DE102022101056A1 - Process for achieving a reliable brazed joint and master alloys therefor - Google Patents

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.The invention relates to a method for achieving a reliable soldered connection between at least one electronic component with pre-soldered connection points (BGA) and a printed circuit board during surface mounting. For this purpose, a solder master alloy is used, which has an increased concentration of micro-alloying elements. The braze master alloy mixes with the pre-brazed standard alloy during brazing and after brazing a brazed joint with a desired microalloyed target alloy is obtained.

Description

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.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.

Mikrolegierte Weichlote für Lötverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen sind aus EP 1 617 968 B1 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 (Surface-mounted 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.Micro-alloyed soft solders for soldering connections between electronic components are out EP 1 617 968 B1 known and have proven themselves. These soft solders can significantly improve the reliability of soldered connections, in particular under conditions of high-temperature stress, for example 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 in 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässige mikrolegierte Lötverbindung auch bei der Verwendung von Bauteilen mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) zu erhalten.The object of the present invention is to obtain a reliable micro-alloyed soldered connection even when using components with pre-soldered connection points (BGA).

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hierfür wird eine Lotvorlegierung mit den Merkmalen von Anspruch 7 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.This object is achieved with a method having the features of claim 1. For this purpose, a solder master alloy with the features of claim 7 is used, which has an increased concentration of micro-alloy elements. During soldering, 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.

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,
  • - - wobei das verwendete Flussmittel die Anschlussstelle des elektronischen Bauteils umgibt und eine Oxidschicht an der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils beseitigt und
  • - - wobei durch die verwendete Prozesstemperatur die Standardlotlegierung und Lotvorlegierung schmelzen und eine 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.

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:

• - Determination of the volume and composition of the pre-soldered connection points of the electronic component as the volume and composition of the standard solder alloy,
• - Determination of the desired composition of a micro-alloyed target alloy for the soldered connection to be achieved between the component and the printed circuit board,
• - Determination of the volume of solder to be applied for each intended connection (pad) on the printed circuit board, if necessary taking into account a proportion of flux,
• - Determining the composition of a solder master alloy for the solder to be applied during surface mounting, namely from the determined or specified compositions of the standard solder alloy and the desired target alloy, taking into account the volume of the standard solder alloy and the volume of solder to be applied,
• - Generating a solder master alloy with the predetermined composition,
• - Generating a solder from the solder master alloy and, if necessary, the proportion of flux,
• - Applying the specified volume of solder to the intended connections (pads) of the printed circuit board,
• - placing the at least one component on the printed circuit board,
• - connecting the component to the printed circuit board by soldering,
  • - - wherein the flux used surrounds the connection point of the electronic component and eliminates an oxide layer at the pre-soldered connection point of the electronic component, and
  • - - whereby the standard solder alloy and solder pre-alloy melt due to the process temperature used and the standard solder alloy of the pre-soldered connection point of the electronic component and the pre-alloy of the applied solder are mixed through before the soldered connection between the electronic component and the circuit board is formed,
• - wherein preferably a soldered connection between the electronic component and the printed circuit board is formed with a composition which corresponds to the desired micro-alloyed target alloy.

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.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.

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 SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sb 1,5Ni0, 15.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. An example of such a micro-alloyed target alloy is the Innolot alloy SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sb 1.5Ni0.15.

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 µm 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.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, then only 50% by volume of solder master alloy are contained in the solder which is printed onto the printed circuit board. In a known solder paste print with a solder paste stencil, which has a thickness of 100 μm and a round opening diameter of 0.6 mm, which corresponds to the printed paste thickness and the printed area, a printed circular area of 0.28 mm ² with a thickness of 0.1 mm, ie a volume of solder paste printed on each connection of 0.028 mm ³ , which corresponds to a volume of 0.014 mm ³ at a volume fraction of 50% by volume of solder master alloy. In this example, 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.

Die Vorlegierung kann auch als feste Preform, z.B. als Stanzteil oder Draht verwendet werden. Solche Preforms 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.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.

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 SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sb1,5Ni0,15 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 V1 das Volumen der der Lotkugeln und V2 das Volumen der Vorlegierungspads: $$\left(\begin{array}{cccccc}\raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Ag}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ag}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Cu}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Cu}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\\ \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Ag}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ag}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Cu}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Cu}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\\ \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Ag}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ag}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Cu}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Cu}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_1+V_2\end{array}\right)$$

To determine the composition of the solder master alloy for the solder to be applied during surface mounting, 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 SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sb1 ,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 components for the master alloy are calculated. 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 are completely soluble in the solid state and there is no phase change. In the case of a complex 6-component alloy, however, the densities and proportions of the various possible phases cannot be precisely determined, so that only an estimated average density of the overall alloy can be assumed. In the calculation formula below, V1 is the volume of the solder balls and V2 is the volume of the master alloy pads: $$\left(\begin{array}{cccccc}\raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}AG}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{AG}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}C\mathrm{and}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{C\mathrm{and}}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{1,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\\ \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}AG}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{AG}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}C\mathrm{and}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{C\mathrm{and}}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{2,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\\ \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Sn}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sn}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}AG}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{AG}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}C\mathrm{and}}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{C\mathrm{and}}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Bi}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Bi}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Sb}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Sb}$}\right.& \raisebox{1ex}{$m_{\mathrm{3,}Ni}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{${\rho }_{Ni}$}\right.\end{array}\right)\cdot \left(\begin{array}{c}x\\ y\\ \mathrm{e.g}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_1+V_2\end{array}\right)$$

