DE69118548T2

DE69118548T2 - Verfahren zur leiterplattenreinigung mittels wasser

Info

Publication number: DE69118548T2
Application number: DE69118548T
Authority: DE
Inventors: James Davis; Bobby Landreth; Robert Mulligan; Fadia Nounou; Robert Pennisi
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1991-08-13
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2011-08-14
Also published as: EP0549616A4; US5092943A; EP0549616B1; WO1992005008A1; ATE136243T1; DE69118548D1; EP0549616A1

Description

Hinweise auf verwandte Anmeldungen

Diese Anmeldung bezieht sich auf die WO-A-91/17858 mit dem Prioritätstag 17. Mai 1990, welche nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde und sich auf Lötflußrezepturen bezieht, die Äpfelsäure enthalten; WO-A- 92/05228 mit denselben Prioritäts- und Veröffentlichungsdaten wie die vorliegende Anmeldung, welche sich auf Lötpasten bezieht, die Acrylsäure zur Verbesserung des Fließverhaltens enthalten und WO-A-91 17859 mit dem Prioritätstag 11. Mai 1990, welche sich auf Lötpastenträger bezieht, bei denen Gemische aus einwertigen und mehrwertigen Alkoholen verwendet wurden. Die vorgenannten Veröffentlichungen gehen auf die Erfinder der vorliegenden Anmeldung zurück.

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Lötpastenrezepturen und in einem Aspekt insbesondere auf Lötpastenrezepturen, die einen Rückstand erzeugen, welcher mit Wasser abwaschbar ist.

