupfers eintritt. Dies bedeutet, dass die elektrische
und thermische Leitfähigkeit des Kupfers erhalten bleibt.
Bei kleineren Partikel-Durchmessern bestünde die Gefahr,
dass die Kupferpartikel durchoxidieren und somit ihre elektrische
und thermische Leitfähigkeit verloren geht.
-
Wie
bereits mehrmals erwähnt, kann das Wärmebehandeln
bei einer relativ niedrigen Temperatur durchgeführt werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung wird das
Wärmebehandeln bei einer Prozess-Temperatur von unter 380°C
und insbesondere bei einer Prozess-Temperatur von unter 300°C durchgeführt.
-
Zusammenfassend
sind folgende Vorteile mit der Erfindung verknüpft:
- – Aufgrund der Reaktivität
der Metall-Nanopartikel sind die Prozess-Temperaturen relativ niedrig,
bei denen der Lot-Werkstoff verarbeitet wird.
- – Wegen der niedrigen Prozess-Temperaturen können
Bauteile mit niedriger thermischer Belastbarkeit eingesetzt werden,
beispielsweise Halbleiterbauelemente und Leiterplatten aus Kunststoff.
- – Die Metall-Nanopartikel sind groß genug,
um im Fall von unedlen Metallen unerwünschte Nebenreaktionen
wie die Oxidation des Metalls zu unterdrücken.
- – Höhere Prozess-Temperaturen, bei denen bekannte
bleifreie Lot-Werkstoff zur Lot-Verbindung umgesetzt werden, bedeuten
auch höhere Anforderungen an ein im Lot-Werkstoff eingesetztes Flussmittel.
So könnte es nötig sein, Flussmittel mit höherem
Feststoffgehalt einzusetzen. Aufgrund der niedrigen Prozess-Temperaturen
erübrigt sich dies mit der vorliegenden Erfindung.
- – Mit den niedrigeren Prozess-Temperaturen geht eine
verringerte Ausgasung eines eventuell verwendeten Flussmittels einher.
Bei höheren Prozess-Temperaturen kann das Flussmittel giftig Dämpfe
bilden. Ein Freisetzen giftiger Dämpfe wird mit Hilfe der
Erfindung deutlich eingeschränkt.
- – Mit der Erfindung ist es möglich, sogar
auf ein Flussmittel zu verzichten, und trotzdem eine sehr homogene
und zuverlässige Lotverbindung zu erzielen.
- – Darüber hinaus zeigt es sich, dass – entgegen den
Erkenntnissen aus dem Stand der Technik – durch die Erniedrigung
der Prozess-Temperatur eine Zuverlässigkeit bei erhöhten
Umgebungs- und Betriebstemperaturen nicht abnimmt. Durch das Verschmelzen
der Metall-Nanopartikel entstehen größere Metall-Partikel,
was zu einer thermischen Zuverlässigkeit führt,
die bei Verwendung herkömmlicher Lot-Werkstoffe nur durch
erhöhte Prozess-Temperaturen möglich ist. Mit
der Erfindung sind Dauertemperaturen von 150°C möglich,
ohne dass merkliche, thermisch induzierte Ermüdungsvorgänge
in der resultierenden Lot-Verbindung auftreten.
- – Zudem ist das meist in den bekannten bleifreien Lot-Werkstoffen
verwendete Silber chemisch weitaus aggressiver als Blei. Dies kann
bei höheren Prozess-Temperaturen zu einem Angriff von Kupfer
der Platinen führen. Auch dieses Problem wird wegen der
mit der vorliegenden Erfindung niedrigeren Prozess-Temperaturen
deutlich eingeschränkt.
-
Anhand
mehrerer Ausführungsbeispiel und der dazugehörigen
Figur wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Die Figur ist schematisch und stellt keine maßstabsgetreue
Abbildung dar.
