WO1996019314A1 - Solder and its use for making a soldered joint between two objects - Google Patents

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Definitions

  • connections with a higher melting temperature above 450 ° C can be realized with hard solders.
  • the processing temperatures at which the braze melts and alloys with the parts to be joined are in the range of the melting point of the braze. This also eliminates this possibility if the connection has to be implemented in a temperature-sensitive environment. When using high temperatures comes structural changes and thus a weakening of the parts to be connected.

Abstract

A solder comprises a first metal component (1), a second metal component (2) and a filler (3), in which the first metal component (1) has a higher melting point than the second (2) and in which the first metal component (1) and the molten second metal component (2) form an intermetallic phase (4) with a melting point above the working temperature at a working temperature which is below the melting point of the first component (1). The filler (3) can be wetted by the molten second metallic component (2) and is substantially insoluble at the working temperature. The solder is suitable for making a soldered joint between two objects, whereby, at a working temperature in the region of the melting point of the second metallic component (2), the soldered joint is formed by isothermal solidification as a matrix from the intermetallic phase (4), in which the filler (3) is incorporated to form an inner surface.

Description

Beschreibung description
Lotmetall und dessen Verwendung zur Bildung einer Lötverbin- düng zwischen zwei Objekten.Solder metal and its use to form a solder joint between two objects.
Zur Herstellung einer festen Verbindung zwischen zwei Objek¬ ten, zum Beispiel einem Sensor und seinem Gehäuse, einem Bau¬ element und seinem Träger oder beim Fügen von Bauteilen, kann unter anderem eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung oder eine Lötverbindung gebildet werden. In verschiedenen An- wendungsbereichen ist es erforderlich, daß diese Verbindungen hochtemperaturfest, lösungsmittelresistent, gasdicht sowie elektrisch- und wärmeleitend sind.To establish a fixed connection between two objects, for example a sensor and its housing, a component and its carrier or when joining components, an adhesive connection, a welded connection or a soldered connection can be formed, among other things. In various areas of application, it is necessary that these connections are resistant to high temperatures, solvents, gas-tight and electrically and thermally conductive.
Organische Klebstoffverbindungen sind in hohen Temperaturbe¬ reichen, typisch über 400°C, nicht einsetzbar. Ferner treten bei Klebstoffverbindungen Adhäsionsprobleme in feuchter Um¬ gebung, mangelnde chemische Resistenz gegenüber korrosiven Medien und Lösungsmitteln, geringe mechanische Stabilität und ungenügende elektrische sowie Wärmeleitfähigkeit auf.Organic adhesive compounds cannot be used in high temperature ranges, typically above 400 ° C. Adhesion problems in moist surroundings, inadequate chemical resistance to corrosive media and solvents, poor mechanical stability and insufficient electrical and thermal conductivity also occur with adhesive bonds.
Beim Schweißen wird die Oberfläche der zu verbindenden Teile geschmolzen. Die Prozeßtemperatur liegt hier über dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Teile. Daher läßt sich diese Technik nicht anwenden, wenn sich in der Nähe der Verbin¬ dungsstelle temperaturempfindliche Bereiche befinden. Die Schweißverbindung weist eine Schmelztemperatur entsprechend dem Material der zu verbindenden Teile auf.During welding, the surface of the parts to be connected is melted. The process temperature is above the melting point of the parts to be connected. This technique can therefore not be used if there are temperature-sensitive areas in the vicinity of the connection point. The welded joint has a melting temperature corresponding to the material of the parts to be connected.
Verbindungen mit einer höheren Schmelztemperatur über 450°C lassen sich mit Hartloten realisieren. Die Verarbeitungstem¬ peraturen, bei denen das Hartlot schmilzt und mit den zu ver¬ bindenden Teilen legiert, liegen im Bereich des Schmelzpunk- tes des Hartlots. Damit scheidet diese Möglichkeit ebenfalls aus, falls die Verbindung in temperaturempfindlicher Umgebung realisiert werden muß. Bei Anwendung hoher Temperaturen kommt es zu Gefügeveränderungen und damit zu einer Schwächung der zu verbindenden Teile.Connections with a higher melting temperature above 450 ° C can be realized with hard solders. The processing temperatures at which the braze melts and alloys with the parts to be joined are in the range of the melting point of the braze. This also eliminates this possibility if the connection has to be implemented in a temperature-sensitive environment. When using high temperatures comes structural changes and thus a weakening of the parts to be connected.