Hintergrund der Erfindung

Lötrezepturen, auch bekannt als Lötcremes oder Lötpasten, sind homogene Gemische von einer weichen Lötlegierung, üblicherweise in Pulverform, dispergiert in einem flüssigen Medium, die herkömmlicherweise eine Flußzusammensetzung oder ein Flußmittel, ein organisches Lösungsmittel, und ein Verdickungsmittel, welches der Lötrezeptur die gewünschte viskose oder pastenartige Konsistenz verleiht, enthalten. Solche Lötrezepturen können auf Oberflächen oder Örtlichkeiten auf verschiedene Weise aufgetragen werden, so durch Siebdruck oder mittels eines Verteilers wie einer Spritze, oder einfach durch Eintauchen der zu lötenden Stelle in die Lötpastenrezeptur, so daß die viskose Paste an der Stelle haftet, wie z.B. an der Zuleitung eines elektronischen Bauteils
In letzter Zeit wurden Lötpastenrezepturen zunehmend in der Elektronikindustrie benutzt, insbesondere bei der automatischen Herstellung von gedruckten Schaltungen, bei denen zuleitungslose elektronische Kleinbauteile auf einer Leiterplatte (PCB) aufgelötet sind, auf die vorher eine Lötpastenrezeptur, z.B. mittels Siebdruck, aufgetragen wurde. Die Leiterplatte wird dann einer genügend hohen Temperatur, z.B. mittels eines erhitzten Fließbands, ausgesetzt, um das Flußmittel und die Lötlegierung in der Rezeptur zum Verflüssigen und in Kontakt mit den Zuleitungen des elektronischen Bauteils zu bringen, so daß bei der nachfolgenden Abkühlung der Leiterplatte die Bauteile auf der Leitzerplatte verlötet zurückbleiben.
Die rheologischen Eigenschaften der Lötpaste bestimmen die Siebdruckbarkeit des Materials. Folglich muß, um eine gute Konturentreue auf der Leiterplatte zu erhalten, die Rheologie der Paste in einen relativ engen Verarbeitungsbereich fallen. Die Rheologie der Lötpaste wird hauptsächlich durch diejenigen Komponenten der Lötpaste bestimmt, welche insgesamt als Träger bekannt sind. Im allgemeinen bestehen Lötpastenträger aus Lösungsmitteln zum Lösen der Kolophonium-Flußmittel oder Lötmittel und der Aktivatoren, und anderen Additiven, um eine zufriedenstellende Rheologie zu erreichen. Gegenwärtig werden in handelsüblichen Lötpasten Cyclohexanol- (Sorbitol-) Derivate und verschiedene Cellosolve Mono- und Dialkylether von Ethylenglycol und Derivate davon benutzt. Zu den Problemen, die bei herkömmlichen Lösungsmitteln auftreten, gehören die schlechte Löslichkeit von organischen Säure-Flußmitteln in den Lösungsmitteln - was manchmal zur Verwendung einer Lösungsmittelmenge führt, die größer als wünschenswert ist, und die Tatsache, daß keine hohen Viskositäten erhalten werden können (schlechte rheologische Kontrolle). Viele dieser Bestandteile verdampfen unter Verflüssigungsbedingungen nicht und führen daher zu einem Rückstand, welcher durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), Terpene, mit Wasser, mittels exotischer Gase oder anderer Reinigungstechniken entfernt werden muß. Einige dieser Materialien sind gefährlich oder giftig, und FCKWs sind mit dem unerwünschten Abbau des atmosphärischen Ozons in Verbindung gebracht worden. Deshalb wäre das Beseitigen von Rückständen und der Materialien zu deren Entfernung als Verbesserung des Standes der Technik anzusehen.
Für einige Anwendungsbereiche in der Elektronikindustrie ist es wünschenswert, als Flußmittelzusammensetzung der Lötrezeptur ein Material zu verwenden, welches nicht korrosiv ist und nach den Heiz- und Kühlschritten Flußmittelrückstände erzeugt, die selbst nicht korrosiv und nicht leitend sind. Aus diesem Grund werden verbreitet Flußmittelzusammensetzungen auf Kolophonium-Basis in handelsüblich erhältlichen Lötpastenrezepturen, die eigens zur Verwendung bei der Herstellung von aufgelöteten elektronischen Bauteilen angefertigt wurden, verwendet.
Als Alternative können reaktivere Flußmittelzusammensetzungen verwendet werden, welche Rückstände hinterlassen, die korrosiv und/oder leitend sind. Oft ist eine etwas korrosive Flußmittelzusammensetzung erwünscht, so daß die Oxide, welche sich auf den zu lötenden Metalloberflächen bilden, entfernt werden können, so daß die nachfolgend gebildete Lötverbindung sowohl physikalisch als auch elektrisch stärker sein kann. Es ist jedoch notwendig, daß die gebildeten Rückstände durch wässerige oder organische Lösungsmittelsysteme entfernt werden, um zu gewährleisten, daß die entstehende gelötete Schaltung nicht korrosiv ist.
Die Verwendung von Lötpastenrezepturen, die solche auf Kolophonium basierenden oder reaktiveren Flußmittel enthalten, hat eine Reihe von Nachteilen. Erstens verhindern die nicht korrosiven Rückstände (wie Kolophonium) eine wiederholte automatische Testung der Schaltungen, da sie dazu neigen, klebrig zu sein. Auf Kolophonium basierende Flußmittel neigen dazu, erhebliche Mengen von Rückständen auf der Schaltung zu hinterlassen. Zusätzlich sind solche Rückstände unschön und müssen daher, wie die korrosiven Flußmittelrückstände, die ebenfalls unattraktiv sind, entfernt werden. Der Entfernungsschritt benötigt zusätzliche Produktionsanlagen, Zeit und Material.
