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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten in einem Lötofen unter Verwendung eines Schutzgases.
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Das Löten ist ein Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen aller Art. Es unterteilt sich in das Weichlöten, das Hartlöten und das Hochtemperaturlöten, wobei für die Unterscheidung die Verflüssigungstemperatur des eingesetzten Lots ausschlaggebend ist. So wird üblicherweise als Grenze zwischen Weich- und Hartlöten bei einer Temperatur von 450°C festgelegt und zwischen Hart- und Hochtemperaturlöten bei 900°C. Die Energiezufuhr zur Lotverflüssigung kann auf vielfältige Art und Weise eingebracht werden. Eine viel benutzte Methode ist es, das bzw. die zu lötenden Bauteile in einen Ofen zu geben, in welchen die notwendige Temperatur erreicht wird.
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Im Wesentlichen wird bei den Lötöfen zwischen den Vakuumlötöfen und den Schutzgasdurchlauföfen unterschieden, wobei bei beiden Ofentypen prinzipiell jede Löttemperatur zulässig ist und somit beide Ofentypen für die verschiedenen Lötverfahren des Weich-, Hart- und Hochtemperaturlötens geeignet sind. Bei einem Vakuumofen handelt es sich um einen geschlossenen Ofen, in welchen die Bauteile zum Löten eingebracht werden und aus welchen die Umgebungsluft evakuiert und Schutzgas eingebracht wird. Bei einem Schutzgasdurchlaufofen handelt es sich um einen offenen Ofen, durch welchen die Bauteile zum Löten gefördert werden, wobei die Atmosphäre durch ein Schutzgas verdrängt wird. In beiden Fällen wird also ein Schutzgas eingesetzt. Dieses kann inert wirken und allein dem Zweck dienen Reaktionen mit dem Sauerstoff aus der Umgebung zu unterbinden oder das Schutzgas kann zusätzlich auf den Lötprozess einwirken, indem es beispielsweise reduzierend wirkt. Als Schutzgas werden meist Stickstoff und Stickstoff-Wasserstoff-Mischungen verwendet, aber auch Argon und Mischungen mit Argon werden eingesetzt.
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Die
DE 10354353 A1 offenbart ein Verfahren zum Reinigen eines Schutzgases beim Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten, bei welchem ein reaktives, reduzierendes und gasförmiges Agens zum Umsetzen von reduzierbaren Verunreinigungen dem Schutzgas zugesetzt wird. Es werden silanhaltige und boranhaltige Schutzgase vorgeschlagen.
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Eine Zugabe von Silan (SH
4) in das Schutzgas eines Lötofens bei einem flussmittelfreien Weichlöten zur Reduzierung der Oxide auf dem Lot wird in der
EP0221326B1 offenbart.
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Die
DE 1933664 beinhaltet ein Verfahren zum Überziehen von Halbleiterscheiben mit gleichförmigen SiO
2-Schichten durch Zuführen einer Mischung aus Inertgas und SiH
4 auf die auf höchstens 500°C erhitzten Halbleiterscheiben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, qualitativ hochwertige Lötverbindungen möglich zu machen. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, das Lötverfahren im Lötofen zu verbessern.
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Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten in einem Lötofen, wobei das Schutzgas einen silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, welcher aus mindesten einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50°C, bevorzugt von 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (C1-C6)-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (C1-C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan ausgewählt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Schutzgasmischung, welche aus einem silanhaltigen Schutzgaszusatz und ferner aus Argon, Helium, Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff und/oder Wasserstoff besteht, wobei der silanhaltige Schutzgaszusatz aus mindestens einem unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50°C, bevorzugt 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssigen linearen, verzweigten oder zyklischen, mindestens drei Siliziumatome aufweisenden Silan, das gegebenenfalls mit einer oder mehreren (C1-C6)-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein kann, oder/und aus mindestens einem zumindest mit einer (C1-C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilan.