In C. A. MacKay, Proc. of the techn. Conf. , 9th. Annual Int. Electronics Packaging Conf., IEPS, San Diego, CA, USA, 11. bis 13. September 1989, Seite 1244 bis 1259, ist vorgeschla¬ gen worden, zur Befestigung von vereinzelten Chips auf Trä¬ gern oder Wärmesenken zwischen den zu verbindenden Objekten ein Gemisch aus zwei Met llkomponenten zu verwenden, wobei bei der Verarbeitungstemperatur die eine Metallkomponente flüssig und die andere fest ist und wobei sich die feste Kom¬ ponente in der flüssigen Komponente löst, was zur Aushärtung des Gemisches führt. Bei Überschreitung der Solidus-Kurve im Phasendiagramm hat sich das Gemisch vollständig verfestigt.In C. A. MacKay, Proc. of the techn. Conf. , 9th Annual Int. Electronics Packaging Conf., IEPS, San Diego, CA, USA, September 11 to 13, 1989, pages 1244 to 1259, has been proposed for fixing individual chips on supports or heat sinks between the objects to be connected To use a mixture of two metal components, one being liquid at the processing temperature and the other solid at the processing temperature, and the solid component dissolving in the liquid component, which leads to hardening of the mixture. When the solidus curve in the phase diagram is exceeded, the mixture has completely solidified.
Bei der Lösung der festen Komponente in der flüssigen Kompo¬ nente kommt es zur Ausbildung einer intermetallischen Phase, deren Schmelzpunkt oberhalb der Schmelzpunkte der niedrig¬ schmelzenden Metallkomponente und damit der Verarbeitungstem- peratur liegt. Es hat sich gezeigt, daß die intermetallischen Phasen brüchig sind, so daß die mechanische Festigkeit einer auf diese Weise gebildeten Verbindung begrenzt ist.When the solid component is dissolved in the liquid component, an intermetallic phase is formed, the melting point of which is above the melting point of the low-melting metal component and thus the processing temperature. It has been shown that the intermetallic phases are brittle, so that the mechanical strength of a connection formed in this way is limited.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Lotmetall anzu- geben, das in einem Lötverfahren bei einer geringeren Verar¬ beitungstemperatur als dem Schmelzpunkt der auf diese Weise hergestellten Lötverbindung einsetzbar ist und mit dem gleichzeitig eine Lötverbindung erhöhter mechanischer Stabi¬ lität herstellbar ist. Ferner liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Bildung einer LötVerbindung unter Verwendung eines solchen Lotmetalles anzugeben.The invention is based on the problem of specifying a solder metal which can be used in a soldering process at a processing temperature lower than the melting point of the solder connection produced in this way and with which a soldered connection with increased mechanical stability can be produced at the same time. Furthermore, the invention is based on the problem of specifying a method for forming a solder connection using such a solder metal.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Lotme¬ tall gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 7. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor. Das erfindungsgemäße Lotmetall umfaßt neben einer ersten hochschmelzenden Metallkomponente und einer zweiten niedrig¬ schmelzenden Metallkomponente eine Füllkomponente. Bei einem Lötvorgang unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lotmetalls wird das Lotmetall auf eine Verarbeitungstemperatur erhitzt, bei der die zweite Metallkomponente schmilzt. Die flüssige zweite Metallkomponente reagiert mit der ersten Metallkompo¬ nente zu einer intermetallischen Phase, deren Schmelzpunkt oberhalb der Verarbeitungstemperatur liegt. Das Vorhandensein der Füllkomponente dabei führt dazu, daß sich eine Matrix aus der intermetallischen Phase bildet, die innere Oberflächen aufweist. Durch diese inneren Oberflächen wird die mechani¬ sche Stabilität der Lötverbindung verbessert.This problem is solved according to the invention by a solder metal according to claim 1 and a method according to claim 7. Further refinements of the invention emerge from the remaining claims. In addition to a first high-melting metal component and a second low-melting metal component, the solder metal according to the invention comprises a filling component. In a soldering process using the solder metal according to the invention, the solder metal is heated to a processing temperature at which the second metal component melts. The liquid second metal component reacts with the first metal component to form an intermetallic phase, the melting point of which is above the processing temperature. The presence of the filling component leads to the formation of a matrix from the intermetallic phase which has inner surfaces. The mechanical stability of the soldered connection is improved by these inner surfaces.
Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß die beobachtete Sprödigkeit von Schichten aus intermetalli¬ schen Phasen erst bei größeren Schichtdicken, typisch größer einige 10 μm, auftritt. Weisen Schichten aus intermetalli¬ schen Phasen eine Dicke von wenigen μm auf, so verlaufen Risse nur bis zu einer der Oberflächen der Schicht. Auf diese Weise wird ein Bruch aufgehalten. In einer Lötverbindung, die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lotmetalls gebildet wird, verhindern die inneren Oberflächen in der Matrix aus der intermetallischen Phase durchgehende Risse und verbessern so die mechanische Festigkeit der Verbindung. Das erfin¬ dungsgemäße Lotmetall ist daher auch geeignet zur Herstellung von Lötverbindungen mit großer Schichtdicke. Insbesondere können damit Lötverbindungen zwischen nicht planaren Oberflächen zum Beispiel zwischen gebogenen und tief gezoge- nen Blechen, wie sie beim Packaging vorkommen, oder zur Befe¬ stigung eines Sensors in einer Durchführungsbuchse verwendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Lotmetall lassen sich Löt- verbindungen mit einer Dicke bis in den Millimeterbereich mit zufriedenstellender mechanischer Festigkeit herstellen.The invention makes use of the knowledge that the observed brittleness of layers made of intermetallic phases only occurs with larger layer thicknesses, typically greater than a few 10 μm. If layers of intermetallic phases have a thickness of a few μm, cracks only run up to one of the surfaces of the layer. In this way a break is stopped. In a solder joint that is formed using the solder metal according to the invention, the inner surfaces in the matrix from the intermetallic phase prevent continuous cracks and thus improve the mechanical strength of the joint. The solder metal according to the invention is therefore also suitable for producing solder connections with a large layer thickness. In particular, soldered connections between non-planar surfaces, for example between bent and deep-drawn sheets, as they occur in packaging, or for fastening a sensor in a bushing can be used. With the solder metal according to the invention, solder connections with a thickness down to the millimeter range can be produced with satisfactory mechanical strength.
Als Füllkomponente eignet sich ein körniges Material, das sich mit guter Homogenität mit der ersten Metallkomponente und der zweiten Metallkomponente vermischen läßt. Die Füll¬ komponente ist von der flüssigen zweiten Metallkomponente be¬ netzbar und ist in der flüssigen zweiten Metallkomponente bei der Verarbeitungstemperatur im wesentlichen unlöslich.A granular material that is well homogeneous with the first metal component is suitable as the filling component and the second metal component can be mixed. The filling component can be wetted by the liquid second metal component and is essentially insoluble in the liquid second metal component at the processing temperature.
Die Verwendung einer sogenannten Tinte mit vier Komponenten zum Verlöten von Bauelementen in Gehäusen ist zwar aus EP 0 110 307 Bl bekannt. Dort wird eine Tinte, die eine hoch¬ schmelzende erste Metallkomponente, eine niedrigschmelzende zweite Metallkomponente, einen Binder und ein Lösungsmittel umfaßt, bereitgestellt. Zum Verlöten des Bauelementegehäuses wird das Gehäuse mit der Tinte zunächst soweit erhitzt, daß das Lösungsmittel entweicht. Bei weiterem Erhitzen schmilzt die niedrigschmelzende zweite Metallkomponente. Gleichzeitig entweicht der Binder. Bei weiterem Erhitzen kommt es zu einer teilweisen Lösung der hochschmelzenden ersten Metallkomponen¬ te in der niedrigschmelzenden zweiten Metallkomponente, ohne dabei eine intermetallische Phase zu bilden, die als brüchig bezeichnet wird.The use of a so-called ink with four components for soldering components in housings is known from EP 0 110 307 B1. There an ink is provided which comprises a high-melting first metal component, a low-melting second metal component, a binder and a solvent. To solder the component housing, the housing is first heated with the ink until the solvent escapes. When heated further, the low-melting second metal component melts. At the same time, the binder escapes. Upon further heating, the high-melting first metal component is partially dissolved in the low-melting second metal component without forming an intermetallic phase, which is referred to as brittle.