Zweitens neigen Flußmittelrückstände dazu, hygroskopisch zu sein, und können dadurch zum Spritzen führen. Drittens ist es bei einigen Flußmitteln möglich, daß Lötteilchen aus der Paste sich von der Lötstelle entfernen und zur Bildung einer Anzahl von eigenständigen kleinen Kugeln aus weichem Lötmittel um die gelöteten Stellen herum führen, was zu elektrischen Kurzschlüssen führen kann.
Aufgrund dieser und anderer Nachteile ist es wünschenswert und oft notwendig, Vorkehrungen zu treffen, um die Flußmittelrückstände und jegliche Lötmittelkügelchen so gut wie möglich zu entfernen. Oft ist jedoch deren Entfernung schwierig oder unmöglich, insbesondere von Leiterplatenbereichen unterhalb der elektronischen Bauteile.
Wie bereits bemerkt, ist es allgemeine Praxis, ein wässeriges oder organisches Lösungsmittel bei der Entfernung von Flußmittelrückständen zu benutzen. Wasser ist bevorzugt, da es selbst keinen zu beanstandenden Rückstand zurückläßt Organische Lösungsmittel sind effektiver, aber weniger wünschenswert, da sie teurer und insbesondere da sie schwieriger zu beseitigen sind. Eine besondere Klasse von organischen Lösungsmitteln, die eine weitverbreitete Verwendung gefunden hatten, waren die Halogenkohlenwasserstoffe, wie z.B. die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), weil sie nach der Reinigung verdampfen. Jedoch sind diese Materialien besonders inert, und ihre eventuelle Zersetzung ist verbunden mit der unerwünschten Verringerung des atmosphärischen Ozons. Deshalb enthalten und erfordem die Lötpastenrezepturen der vorliegenden Erfindung keine FCKWs für die Rückstandsbeseitigung. WO-A-91/17858 ist eine später veröffentlichte Patentanmeldung desselben Erfinders wie des der vorliegenden Erfindung mit einem früheren Prioritätsdatum. Sie beschreibt verschiedene Löt- Flußmittel-Rezepturen, die Äpfelsäure enthalten.
Aus diesen und anderen Gründen sind die früheren Löt-Flußmittel-Zusammensetzungen weniger bevorzugt, und es wäre daher vorteilhaft, eine neue Flußmittelzusammensetzung zu finden, die einen oder mehrere dieser Nachteile vermeiden würde. Zum Beispiel wäre es vorteilhaft, eine Lötpaste bereitzustellen, deren Rückstände leicht mit Wasser abwaschbar wären.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lötpaste, wie in Anspruch 1 beansprucht, bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufbringen elektronischer Bauteile auf eine Leiterplatte, wie in Anspruch 2 beansprucht, bereitgestellt.
Bei der Ausführung dieser und anderer Aufgaben der Erfindung wird, einerseits, ein Verfahren zum Aufbringen elektronischer Bauteile auf einer Leiterplatte bereitgestellt, bei dem ein mit Wasser abwaschbarer Rückstand entsteht, welches erstens umfaßt:
Die Herstellung einer Lötpaste durch Zusammenmischen eines Lötpastenträgers, welcher ein Lösungsmittelgemisch ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Gemisch von niedrig siedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 65 bis etwa 150ºC und hochsiedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 150 bis etwa 270ºC enthält; eines Flußmittels; und eines Lötpulvers umfassend ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei, Zinn, Antimon, Silber und Gemischen daraus. Danach wird die Lötpaste auf eine zu lötende Metalloberfläche aufgebracht. Wenigstens ein elektronisches Bauteil wird auf der zu lötenden Metalloberfläche plaziert. Dann wird die Lötpaste zum Zerfließen und zum Bilden einer Lötverbindung gebracht, wobei ein Rückstand auf der Metalloberf läche entsteht. Schließlich wird der Rückstand durch Waschen der Oberfläche mit Wasser entfernt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wurde gefunden, daß Wasser ein billiges, leicht erhältliches und leicht entsorgbares Lösungsmittel für das Abwaschen der Rückstände ist, die nach einem Löt-Verflüssigungs-Vorgang, wie bei dem Zusammensetzen von elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatte (PCB), wobei besondere Lötpastenrezepturen benutzt werden, zurückbleiben. Typischerweise wird eine organische Säure in der Lötpaste benutzt, welche als effektives Flußmittel durch das Entfernen der Oxide von den Metalloberflächen dient, an welchen das Bauteil befestigt werden soll. Die organische Säure sollte in Wasser löslich sein, so daß Wasser den Rückstand nach dem Verbindungsschritt abwaschen kann.
Geeignete organische Säurematerialien, die in Wasser löslich sind, umfassen Verbindungen der Formel:
worin R eine elektronenanziehende Gruppe ist, welche, wenn sie als einziges Flußmittel oder in Verbindung mit anderen zu Lötpasten gegeben werden, ein effektives Flußmittel für das Löten von Lötmitteln wie Zinn/Blei, Zinn/Blei/Silber und Zinn/Blei/ Silber/Antimon auf Metallen wie Kupfer, Aluminium, usw. darstellen. In einem Aspekt kann die R-Gruppe Fluor, Chlor, Brom, bd, Schwefel, Nitril, Hydroxyl, Benzyl oder eine andere elektronenanziehende Gruppe sein. Anders ausgedrückt muß R elektronegativ sein, obwohl kein bestimmter Grad von Elektronegativität erforderlich ist.
Andere brauchbare organische Flußmittel schließen Adipinsäure, Acrylsäure, Polyacrylsäure, Methacrylsäure und Polymethacrylsäure ein, ohne darauf beschränkt zu sein. Diese ausgezeichneten Flußmittelzusammensetzungen ergeben wesentlich geringere Rückstände als herkömmliche Flußmittel, die auf der Kolophonium-Chemie basieren, und in einigen Fällen ergeben sie überhaupt keine Rückstände. Wo jedoch ein Rückstand vorhanden ist, kann er leicht und schnell mit Ameisensäure entfernt werden.
Nach einem Aspekt der Erfindung, worin R Hydroxyl ist, stellt die oben angegebene Formel Äpfelsäure, HOOCCH&sub2;CH(OH)COOH dar. Wie noch erklärt werden wird, wurde unerwartet gefunden, daß Äpfelsäure überraschend besser wirkt als einige der anderen untersuchten organischen Säuren. Es wurde auch gefunden, daß es eine Vielzahl von Wegen gibt, dieses Konzept umzusetzen.
Insbesondere wurde gefunden, daß diese in Ameisensäure löslichen organischen Säuren besser als einige der anderen organischen Säuren als gute Flußmittel für das Löten von Sn/Pb- und Sn/Pb/Ag-Zusammensetzungen auf Kupfer dienen. Man kann jedoch davon ausgehen, daß andere Lötmittel in Verbindung mit Äpfelsäure brauchbar sind und daß andere Metalle neben Kupfer durch Rezepturen, die Äpfelsäure enthalten, effektiv daran gebunden und gereinigt werden können. Das Flußmittel kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:
(1) Die Zugabe von organischem Säure-Pulver zu einem Lötpastenträger.
(2) Eine Lösung von wasserlöslicher Säure in einer Anzahl von Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Alkohole wie Isopropanol- und Cellosolve -Derivate.
Versuche mit diesen Lötrezepturen haben gezeigt, daß diese organischen Säuren effektive Flußmittel darstellen, die zu Lötverbindungen mit geringem Rückstand führen, welcher durch Wasser leicht entfernt werden kann. Die Zugabe der organischen Säuren zum Pastenträger erfolgt direkt, wenn das Material bei Raumtemperatur ein festes Pulver ist.
Die Flußmittelwirkung dieser organischen Säuren scheint von der Fähigkeit der Säuren zur Reduktion von Oberflächenoxiden abhängig zu sein. Interessanterweise kann Äpfelsäure direkt als Flußmittel für Lötperlen oder -kügelchen benutzt werden.
Das Lötmittel, welches in diesem Verfahren verwendet wird, sollte ein unbehandeltes Lötpulver sein. Die Metalle dieses Lötmittels können Blei, Zinn, Antimon, Silber und Gemische daraus einschließen, sind aber nicht darauf beschränkt. Es wurde gefunden, daß diese Typen von Lötmetallen exzellente Verflüssigungseigenschaften aufweisen.
In den Beispielen, wo Äpfelsäure in Verbindung mit einem Lösungsmittel zur Bildung eines Trägers für eine Lötrezeptur benutzt wird, liegt in einem Aspekt der Anteil an Äpfelsäure im Trager im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 60 Gew.% des Trägers, und in einem bevorzugten Aspekt von etwa 0,3 bis etwa 40 Gew.% des Trägers.
Es versteht sich, daß der Anteil an organischer Säure als Anteil im Lötpastenträger abhängig von der besonderen Rezeptur variiert. Zum Beispiel können Hochtemperatur-Lötpasten oder Pasten für hochoxidierte Metalloberflächen einen von den oben dargelegten Anteilen verschiedenen Anteil an organischen Säuren erfordern. Der Rest der Flußmittelzusammensetzung kann aus jedem gebräuchlichen Material bestehen. Es versteht sich, daß, obwohl die anderen gewöhnlichen Materialien, wie z.B. Kolophoniumharze, in Verbindung mit den Verbindungen der Erfindung benutzt werden können, einige dieser typischen Materialien zu Flußrückständen beitragen und deshalb nicht eingesetzt werden sollten, wenn der volle Vorteil der Wasserlöslichkeits- Eigenschaften, die durch die Flußmittelzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, zum Tragen kommen soll.
Gegenwärtige Lötpasten basieren auf Kolophonium-Flußmitteln, welche sich beim Zerfließen zersetzen, um dunkelbraune, verkrustete Rückstände zu bilden, die gewöhnlich mit Fluorchlorkohlenwasserstoff-Lösungsmitteln entfernt werden. Im Gegensatz dazu sind alle Rückstände der Lötpasten dieser Erfindung völlig wasserlöslich, was die Verwendung von FCKWs in der Leiterplattenreinigung vermeidet.
Brauchbare alkoholische Lösungsmittel für das Lösen der Flußmittel in diesen Pasten sind Gemische von wenigstens zwei Typen von Alkoholen: niedrigsiedende Alkohole und relativ hochsiedende Alkohole. Die niedrigsiedenden Alkohole sieden innerhalb eines Bereichs von etwa 65 bis etwa 150ºC, bevorzugt von etwa 70 bis etwa 130ºC. Dagegen sieden die hochsiedenden Alkohole innerhalb eines Bereiches von etwa 150 bis etwa 270ºC, bevorzugt von etwa 150 bis etwa 220ºC.