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Zu den Substanzen oder Mischungen, aus welchen der silanhaltige Schutzgaszusatz bestehen kann, gehören also die höheren, unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50°C, bevorzugt von 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssigen, linearen oder verzweigten Silane mit mindestens drei Siliziumatomen mit der allgemeinen Formel SinH2n+2 sowie die zyklischen Verbindungen und deren Isomere mit mindestens fünf Siliziumatomen mit der allgemeinen Formel SimH2m. Dabei kann das Silan mit einer oder mehreren (C1-C6)-Alkyl-, bevorzugt Methylgruppen substituiert sein. Vorteilhafterweise werden höhere lineare, verzweigte oder zyklische Silane mit 3 bis 12 Siliziumatomen eingesetzt, bevorzugt mit 4 bis 8 Siliziumatomen und besonders bevorzugt mit 5 bis 7 Siliziumatomen. Besonders bevorzugt sind also Penta-, Hexa- und Heptasilan sowie Cyclopenta- und Cyclohexasilan.
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Weiterhin gehören zu den Substanzen oder Mischungen, aus welchen der silanhaltige Schutzgaszusatz bestehen kann, die zumindest mit einer (C1-C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilane. Dies sind insbesondere Methyl- und Ethylsilan, Dimethyl- und Diethylsilan, Trimethyl- und Triethylsilan und/oder Tetramethyl- oder Tetraethylsilan sowie Methly- und Ethyldisilan. Bevorzugt werden von den zumindest mit einer (C1-C6)-Alkylgruppe substituierten Mono- oder Disilanen diejenigen, die unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50°C, bevorzugt von 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssig sind. Besonders bevorzugt ist Tetramethylsilan.
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Der silanhaltige Schutzgaszusatz ist vergleichsweise einfach zu handhaben. So sind die Verbindungen des silanhaltigen Schutzgaszusatzes stabil und liegen in der Regel flüssig oder gasförmig vor. Der silanhaltige Schutzgaszusatz ist nicht selbstentzündlich und deshalb auch unter Sicherheitsaspekten gut zu handhaben. So sind die Lagerung und die Bereitstellung des silanhaltigen Schutzgaszusatzes unter dem Aspekt der Sicherheit und der Verfügbarkeit unproblematisch. So ist es hinsichtlich der Bereitstellung von Vorteil, wenn der silanhaltige Schutzgaszusatz unter Normaldruck im Temperaturbereich von 1 bis 50°C, bevorzugt von 5 bis 35°C, besonders bevorzugt von 10 bis 30°C flüssig ist, was bedeutet, dass der silanhaltige Schutzgaszusatz unter Normalbedingungen flüssig ist beziehungsweise durch leichtes Erwärmen oder geringfügiges Kühlen in die flüssige Phase überführbar ist.
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Der silanhaltige Schutzgaszusatz zerfällt und reagiert während des Lötprozesses und wirkt so positiv auf die Lötverbindung ein. Es entsteht eine qualitative hochwertige Lötverbindung. Weiterhin kann der silanhaltige Schutzgaszusatz auch verwendet werden, einen im Lötofen unerwünschten, beispielsweise über die zu lötenden Bauteile eingeschleppten Restsauerstoff einzufangen, indem dieser mit dem silanhaltigen Schutzgaszusatz reagiert. Damit es zu einem Zerfall und einer Reaktion des silanhaltigen Schutzgaszusatzes kommen kann, ist eine Mindesttemperatur von in etwa 300°C notwendig. Solche Temperaturen liegen beim Hart- und Hochtemperaturlöten vor; beim Weichlöten muss jedoch darauf geachtet werden, dass eine ausreichend hohe Temperatur zumindest in einem Bereich des Lötofens verwendet wird. Liegt in dem Lötofen eine ungleichmäßige Temperaturverteilung vor, ist insbesondere beim Weichlöten darauf zu achten, dass die Temperatur zumindest der Bereich, in welchem die Einwirkung des silanhaltigen Schutzgaszusatzes erfolgen soll, eine ausreichend hohe Temperatur aufweist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung wird in einem Vakuumofen oder in einem Schutzgasdurchlaufofen gelötet. Insbesondere beim Weichlöten in einem Schutzgasdurchlaufofen ist darauf zu achten, dass eine ausreichende Temperatur zumindest in dem oder den Wirkungsbereichen des silanhaltigen Schutzgaszusatzes vorliegt. Insbesondere in Schutzgasdurchlauföfen kann es von Vorteil sein, den silanhaltigen Schutzgaszusatz im Einlaufbereich des Ofens einzusetzen, da im Einlaufbereich durch die Zufuhr der zu lötenden Bauteilen Luft von außerhalb des Ofens eingeschleppt wird, welche dann mit dem silanhaltigen Schutzgaszusatz reagiert. Die dazu erforderliche Temperatur wird insbesondere beim Hart- oder Hochtemperaturlöten auch in diesem Außenbereich des Schutzgasdurchlaufofens in der Regel problemlos erreicht.