Für die erste Metallkomponente in dem erfindungsgemäßen Lot- metall sind insbesondere Kupfer, Nickel, Zinn, Chrom, Eisen, Silber, Blei, Zink, Mangan, Palladium, Vanadium, Kobalt, Gold oder Antimon geeignet. Für die zweite Metallkomponente in dem erfindungsgemäßen Lotmetall sind Quecksilber, Gallium, Indi¬ um, Zinn, Blei oder Wismut sowie ihre Legierungen geeignet, wobei die Kombination von erster Metallkomponente und zweiter Metallkomponente jeweils bezüglich ihrer Schmelzpunkte und möglicher intermetallischer Phasen aufeinander abgestimmt werden muß.Copper, nickel, tin, chromium, iron, silver, lead, zinc, manganese, palladium, vanadium, cobalt, gold or antimony are particularly suitable for the first metal component in the solder metal according to the invention. Mercury, gallium, indium, tin, lead or bismuth and their alloys are suitable for the second metal component in the solder metal according to the invention, the combination of the first metal component and the second metal component each having to be coordinated with respect to their melting points and possible intermetallic phases.
Um die Materialeigenschaften der fertigen Lötverbindung, etwa Elastizität oder Härte zu beeinflussen, liegt es im Rahmen der Erfindung, die zweite Metallkomponente insbesondere mit Bor zu dotieren. Dazu sind Dotierstoffkonzentrationen im Be¬ reich 0,05 Gewichtsprozent ausreichend. Die Reaktionszeit bei der Ausbildung der intermetallischen Phase ist abhängig von der Oberfläche der ersten Metallkompo¬ nente. Über die Form und die Oberflächenbeschaffenheit der ersten Metallkomponente kann die Zeit, die für das Aushärten der Lötverbindung erforderlich ist, eingestellt werden. Dabei liegt es insbesondere im Rahmen der Erfindung, die erste Me¬ tallkomponente als Pulver zu verwenden, wobei die Oberfläche der Pulverkörner mit einer porösen Schicht, zum Beispiel ei¬ nem Oxid, versehen ist. Die poröse Schicht verlangsamt die Ausbildung der intermetallischen Phase. Die poröse Schicht ist zum Beispiel aus Oxid gebildet. Als erste Metallkomponen¬ te mit diesen Eigenschaften ist zum Beispiel Kupferpulver ge¬ eignet, das oberflächlich oxidiert ist.In order to influence the material properties of the finished solder joint, such as elasticity or hardness, it is within the scope of the invention to dope the second metal component in particular with boron. Dopant concentrations in the range of 0.05 percent by weight are sufficient for this. The reaction time during the formation of the intermetallic phase depends on the surface of the first metal component. The time required for the hardening of the soldered joint can be set via the shape and the surface properties of the first metal component. It is particularly within the scope of the invention to use the first metal component as powder, the surface of the powder grains being provided with a porous layer, for example an oxide. The porous layer slows down the formation of the intermetallic phase. The porous layer is made of oxide, for example. The first metal component with these properties is, for example, copper powder which is oxidized on the surface.
Für die Füllkomponente ist insbesondere Eisen, Titan, Alumi¬ nium, Wolfram, Silizium, Glas oder Keramik geeignet. Als Füllkomponente ist auch eines der hochschmelzenden Metalle, die als erste Metallkomponente geeignet sind, geeignet, das jeweils so auszuwählen ist, daß es an der Reaktion zwischen erster Metallkomponente und zweiter Metallkomponente nicht teilnimmt. Die Korngröße liegt im Bereich 10 um. Zur Verbes¬ serung der Benetzbarkeit können die Körner von einer benetz¬ baren Schicht zum Beispiel aus TiN umgeben sein.Iron, titanium, aluminum, tungsten, silicon, glass or ceramic is particularly suitable for the filling component. Also suitable as the filling component is one of the high-melting metals which are suitable as the first metal component, which is to be selected in each case in such a way that it does not participate in the reaction between the first metal component and the second metal component. The grain size is in the range of 10 µm. To improve the wettability, the grains can be surrounded by a wettable layer, for example made of TiN.