Im allgemeinen haben die niedrigsiedenden Alkohole ein Molekulargewicht im Bereich von etwa 46 bis etwa 130, bevorzugt von etwa 88 bis etwa 130. Die relativ höher siedenden Alkohole haben ein Molekulargewicht im Bereich von etwa 60 bis etwa 180, bevorzugt von etwa 100 bis etwa 180.
Vertreter der niedrigsiedenden Alkohole schließen Ethanol; 2-Methyl-1-propanol; Neopentylalkohol; 2,2-Dimethyl-3-pentanol; Isopropanol; 1-Pentanol; 2-Pentanol und Gemische daraus usw. ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Vertreter hochsiedender Alkohole schließen 2-Butoxy-ethanol; 2-(2-Ethoxy- ethoxy)ethanol; Octanole; Pentandiole; Dodecanol; 3-Phenyl-1- propanole; Benzylalkohol; 2,3-Dimethyl-2,3-butandiole; Dimethylcyclohexanole; Ethylenglycol; Naphthalinethanol und Gemische daraus usw. ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Die Lötpasten gemäß dieser Erfindung können wahlweise Paraformaldehyd als Treibmittel und Ameisensäureerzeuger enthalten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Lötpaste die folgende Zusammensetzung:
Etwa 4 bis etwa 10 Gew.% Lösungsmittelgemisch; welches enthalten kann:
2-5% niedrigsiedenden Alkohol; und
2-5% hochsiedenden Alkohol;
etwa 1 bis etwa 5 Gew.% organische Säure-Flußmittel (z.B. Äpfelsäure und/oder Adipinsäure und/oder Polyacrylsäure);
etwa 85 bis etwa 94 Gew.% Lötpulver; und
bis etwa 5 Gew.% Paraformaldehyd.
Es wird erwartet, daß auch andere spezifische Rezepturen brauchbar sind. Weiterhin werden wahrscheinlich in einer Endrezeptur verschiedene Thixotrope in einem Anteil von etwa 1-2% zugefügt, um eine zufriedenstellende Rheologie für einen optimalen Siebdruck zu erreichen. In einer Ausführungsform, wenn sowohl Äpfelsäure als auch Polyacrylsäure benutzt wird, ist ein Anteil von Maleinsäure von etwa 1% und ein Anteil von Polyacrylsäure von etwa 0,5-1% bevorzugt.
Die vorgeschlagenen Lötpasten, die ein wasserlösliches organische Säure-Flußmittel enthalten, können die gegenwärtigen Löt- Flußmittel-Systeme, die auf Kolophoniumadditiven basieren, ersetzen. Zum Beispiel kann Äpfelsäure die Säure in herkömmlichen auf Abietinsäure basierenden Flußmitteln ersetzen. Die Zugabe von Äpfelsäure zu Lötpasten wird zu ausgezeichneten Löt-Verflüssigungs-Eigenschaften führen und die Rückstandsprobleme, die bei herkömmlichen Lötpasten auftreten, beseitigen. Das Nichtvorhandensein von Rückständen reduziert den Bedarf an jeglicher Plattenreinigung mit Ozon-verringernden FCKWs nach dem Lötmittel-Zerfließen.
Lötpasten mit den oben angegebenen Zusammensetzungen wurden formuliert und untersucht. Die Pasten wiesen eine gute Siebdruckbarkeit und ausgezeichnete Zerfließ-Eigenschaften für Pasten auf, welche 2-5% organische Säuren enthalten. Geringere Säurekonzentrationen führten zwar zum Zerfließen, ergaben jedoch eine unbefriedigende Benetzung der Kupferoberf lächen, bedingt durch eine ungenügende Oxidentfernung. Die Einführung eines niedrigmolekularen Alkohols ist erforderlich, um die Lösung der Säure und des Paraformaldehyds zu beschleunigen. Der höher siedende Alkohol ist erforderlich, um der Paste geeignete rheologische Eigenschaften sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Löttemperaturen zu geben. Das Zerfließen des Lötmittels in einer offenen Atmosphäre führte zur Bildung einer kleinen Menge eines klaren bis weißen Rückstands an der Spitze der Lötstelle. Der Rückstand konnte durch Waschen mit Wasser leicht entfernt werden. Die Dauer der Wasserwäsche variiert mit der Pastenrezeptur. Die kürzesten Waschzeiten (10 Sekunden) wurden für Pasten auf der Basis von Äpfelsäure und Polyacrylsäure beobachtet, während Pasten, die Adipinsäure verwenden, einen Waschprozeß von mehreren Minuten benötigen. Die Herstellung einer mit Wasser abwaschbaren Lötpaste ist bedeutend, da hierdurch die Benutzung von FCKWs bei der Reinigung von Leiterplatten vermieden wird. Die Platten können entweder durch kurzes Waschen in Wasser oder durch Löten in einer Stickstoff/Wasser-Atmosphäre gereinigt werden.
Mit jedem dieser organischen Säureflußmittel und Verfahren der Erfindung ist keinerlei Nachrüstung des vorhandenen Fließbands notwendig. Falls bei einigen dieser Systeme ein Rückstand zurückbleibt, kann man davon ausgehen, daß dieser mit Wasser weggewaschen werden kann. In Abhängigkeit von den genauen organischen Fragmenten der nicht-metallischen Verbindungen wird deren Waschwasser wahrscheinlich behandelt werden müssen. Trotzdem sind die dabei auftretenden Bedenken erheblich geringer als solche, die durch FCKW-Reinigungsmittel oder andere organische Reinigungsmittel auftreten.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele genauer beschrieben.