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Vorteilhafterweise weist das Schutzgas den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einer Konzentration von mindestens 0,0001 Vol-% (1 vpm), bevorzugt von mindestens 0,005 Vol-% (50 vpm) auf. Eine Konzentration von höchstens 10 Vol-%, bevorzugt von höchstens 5 Vol-% ist weiterhin von Vorteil.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Komponenten, die das Schutzgas neben dem silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält, um Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder ein Gemisch aus zwei oder mehr dieser Gase. Die genaue Zusammensetzung des Schutzgases richtet sich nach der speziellen Lötaufgabe, wobei sich die Zusammensetzung des Schutzgases ohne den silanhaltigen Schutzgaszusatz an der üblichen Zusammensetzung bisher bekannter Schutzgasmischungen orientiert.
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Besonders bevorzugt sind deshalb Gasgemische zum Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten, welche aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz und ferner aus Stickstoff oder ferner aus Stickstoff und Wasserstoff bestehen.
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Das Schutzgas mit dem silanhaltigen Zusatz wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung bereitgestellt, indem zumindest eine Komponente des Schutzgases durch eine Bereitstellungsflüssigkeit, die aus dem silanhaltigen Schutzgaszusatz besteht oder den silanhaltigen Schutzgaszusatz in flüssiger Form enthält, strömt. Diese Bereitstellung empfiehlt sich insbesondere wenn Silane als Schutzgaszusatz zugegeben werden sollen, die bei Temperaturen, die im Bereich der Umgebungstemperatur liegen, flüssig sind. Jedoch ist es auch möglich, diese Bereitstellung für Silane, die bei Umgebungstemperatur gasförmig vorliegen, zu verwenden, indem der silanhaltige Schutzgaszusatz gekühlt wird, so dass er in flüssiger Form vorliegt. Auch bei leicht flüchtigen Verbindungen wird eine leichte Kühlung von Vorteil sein. Sollte der silanhaltige Schutzgaszusatz fest sein, ist dieser zu erwärmen, damit er in die flüssige Phase übergeht. Für die Bereitstellung wird ein Behälter verwendet, der die Bereitstellungsflüssigkeit enthält. Es ist auch möglich, den silanhaltigen Schutzgaszusatz in einem Lösungsmittel, beispielsweise in höheren Kohlenwasserstoffen, zu lösen und diese Lösung als Bereitstellungsflüssigkeit zu verwenden. In diese Bereitstellungsflüssigkeit wird nun zumindest eine Komponente des Schutzgases geleitet. Vorteilhafterweise wird Stickstoff eingeleitet, aber auch die anderen möglichen Komponenten oder eine Mischung daraus können in die Bereitstellungsflüssigkeit geleitet werden. Beim Strömen durch die Bereitstellungsflüssigkeit nimmt das Gas den silanhaltigen Schutzgaszusatz auf und es entsteht ein Gasgemisch, welches direkt oder nach einem Mischen mit weiteren Komponenten oder auch nach einem Verdünnen den silanhaltigen Schutzgaszusatz in der gewünschten Konzentration enthält und nun als Schutzgas mit silanhaltigen Schutzgaszusatz zur Verfügung steht.