Die mechanische Stabilität der fertigen Lötverbindung ist ab¬ hängig vom Abstand benachbarter Körner der Füllkomponente. Um diesen Abstand zu begrenzen, ist es vorteilhaft, die Füllkom¬ ponente als Pulver mit einem Gemisch verschieden großer Kör¬ ner vorzusehen, deren Dichte und Größe so bemessen ist, daß sie den Raum optimal dicht ausfüllen. Derartige Größenvertei¬ lungen entsprechen Siebkurven bei Zuschlagsstoffen im Beton¬ bau.The mechanical stability of the finished soldered connection is dependent on the distance between adjacent grains of the filling component. In order to limit this distance, it is advantageous to provide the filling component as a powder with a mixture of grains of different sizes, the density and size of which is such that they fill the space in an optimally tight manner. Such size distributions correspond to sieve curves for aggregates in concrete construction.
Alternativ kann die Ausfüllung der Lötverbindung mit der Füllkomponente durch Verwendung abgeflachter Plättchen als Füllkomponente vergrößert werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden im Lotmetall die Mengen der ersten Metallkomponente und der zweite Metall- komponente so bemessen, wie es der Stöchiometrie in der in¬ termetallischen Phase mit dem höchsten Anteil der ersten Me- tallkomponente sowie der Löslichkeit der zweiten Metallkompo¬ nente in der ersten Metallkomponente entspricht. Als Füllkom¬ ponente wird dann weiteres Material der ersten Metallkompo¬ nente verwendet. In der geschmolzenen zweiten Metallkomponen¬ te bildet sich dann eine gesättigte Lösung der ersten Metall- komponente und dieses zusätzliche Material bleibt darin unge¬ löst und bewirkt innere Oberflächen in der Matrix. Bei Ver¬ wendung einer Kombination von erster Metallkomponente und zweiter Metallkomponente, in der mehrere intermetallische Phasen gebildet werden können, muß für diese Ausführungsform die intermetallische Phase mit dem größten Anteil an der er¬ sten Metallkomponente gebildet werden, die zugleich den höch¬ sten Schmelzpunkt hat.Alternatively, the filling of the solder joint with the filling component can be increased by using flattened platelets as the filling component. According to one embodiment of the invention, the amounts of the first metal component and the second metal component in the solder metal are dimensioned in such a way that stoichiometry in the non-metallic phase with the highest proportion of the first metal component and solubility of the second metal component in corresponds to the first metal component. Further material of the first metal component is then used as the filling component. A saturated solution of the first metal component then forms in the molten second metal component and this additional material remains undissolved therein and causes inner surfaces in the matrix. When using a combination of the first metal component and the second metal component, in which several intermetallic phases can be formed, the intermetallic phase with the largest proportion of the first metal component, which at the same time has the highest melting point, must be formed for this embodiment .
Um die Benetzung der Oberflächen beim Lötvorgang zu verbes- sern, ist es vorteilhaft, wenn das Lotmetall zusätzlich einIn order to improve the wetting of the surfaces during the soldering process, it is advantageous if the solder metal is additionally an
Flußmittel umfaßt. Dieses wird insbesondere in Pulverform zu¬ gegeben. Vorzugsweise wird das in der Elektronik gebräuchli¬ che Kollophonium verwendet, das bei Erwärmung auf die Verar¬ beitungstemperatur eine schwache organische Säure entwickelt, die die Oberflächen der zu verlötenden Objekte anätzt. Wegen seines kleineren spezifischen Gewichts und seiner im Ver¬ gleich zur geschmolzenen zweiten Metallkomponente niedrigeren Oberflächenspannung wird es beim Lötvorgang an den Rand der Lötverbindung gedrängt. Dort wird es nach Fertigstellung der Lötverbindung mit einem milden Lösungsmittel, zum Beispiel Isopropanol, entfernt.Flux included. This is added in particular in powder form. The rosin commonly used in electronics is preferably used which, when heated to the processing temperature, develops a weak organic acid which etches the surfaces of the objects to be soldered. Because of its smaller specific weight and its lower surface tension compared to the molten second metal component, it is pushed to the edge of the soldered connection during the soldering process. Once the solder connection has been completed, it is removed there with a mild solvent, for example isopropanol.