Beispiele 1-15

Verschiedene organische Säuren wurden in Mengen im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 mg in eine Aluminiumschale gegeben, die 10 bis 15 Lötkugeln (30 mil Durchmesser) enthielt. Einige Tropfen Isopropylalkohol (IPA) wurden auch in die Schalen gegeben. Die Schalen wurden auf einer Heizplatte auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der Zinn/Blei-Lötkugeln erhitzt. Es wurde beobachtet, ob die Lötkügelchen ineinanderfließen oder nicht. Das Ineinanderfließen ist ein Maß dafür, ob das Zerfließen des Lötmittels und das Benetzen der Schale stattfindet. Die folgenden organischen Säuren wurden bewertet. Tabelle 1 - Organische Säure-Screening Beispiel Säure Ineinanderfließen der Lötkügelchen fand statt? Abietinsäure Adipinsäure Ascorbinsäure Acrylsäure Zitronensäure Furan-2-carbonsäure Äpfelsäure Polyacrylsäure Essigsäure cyclohexancarbonsäure Ameisensäure Ja Nein Hexansäure 4-Hydroxybuttersäure/Natriumsalz Maleinsäure Oxalsäure Nein

Beispiel 16

Lötpastenrezeptur mit wasserlöslichem Rückstand

Eine Lötpaste der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt:
0,85544 g Lötpulver: 63% Sn/36,65% Pb/0,35% Sb
0,06190 g Paraformaldehyd (Aldrich Chemical Co., 95%)
0,04659 g Äpfelsäure (Aldrich, 99%)
0,15591 g Isopropanol (IPA, Fischer Chemical Co., > 99,9%)
0,00965 g 2-Butoxyethanol (Aldrich, > )99%)
Die Lötpaste wurde in kupferbeschichtete Schalen gegeben und zum Zerfließen gebracht. Die Temperaturen wurden mit einem Oberflächenthermometer gemessen, so daß die Werte möglicherweise geringer waren als die tätsächliche Temperatur der Schale.
Die Lötpaste zerfloß, und die Schale wurde: von der Wärmequelle entfernt, als die Temperatur 220-250ºC betrug. Ein weiß schäumender Rückstand wurde unter dem Mikroskop bei 30facher Vergrößerung sichtbar. Der Rückstand wurde durch mechanisches Abschaben von der Oberfläche oder durch Lösen des Rückstandes durch Einbringen der Schale in ein Ultraschall-Wasserbad für 1 bis 3 Minuten entfernt.

Beispiele 17-20

Zusätzliche Lötpastenrezepturen

Die folgenden Lötpasten wurden wie aufgezeigt hergestellt: Beispiel 17 Menge g Gew.% Bestandteil Lötpulver Paraformaldehyd Äpfelsäure IPA (isopropylalkohol) 2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol (Aldrich, > 99%)(Aldrich, )99%)
Diese Rezeptur zeigte eine gute Verflüssigung. Beispiel 18 Menge g Gew.% Bestandteil Lötpulver (Sn/Pb/Sb) Paraformaldehyd Äpfelsäure 2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol
Diese Rezeptur zeigte keine guten Verflüssigungsergebnisse.

Beispiel 19

Zu 0,9385 g der Rezeptur von Beispiel 18 wurde das folgende dazugefügt: Menge g Bestandteil Paraformaldehyd 2-(Ethoxyethoxy)ethanol
Diese Rezeptur zeigte keine guten Verflüssigungsergebnisse.

Beispiel 20

Zu 1,4771 g der Rezeptur aus Beispiel 18 wurde das folgende zugefügt: Menge g Bestandteil 2-(Ethoxyethoxy)ethanol Äpfelsäure
Die Rezeptur aus Beispiel 20 zerfloß etwas, aber die Kupfer/Lötmittel-Benetzung war nicht ausreichend. Ein weißer Rückstand blieb nach dem Zerfließen, welcher durch 10 Sekunden in einem Ultraschall-Wasserbad entfernt wurde, wobei eine glänzende Lötoberfläche zurückblieb.