-
Die
Figur zeigt einen Ausschnitt zweier Bauteile in einem seitlichen
Querschnitt, die mit Hilfe des Lot-Werkstoffs miteinander verbunden
sind.
-
Das
Bauteil 1 ist über den Oberflächenabschnitt 11 und
das weitere Bauteil 2 über den weiteren Oberflächenabschnitt 21 mittelbar über
die Lot-Verbindung 3 miteinander verbunden.
-
Der
dazu verwendete Lot-Werkstoff besteht aus einer Lot-Dispersion mit
PGME als Dispersionsmittel. Im Dispersionsmittel fein verteilt ist
das Dispergens, nämlich ein Lot-Pulver aus Kupfer-Nanopartikeln.
Die Kupfer-Nanopartikel weisen einen Partikel-Durchmesser aus dem
Bereich von 20 nm bis 40 nm auf.
-
Zum
Herstellen der Lot-Verbindung wird der Lot-Werkstoff mit Hilfe eines
Ink-Jet-Verfahrens auf einem der Oberflächenabschnitte
in Form eines Dispersions-Films aufgetragen. Danach werden die Bauteile
zusammengebracht. Anschließend erfolgt das Wärmebehandeln
des Dispersions-Films bzw. der gesamten Anordnung aus den Bauteilen
und dem dazwischen angeordneten Dispersions-Films.
-
Durch
ein definiertes Wärmebehandeln des Dispersions-Films unter
verschiedenen Umgebungsparametern (unter Stickstoff oder unter Luftatmosphäre)
werden die Kupfer-Nanopartikel dazu gebracht, zu koaleszieren und
zu verschmelzen, wobei ein homogener Kupfer-Film ausgebildet wird.
Es entsteht die Lot-Verbindung aus Kupfer.
-
In
vergleichenden Untersuchungen, bei denen ein Dispersions-Film mit
der Lot-Dispersion auf einem Substrat aufgebracht und anschließend
erhitzt wird, zeigt das in einer DSC-Anlage unter Stickstoff (Ausschluss
von Sauerstoff) aufgenommene Diagramm ein Wärmestrom-Maximum
bei einer Temperatur von etwa 360°C. Dies liegt etwa 740°C
unterhalt der Schmelz-Temperatur von Kupfer in makroskopischer Probengröße.
-
Bei
einer Temperaturlagerung im Umluftofen (also in Gegenwart von Sauerstoff)
bei einer Temperatur von 250°C für eine Stunde
wird ebenfalls ein homogener Kupferfilm auf einem Substrat beobachtet werden,
ohne dass eine merkliche Oxidation eintritt. Dies belegen REM(Rasterelektronenmikroskop)-Untersuchungen,
die ohne eine zusätzliche, elektrisch leitfä hige
Schicht, wie sie bei der Untersuchung isolierender Schichten notwendig
ist, durchgeführt werden können.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Lot-Werkstoff
mit einer Polymer-Dispersion eingesetzt. Das Dispersionsmittel ist
ein reaktives Polymer-Harz mit einem Epoxid. Das Dispergens ist
eine Mischung aus einem Lot-Pulver mit Zinn-Nanopartikeln und einem
weiteren Lot-Pulver mit Kupfer-Nanopartikeln. Die Zinn-Nanopartikel
sind mit einem Massenanteil von 99,3 Gew.-% und die Kupfer-Nanopartikel
mit einem Massenanteil von 0,7 Gew.-% am Dispergens beteiligt. In
diese Massen-Zusammensetzung bilden Kupfer und Zinn ein Eutektikum.
-
Nach
dem Aufbringen des entsprechenden Dispersions-Films und Zusammenbringen
der Bauteile kommt es durch das Wärmebehandeln bei einer Prozess-Temperatur
von unter 200°C zur Vernetzung des reaktiven Polymer-Harzes
und gleichzeitig zur Bildung der Legierung SnCu0,7 und damit zur Lot-Verbindung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2006/0226203
A1 [0004]