Das erfindungsgemäße Lotmetall kann als Pulvergemisch unter¬ halb des Schmelzpunktes der zweiten Metallkomponente gelagert werden. Darüber hinaus liegt es im Rahmen der Erfindung, das Pulvergemisch als flüssige Suspension in ein organisches Lö¬ sungsmittel, zum Beispiel Isopropanol, einzurühren, das wäh- rend des Lötvorgangs verdampft, oder zu einer Paste, ähnlich konventionellen Lötfetten, zu verarbeiten.The solder metal according to the invention can be stored as a powder mixture below the melting point of the second metal component. Furthermore, it is within the scope of the invention to stir the powder mixture as a liquid suspension into an organic solvent, for example isopropanol, which evaporated during the soldering process, or processed into a paste, similar to conventional soldering greases.
Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, die erste Metallkom- ponente, die zweite Metallkomponente und die Füllkomponente im wesentlichen homogen zu vermischen und zu einem Draht zu pressen. Dieses erfolgt bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden zweiten Metallkom¬ ponente. Bei Verwendung eines Flußmittels kann dieses der Mi- schung vor der Bildung des Drahtes zugegeben werden oder als Beschichtung außen auf dem Draht oder als Füllung eines hoh¬ len Drahtes aufgebracht werden.Furthermore, it is within the scope of the invention to mix the first metal component, the second metal component and the filling component essentially homogeneously and to press them into a wire. This takes place at a temperature below the melting temperature of the low-melting second metal component. If a flux is used, this can be added to the mixture before the wire is formed or applied as a coating on the outside of the wire or as a filling of a hollow wire.
Zur Bildung einer Lötverbindung zwischen zwei Objekten wird das Lotmetall zwischen die Objekte gebracht, so daß beide Ob¬ jekte mit dem Lotmetall in Kontakt stehen. Anschließend wird mindestens das Lotmetall auf die Verarbeitungstemperatur er¬ hitzt. Das Erhitzen des Lotmetalls erfolgt zum Beispiel mit einem Lötkolben, dessen Spitze eine nicht benetzbare Oberflä- ehe aufweist. Dazu wird die Lötkolbenspitze mit einem hoch¬ temperaturbeständigen organischen Überzug, zum Beispiel einer Teflonbeschichtung, versehen. Alternativ besteht die Lötkol¬ benspitze aus einem nicht benetzbaren Metall wie zum Beispiel Tantal oder Wolfram, aus einem Metalloxid, zum Beispiel Alu- miniumoxid oder Keramik. Die nicht benetzbare Oberfläche der Lötkolbenspitze stellt sicher, daß beim Lötvorgang kein Zu- sammenlegieren der Lötkolbenspitze mit der entstehenden Löt¬ verbindung auftritt. Alternativ wird das Lotmetall mit Hilfe eines Heißluftgebläses mit einer feinen Düse, wie es vom Kunststoffschweißen her bekannt ist, oder durch induktive Er¬ wärmung mit einer Induktionsspule erhitzt. Das Erhitzen kann auch durch eine Lötflamme oder im Ofen erfolgen.To form a solder connection between two objects, the solder metal is brought between the objects so that both objects are in contact with the solder metal. Then at least the solder metal is heated to the processing temperature. The soldering metal is heated, for example, with a soldering iron, the tip of which has a non-wettable surface. For this purpose, the soldering iron tip is provided with a high-temperature-resistant organic coating, for example a Teflon coating. Alternatively, the soldering iron tip consists of a non-wettable metal such as, for example, tantalum or tungsten, and of a metal oxide, for example aluminum oxide or ceramic. The non-wettable surface of the soldering iron tip ensures that there is no alloying of the soldering iron tip with the resulting solder connection during the soldering process. Alternatively, the solder metal is heated with the aid of a hot air blower with a fine nozzle, as is known from plastic welding, or by induction heating with an induction coil. The heating can also be carried out by a blowtorch or in the oven.
Das Einbringen des Lotmetalls zwischen die beiden Objekte kann zum Beispiel in Form eines Drahtes, wie oben erläutert, erfolgen. Ferner kann eine Lotpaste mit Siebdruck aufgedruckt werden. Das Lotmetall kann auch zu Folien gepreßt werden, aus denen Formteile ausgestanzt werden, die zwischen die zu ver¬ bindenden Objekte gelegt werden. Schließlich liegt es im Rah¬ men der Erfindung, zur Bildung einer großflächigen Lötver¬ bindung zwischen ebenen Teilen die erste Metallkomponente, zweite Metallkomponente und Füllkomponente als Beschichtung aufzubringen.The soldering metal can be introduced between the two objects, for example in the form of a wire, as explained above. Furthermore, a solder paste can be printed with screen printing. The solder metal can also be pressed out of foils those molded parts are punched out, which are placed between the objects to be connected. Finally, it is within the scope of the invention to apply the first metal component, second metal component and filler component as a coating in order to form a large-area solder connection between flat parts.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and figures.