Beispiel 21

Lötpastenrezeptur mit wasserlöslichem Rückstand

Eine Lötpaste mit folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:
89,8% 2,0192 g Lötpulver: 63% Sn/36,65% Pb/0,35% Sb
0,4% 0,0091 g Äpfelsäure (Aldrich Chemical Co., 99%)
0,3% 0,0074 g Adipinsäure (Aldrich, > 99%)
1,4% 0,0319 g Paraformaldehyd (Aldrich, 95%)
4,0% 0,0902 g Isopropanol (IPA, Fischer Chemical Co.,
> 99,9%)
4,0% 0,0900 g 2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol
Die Lötpaste wurde in eine kupferbeschichtete Schale gegeben und bis zum Zerfließen erhitzt (190-250ºC). Nach dem Zerfließen bildete sich ein hellbrauner Rückstand, welcher nicht so in Wasser löslich war, wie es bei alleiniger Verwendung von Äpfelsäure der Fall gewesen war&sub4; Die Zugabe von einem Tropfen konzentrierter Ameisensäure (88%, Fisher Scientific) zum Pastengemisch in der Schale vor dem Zerfließen führte nicht zu dem Benetzungsgrad, der für die anfängliche Paste beobachtet worden war. Es wurde jedoch bei 250ºC ein zweiter Tropfen Ameisensäure zu der Paste gegeben. Dies führte zur Entfernung aller sichtbaren Rückstände.

Beispiel 22

Lötpastenrezeptur mit Polyacrylsäure

Eine Lösung von Polyacrylsäure (durchschnittliches Molekulargewicht von etwa 2.000) und Isopropanol wurde in eine kupferbeschichtete Schale gegeben, welche etwa 10 handelsüblich erhältliche Lötkügelchen enthielt. Nach dem Zerfließen der Lötkügelchen blieb eine kleine Menge von Rückstand, welcher nach 10 Sekunden in einem Ultraschall-Wasserbad verschwand. Im ersten Versuch wurde die Schale versehentlich fallengelassen, während der Rückstand noch flüssig war. Der Rückstand floß von der Schale, ohne einen sichtbaren Rückstand zu hinterlassen.

Beispiel 23

Äpfelsäure-Lötpaste

Eine Lötpaste mit einem sehr geringen, mit Wasser abwaschbaren Rückstand wurde in der folgenden Zusammensetzung hergestellt.
90,0% Lötpulver
1,0% Äpfelsäure (Aldrich)
7,0% Lösung aus 17% Polyacrylsäure in 2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol
0,3% Ethylendiamintetraessigsäure
2,0% 2,5-Hexandiol (Aldrich 99%)
Diese Paste wurde auf eine ähnliche Art wie die in Beispiel 16 geprüft. Die Verflüssigungseigenschaften waren gut und führten zu sehr geringfügigen Rückständen. Alle Rückstände, die vorhanden waren, wurden durch Waschen mit Wasser in 1 Minute entfernt. Die Siebdruckbarkeit war ebenfalls ausgezeichnet.

Beispiel 24

Siebdruckbarkeit der Äpfelsäure-Lötpaste

Die folgende Rezeptur wurde hergestellt:
40,4671 g Lötpulver
0,8582 g Äpfelsäure
1,6176 g Polyacrylsäure (PAA) /2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol- Lösung, (18% PAA)
1,1520 g gesättigte Äpfelsäure/2-(2-Butoxyethoxy)ethanol- Lösung (in erster Linie Lösungsmittel)
1,0176 g 2,5-Hexandiol
Es wurde zusätzlich Lötpulver (etwa 5 g) zugefügt, um eine geeignete Viskosität für den Siebdruck zu erreichen. Dieses Resultat kann erreicht werden, indem weniger Hexandiol zugegeben wird, in der Größenordnung von etwa 1-1,5%. Obwohl die Druckschärfe von diesem Material nach dem Screening schlecht war, war das Erscheinungsbild nach dem Zerfließen gut. Eine kleine Menge eines weißen Rückstandes wurde nach dem Zerfließen beobachtet. Es wurde gefunden, daß der Rückstand durch Waschen mit Wasser innerhalb von 30 Sekunden beseitigt werden konnte.