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dichten der Legierungselemente (Sn, Ag, Cu, Bi, Sb, Ni) ergibt sich für die Lotvorlegierung der Lotpaste folgende Legierungszusammensetzung: Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,1Sb12,5Ni1,3Taking into account the different densities of the alloying elements (Sn, Ag, Cu, Bi, Sb, Ni), the following alloy composition results for the solder master alloy of the solder paste: Sn49.2Ag9.7Cu2.2Bi25.1Sb12.5Ni1.3

Eine Lotpaste mit dieser Zusammensetzung (Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,1Sb12,5Ni1,3) 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 SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sb1,5Ni0,15 mit den gewünschten Eigenschaften für die resultierende Lötverbindung.A solder paste with this composition (Sn49.2Ag9.7Cu2.2Bi25.1Sb12.5Ni1.3) of the master alloy has a lower melting point than the standard solder due to the high proportion of bismuth. After the soldering process, mixing the solder ball of the BGAs with the standard solder (SnAg3.0Cu0.5) in a ratio of 1:8 results in the desired target alloy SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sb1.5Ni0.15 with the desired properties for the resulting soldered joint.

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
• - 0 bis 15 Gew% Sb
• - 0 bis 2 Gew% Ni
• - - Rest Sn.

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 solder master alloys based on tin-silver-copper, 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
• - 0 to 10% by weight Cu
• - 0 to 30% by weight Bi
• - 0 to 15 wt% Sb
• - 0 to 2 wt% Ni
• - - Rest Sn.

Zur vorteilhaften Herstellung der Lotvorlegierungen lassen sich marktübliche Weichlotpulver verwenden. Dies sind insbesondere: SnSb5, SnSb10, SnBi58, SnCu0,7, SnNi5, Ni, Ag, Cu.Commercially available soft solder powders can be used for the advantageous production of the solder master alloys. These are in particular: SnSb5, SnSb10, SnBi58, SnCu0.7, SnNi5, Ni, Ag, Cu.

Durch Vermischen von Weichlotpulver beispielsweise 50 % SnSb5 und 50 % SnBi58 erhält man eine Sn66Bi31Sb2-Vorlegierung.A Sn66Bi31Sb2 master alloy is obtained by mixing soft solder powder, for example 50% SnSb5 and 50% SnBi58.

Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 30 % SnSb10 und 40 % SnBi58 und 20% SnCu0,7 und 10% SnNi5 erhält man eine Sn71,1Cu0,1Bi25,5Sb2,8Ni0,5-Vorlegierung.A Sn71.1Cu0.1Bi25.1Bi25.5Sb2.8Ni0.5 master alloy is obtained by mixing soft solder powder of, for example, 30% SnSb10 and 40% SnBi58 and 20% SnCu0.7 and 10% SnNi5.

Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 65 % SnSb10 und 25 % SnBi58 und 1% Ni und 7 % Ag und 2 % Cu erhält man eine Sn65,4Ag9,4Cu2,3Bi15,8Sb6,0Ni1,1-Vorlegierung.A Sn65.4Ag9.4Cu2.3Bi15.8Sb6.0Ni1.1 master alloy is obtained by mixing soft solder powder of, for example, 65% SnSb10 and 25% SnBi58 and 1% Ni and 7% Ag and 2% Cu.

Alle drei zuletzt genannten Pulver-Zusammensetzungen ergeben Lotvorlegierungen für mikrolegierte Lötverbindungen, wobei die zuletzt genannte Sn65,4Ag9,4Cu2,3Bi15,8Sb6,0Ni1,1-Vorlegierung annähernd zu einer Ziellegierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sb1,5Ni0,15 in der Lotverbindung führt.All three of the latter powder compositions produce braze master alloys for microalloyed braze joints, with the latter Sn65.4Ag9.4Cu2.3Bi15.8Sb6.0Ni1.1 master alloy approaching a target alloy SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sb1.5Ni0.15 in the braze joint leads.

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.Before soldering, the solder is applied to the intended connections (pads) of the printed circuit board, e.g. by printing solder paste with the predetermined volume of solder. Furthermore, the use of solid solder preforms is possible.

Anschließend wird das mindestens eine Bauteil mit den vorbeloteten Anschlussstellen auf die Leiterplatte aufgesetzt.The at least one component with the pre-soldered connection points is then placed on the printed circuit board.

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 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 einzusetzten 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.Then the actual soldering process begins. The pre-soldered connection points of the components, eg 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 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 first melted solder master alloy has gradually mixed with the standard solder alloy of the solder ball . For example, if the solder ball is surrounded by a sufficient amount of flux, 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 is used as the solder paste used with a flux, such fluxes are preferred which comprise a multimeric resin. Such a resin stays in the solder joint for a long time and effectively keeps the solder master alloy melt on the solder ball.