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Um eine bestimmte Konzentration reproduzierbar und zuverlässig einstellen zu können, wird vorteilhafterweise die Bereitstellungsflüssigkeit thermostatisiert. Dadurch, dass die Bereitstellungsflüssigkeit auf konstanter Temperatur gehalten wird, ist eine gleich bleibende Konzentration der Silane in dem Gas gewährleistet. Da die Konzentration, mit der die Silane in dem Gas nach der Anreicherung vorliegt, von der Temperatur abhängt, ist es möglich, durch die Thermostatisierung die Konzentration der Silane in dem Gas einzustellen. Bei der Thermostatisierung kann sowohl eine Temperaturwahl oberhalb als auch unterhalb der Umgebungstemperatur von Vorteil sein. So ist es insbesondere bei sehr leicht flüchtigen Silanen oder bei Silanen mit Siedepunkten nahe der Umgebungstemperatur von Vorteil, wenn eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gewählt wird, während bei höher siedenden Silanen eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur von Vorteil sein kann, damit genügend Teilchen in das Gas übergehen. Folglich ist es möglich, mittels der Thermostatisierung über die Wahl der Temperatur die Konzentration der Silane in dem Gas einzustellen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Weich-, Hart- oder Hochtemperaturlöten, umfasst deshalb folglich für die Ausführung dieser vorteilhaften Ausgestaltung einen Lötofen, insbesondere einen Vakuum- oder Schutzgasdurchlaufofen, zumindest eine Gasquelle und eine Anreicherungseinrichtung, wobei die Gasquelle über eine Leitung mit der Anreicherungseinrichtung und diese über eine weitere Leitung mit dem Lötofen verbunden ist. Vorteilhafterweise ist dabei an der Anreicherungseinrichtung eine Einrichtung zur Thermostatisierung vorgesehen. Dabei enthält die Anreicherungseinrichtung den silanhaltigen Schutzgaszusatz.
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Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der silanhaltige Schutzgaszusatz als Gas mit der oder den weiteren Komponenten zu einer Schutzgasmischung mit silanhaltigem Schutzgaszusatz vermischt. Dazu wird, sofern notwendig, der silanhaltige Schutzgaszusatz durch Erwärmen in die Gasphase überführt. Liegt der silanhaltige Schutzgaszusatz bereits gasförmig vor, entfällt die Erwärmung. Der gasförmige silanhaltige Schutzgaszusatz wird mit der oder den weiteren Komponenten zur fertigen Schutzgasmischung vermischt. Diese Methode empfiehlt sich insbesondere für silanhaltige Schutzgaszusätze, die bei Umgebungstemperatur bereits gasförmig vorliegen oder die einen Siedepunkt nahe der Umgebungstemperatur aufweisen.
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In beiden Fällen ist es möglich, entweder den silanhaltigen Schutzgaszusatz der einzigen weiteren Komponenten beziehungsweise der ansonsten fertigen Schutzgasmischung zu zugeben oder zuerst den silanhaltigen Schutzgaszusatz nur mit einer Komponente zu vermengen und anschließend zu verdünnen beziehungsweise die übrigen Komponenten zu zugeben.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Schutzgas vor Ort hergestellt. Bei einer Herstellung vor Ort können die Komponenten des Schutzgases gasförmig oder flüssig vom Gaselieferanten bereitgestellt werden. Möglich ist aber auch eine Abfüllung der fertigen Schutzgasmischung in Gasflaschen beim Gashersteller mit anschließender Lieferung.
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Gemäß einer weiteren alternativen und vorteilhaften Ausgestaltung wird der silanhaltige Schutzgaszusatz in flüssiger Form in den Lötofen, in welchem sich das Schutzgas befindet, verdüst. Diese Ausgestaltung ist für flüssige silanhaltige Schutzgaszusätze geeignet und für silanhaltige Schutzgaszusätze, welche sich einfach in flüssige, Form bringen lassen und somit an der Stelle der Verdüsung in flüssiger Form vorliegen. Dazu wird das Schutzgas ohne silanhaltigen Zusatz in den Lötofen eingebracht und in dieses Schutzgas wird der silanhaltige Schutzgaszusatz verdüst. Möglich ist es auch, ein Schutzgas, welches bereits eine gewisse Menge an silanhaltigen Schutzgaszusatz erhält, zu verwenden oder zusätzlich an einer zweiten Stelle, beispielsweise an einer zweiten Stelle im Schutzgasdurchlaufofen, oder zu einem zweiten Zeitpunkt, beispielsweise bei einem Vakuumofen in ein Schutzgas, eine zweite oder gar weitere Menge an silanhaltigen Schutzgaszusatz zu zugeben. Bei der Verdüsung ist es möglich, den silanhaltigen Schutzgaszusatz genau in dem Bereich zu verdüsen, in welchem dieser wirken soll. Insbesondere in Schutzgasdurchlauföfen wird es damit möglich, Bereiche mit Schutzgas mit silanhaltigem Schutzgaszusatz und Bereiche mit Schutzgas ohne silanhaltigen Schutzgaszusatz einzurichten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die diese bevorzugte Ausgestaltung aufnimmt, umfasst folglich einen Lötofen, insbesondere einen Vakuum- oder einen Schutzgasdurchlaufofen mit einer Einrichtung zum Verdüsen eines flüssigen Schutzgaszusatzes in einem Schutzgas, zumindest eine Gasquelle zur Bereitstellung des Schutzgases und einen Behälter zur Bereitstellung des flüssigen Schutzgaszusatzes. Dabei enthält der Behälter den silanhaltigen Schutzgaszusatz. Die Einrichtung zum Verdüsen ist geeignet, den in flüssiger Form vorliegenden silanhaltigen Schutzgaszusatz zu verdpsen.