Beispiel 25

Siebdruckbarkeit der Äpfelsäure-Lötpaste

Eine Lötpastenrezeptur aus den folgenden Materialien wurde hergestellt:
48,5623 g Sn/Pb Lötpulver
0,9195 g Äpfelsäure
1,7152 g 18% PAA in 2-(2-Ethoxyethoxy)ethanol
1,1905 g gesättigte Äpfelsäure in 2-(2-Butoxyethoxy)ethanol
0,4214 g 2,5-Hexandiol
Die Siebdruckbarkeit der Paste war ausgezeichnet. Das Siebdrucken wurde sowohl von Hand als auch mit Hilfe eines automatischen Siebdruckers durchgeführt. Die Zerfließeigenschaften waren ausgezeichnet. Eine kleine Menge eines weißen bis klaren Rückstandes blieb nach dem Zerfließen, welche ohne weiteres durch Waschen mit Wasser entfernt werden konnte.
Es ist offensichtlich, daß die Verwendung der Verbindungen dieser Erfindung zu brauchbaren Flußmitteln in Lötpastenträgern führt. Äpfelsäure ist ein besonders brauchbares organische Säure-Flußmittel, welches überraschenderweise besser wirkt als die anderen Säuren, insbesondere durch Hinterlassen geringer Rückstände. Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung schließen das Löten und Zusammensetzen in einer Wasser/Stickstoff-Atmosphäre ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die Entdeckung einer Lötpaste mit wasserlöslichen Rückständen ist bedeutsam, da dadurch die Verwendung von FCKWs bei der Reinigung von Leiterplatten vermieden wird.
Es versteht sich, daß viele Änderungen bei der genauen Umsetzung der Erfindung, welche in den obigen Beispielen beschrieben wurde, vorgenommen werden können, welche ebenfalls unter den Schutzumf ang der hier beanspruchten Erfindung fallen. Zum Beispiel wird erwartet, daß die Verfahrensbedingungen, Methoden oder Reihenfolgen der Zugabe der Träger und Flußmittelzusammensetzungen sowie die genauen Kombinationen der Flußmittelbestandteile durch den Fachmann verändert werden können, um die Erfindung zu optimieren. Es wird auch erwartet, daß das Verfahren dieser Erfindung verwendet werden könnte, um die Montage von Leiterplatten zu erleichtern, indem eine Lötpaste, die wasserlösliche organische Säure-Flußmittel enthält, durch Screening aufgetragen wird.

Claims

1. Lötpaste umfassend:

einen Lötpastenträger umfassend:

ein Flußmittel umfassend eine organische Säure der Formel:

worin R eine elektronenanziehende Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluor, Chlor, Brom, Iod, Schwefel, Hydroxyl, Nitril und Benzyl, ist; und

ein Lösungsmittelgemisch ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Gemisch aus niedrigsiedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 65 bis etwa 150ºC und hochsiedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 150 bis etwa 270ºC; und

ein Lötpulver umfassend ein Metall ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei, Zinn, Antimon, Silber und Gemischen daraus;

-worin die Lötpaste die folgende Rezeptur umfaßt: etwa 4 bis etwa 10 Gew.-% Lösungsmittelgemisch; etwa 2 bis etwa 5 Gew.-% organische Säure-Flußmittel; und etwa 85 bis etwa 94 Gew. -% Lötpulver.

2. Verfahren zum Aufbringen elektronischer Teile auf einer Leiterplatte unter Bildung eines mit Wasser abwaschbaren Flußmittelrückstandes umfassend die Schritte: Herstellen einer Lötpaste durch Zusammenmischen von: einem Lötpastenträger umfassend:

ein Flußmittel, umfassend eine organische Säure der Formel:

ein Lösungsmittelgemisch ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Gemisch von niedrigsiedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 65 bis etwa 150ºC und hochsiedenden Alkoholen mit einem Siedepunkt im Bereich von etwa 150 bis etwa 270ºC; und

einem Lötpulver umfassend ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Blei, Zinn, Antimon, Silber und Gemischen daraus;

worin die Lötpaste die folgende Rezeptur umfaßt: etwa 4 bis etwa 10 Gew.-% Lösungsmittelgemisch; etwa 2 bis etwa 5 Gew.-% organische Säure-Flußmittel; und etwa 85 bis etwa 94 Gew.-% Lötpulver;

Auftragen der Lötpaste auf eine zu lötende Metalloberfläche;

Plazieren wenigstens eines elektronischen Teiles auf der zu lötenden Metalloberfläche;

Flüssigmachen der Lötpaste und Bilden einer Lötverbindung; und

Entfernen des Rückstandes durch Waschen der Oberfläche mit Wasser.

3. Lötpaste oder Verfahren nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, worin das Flußmittel Äpfelsäure umfaßt.

4. Lötpaste oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das Flußmittel Polyacrylsäure umfaßt.

- 5. Lötpaste oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die Lötpaste weiterhin etwa 0 bis etwa 5 Gew.-% Paraformaldehyd umfaßt.

6. Lötpaste oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Anteil an organischer Säure im Träger zwischen etwa 0,1 bis etwa 60 Gew.-% des Trägers liegt.

7. Lötpaste oder Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die niedrigsiedenden Alkohole einen Molekulargewichtsbereich von etwa 46 bis etwa 130 und die hochsiedenden Alkohole einen Molekulargewichtsbereich von etwa 60 bis etwa 180 aufweisen.