Es entsteht eine Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte mit einer Zusammensetzung, welche der gewünschten mikrolegierten Ziellegierung entspricht.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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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

• EP 1617968 B1 [0002]EP 1617968 B1 [0002]

Claims (9)

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, - - wobei das verwendete Flussmittel die Anschlussstelle des elektronischen Bauteils umgibt und eine Oxidschicht an der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils beseitigt und - - wobei durch die verwendete Prozesstemperatur die Standardlotlegierung und Lotvorlegierung schmelzen und eine 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.Method for achieving a reliable solder connection between at least one electronic component with pre-soldered connection points (BGA) and a printed circuit board in surface mounting - Determination of the volume and composition of the pre-soldered connection points of the electronic component as the volume and composition of the standard solder alloy, - Determination of the desired composition of a micro-alloyed target alloy for the soldered connection to be achieved between the component and the printed circuit board, - Determination of the volume of solder to be applied for each intended connection (pad) on the printed circuit board, if necessary taking into account a proportion of flux, - Determining the composition of a solder master alloy for the solder to be applied during surface mounting, namely from the determined or specified compositions of the standard solder alloy and the desired target alloy, taking into account the volume of the standard solder alloy and the volume of solder to be applied, - Generating a solder master alloy with the predetermined composition, - Generating a solder from the solder master alloy and, if necessary, the proportion of flux, - Applying the specified volume of solder to the intended connections (pads) of the printed circuit board, - placing at least one component on the printed circuit board, - connecting the component to the printed circuit board by soldering, - - wherein the flux used surrounds the connection point of the electronic component and eliminates an oxide layer at the pre-soldered connection point of the electronic component, and - - Whereby the process temperature used melts the standard solder alloy and solder master alloy and the standard solder alloy of the pre-soldered connection point of the electronic component and the solder master alloy of the applied solder are mixed before the soldered connection between the electronic component and the printed circuit board is formed. 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.procedure after claim 1 , characterized in that the component has solder balls (balls) of a standard solder alloy based on tin-silver-copper, preferably an SnAg3.0Cu0.5 alloy or a SnAg3.0Cu0.7 alloy, the melting points of which are around 217 - 221 °C. 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 bevorzugtauf die Leiterplatte gedruckt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that the solder is a solder paste with a volume fraction of 30 to 70% by volume solder master alloy, preferably 50% by volume solder master alloy, the solder paste preferably being printed onto the printed circuit board. 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.procedure after claim 3 , characterized in that during soldering flux is supplied in excess, preferably 10 times the amount that is necessary to break up the oxide layer of the pre-soldered connection points. 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.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the solder master alloy is a tin alloy, preferably a tin-silver-copper alloy or tin-copper alloy, which has at least one element selected from bismuth (Bi), antimony (Sb) and nickel (Ni ) contains, the alloy proportions being adjusted in such a way that soldering with solder balls of a standard solder alloy results in a soldered connection made of a micro-alloyed alloy. Lotvorlegierung, insbesondere für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, nämlich eine Zinn-Legierung, eine Zinn-Silber-Kupfer-Legierung oder Zinn-Kupfer-Legierung, enthaltend mindestens ein weiteres Zusatzlegierungselement, ausgewählt aus einer Gruppe von Bismut, Antimon, Nickel, Germanium, Seltene-Erden-Elemente.Solder master alloy, in particular for a method according to one of Claims 1 until 5 , namely a tin alloy, a tin-silver-copper alloy or tin-copper alloy containing at least one additional alloying element selected from a group consisting of bismuth, antimony, nickel, germanium and rare earth elements. Lotvorlegierung gemäß Anspruch6, enthaltend - 0 bis 10 Gew% Ag - 0 bis 10 Gew% Cu - 0 bis 30 Gew% Bi - bis 15 Gew% Sb - bis 2 Gew% Ni - - Rest Sn.Solder master alloy according to claim 6, containing - 0 to 10 wt% Ag - 0 to 10% by weight Cu - 0 to 30% by weight Bi - up to 15 wt% Sb - up to 2 wt% Ni - - Rest Sn. Lotvorlegierung gemäß Anspruch 6 oder 7, bestehend aus - 9,7 Gew% Ag - 2,2 Gew% Cu - 25,1 Gew% Bi - 12,5 Gew% Sb - 1,3 Gew% Ni - - Rest Sn.Solder master alloy according to claim 6 or 7 , consisting of - 9.7% by weight Ag - 2.2% by weight Cu - 25.1% by weight Bi - 12.5% by weight Sb - 1.3% by weight Ni - - remainder Sn. 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.Method for producing a solder master alloy, in particular for use in a method according to one of Claims 1 until 5 - determining the desired composition of the solder master alloy, - providing soft solder powders which contain the alloying elements of the solder master alloy to be achieved, - determining the mass fractions of the selected soft solder powder, - mixing the specific mass fractions of the selected soft solder powder to form a solder master alloy.