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Bevorzugt wird der silanhaltige Schutzgaszusatz im Einlaufbereich des Schutzgasdurchlaufofens verdüst. In dieser bevorzugten Ausgestaltung kann der Sauerstoff, der sich eventuell im Einlaufbereich befindet, weil durch die Zufuhr der zu lötenden Bauteilen Luft von außerhalb des Ofens eingeschleppt wird, mit dem silanhaltigen Schutzgas reagieren.
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1 beinhaltet eine bevorzugte Ausgestaltung, mit welcher die Erfindung auf eine sehr einfache Art und Weise ausgeführt werden kann. Dazu zeigt 1 in schematischer Darstellung eine Gasquelle 1, eine Anreicherungseinrichtung 2 und einen Lötofen 3, die über Leitungen miteinander verbunden sind. Das Schutzgas wird der Gasquelle 1 entnommen und zur Anreicherungseinrichtung 2 geführt, welche einen silanhaltigen Schutzgaszusatz enthält. Über eine weitere Leitung wird das Schutzgas mit silanhaltigem Schutzgaszusatz in den Lötofen geführt und eingeleitet.
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2 beinhaltet eine andere bevorzugte Ausgestaltung, welche ebenfalls sehr einfach auszuführen ist. Dazu zeigt 2 in schematischer Darstellung eine Gasquelle 1, ein Behältnis 4, der einen silanhaltigen Schutzgaszusatz in gasförmiger Form enthält, einen Mischer 5 und einen Lötofen 3. Der Gasquelle 1 wird nun das Schutzgas entnommen und über eine Leitung in den Mischer 5 geführt. Der silanhaltige Schutzgaszusatz wird dem Behältnis 4 entnommen und über eine andere Leitung zum Mischer 5 geleitet. Im Mischer 5 wird das Schutzgas mit silanhaltigem Schutzgaszusatz gemischt. Über eine weitere Leitung wird dieses Schutzgas mit silanhaltigem Schutzgaszusatz dann zum Lötofen 3 geführt und eingeleitet.
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3 beinhaltet eine weitere, ebenfalls einfach auszuführende Ausgestaltung. Dazu zeigt 3 schematisch eine Gasquelle 1, einen Behälter 6 zum Bereitstellen des flüssigen Schutzgaszusatzes und einen Lötofen 3, welcher eine Einrichtung zum Verdüsen 7 aufweist. Das Schutzgas wird der Gasquelle 1 entnommen und über eine Leitung zu dem Lötofen 3 geführt und in diesen eingeleitet. Dem Behälter 6 wird der silanhaltige Schutzgaszusatz in flüssiger Form entnommen und über eine Leitung in die Einrichtung zum Verdüsen 7 geführt. Mit dieser Einrichtung 7 wird der silanhaltige Schutzgaszusatz in das Schutzgas verdüst, welches sich in dem Lötofen 3 befindet.
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Selbstverständlich können die beispielhaft beschriebenen, einfachen Ausgestaltungen modifiziert werden, insbesondere dermaßen, dass die in der Beschreibung dargelegten Möglichkeiten umgesetzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10354353 A1 [0004]
- EP 0221326 B1 [0005]
- DE 1933664 [0006]