Figur 1 zeigt ein Lotmetall mit einer ersten Metallkomponen¬ te, einer zweiten Metallkomponente und einer Füllkom¬ ponente.FIG. 1 shows a solder metal with a first metal component, a second metal component and a filling component.
Figur 2 zeigt das Lotmetall nach Bildung einer Matrix aus ei¬ ner intermetallischen Phase mit eingelagerter Füll- komponente.FIG. 2 shows the solder metal after the formation of a matrix from an intermetallic phase with an embedded filler component.
Figur 3 zeigt zwei Objekte, die durch eine Lötverbindung mit- einander verbunden sind.FIG. 3 shows two objects which are connected to one another by a solder connection.
Ein Lotmetall umfaßt eine erste Metallkomponente 1, eine zweite Metallkomponente 2 und eine Füllkomponente 3 (siehe Figur 1) . Die erste Metallkomponente 1, die zweite Metallkom- ponente 2 und die Füllkomponente 3 sind im wesentlichen homo¬ gen vermischt. Zur leichteren Verarbeitbarkeit sind sie zum Beispiel in einem Lösungsmittel oder einer Paste (nicht dar¬ gestellt) als Suspension enthalten.A solder metal comprises a first metal component 1, a second metal component 2 and a filling component 3 (see FIG. 1). The first metal component 1, the second metal component 2 and the filling component 3 are mixed essentially homogeneously. For easier processing, they are contained, for example, in a solvent or a paste (not shown) as a suspension.
Die erste Metallkomponente weist einen Schmelzpunkt auf, der oberhalb des Schmelzpunktes der zweiten Metallkomponente liegt. Die erste Metallkomponente löst sich bei einer Verar¬ beitungstemperatur im Bereich des Schmelzpunktes der zweiten Metallkomponente 2 unter Bildung einer intermetallischen Phase 4 (siehe Figur 2), deren Schmelzpunkt oberhalb desThe first metal component has a melting point which is above the melting point of the second metal component. The first metal component dissolves at a processing temperature in the range of the melting point of the second metal component 2 to form an intermetallic phase 4 (see FIG. 2) whose melting point is above the
Schmelzpunktes der zweiten Metallkomponente 2 liegt. Dadurch bildet sich während des Lösungsvorgangs der ersten Metall- komponente 1 in der geschmolzenen, das heißt flüssigen zwei¬ ten Metallkomponente 2 durch isotherme Erstarrung eine feste Matrix aus der intermetallischen Phase 4. In der Matrix aus der intermetallischen Phase 4 bleibt die Füllkomponente 3 eingelagert. Dadurch werden in der Matrix der intermetalli¬ schen Phase 4 innere Oberflächen gebildet, an denen bei me¬ chanischer Belastung Risse enden, ohne sich durch die gesamte Matrix fortsetzen zu können.Melting point of the second metal component 2 is. As a result, the first metal Component 1 in the molten, that is to say liquid, second metal component 2 by isothermal solidification, a solid matrix from the intermetallic phase 4. The filling component 3 remains embedded in the matrix from the intermetallic phase 4. As a result, inner surfaces are formed in the matrix of the intermetallic phase 4, at which cracks end under mechanical stress without being able to continue through the entire matrix.
In der nachfolgenden Tabelle sind Beispiele für die erste Me¬ tallkomponente 1, die zweite Metallkomponente 2, die Füllkom¬ ponente 3 sowie die Verarbeitungstemperatur und der Schmelz¬ punkt der intermetallischen Phase angegeben.The table below gives examples of the first metal component 1, the second metal component 2, the filling component 3 and the processing temperature and the melting point of the intermetallic phase.
erste Me¬ zweite Me- Füll kompo¬ Mischungs¬ Verarbei¬ Schmelz¬ tal lkom¬ tallkom- nente 3 verhältnis tungstempe¬ punkt der ponente 1 ponente 2 erste Me¬ ratur Lötverbin¬ tal lkompo¬ (°C) dung nente 1 zu (°C) zweite Me¬ tal lkompo¬ nente 2first me- second me- filling compo¬ mixture processing molten metal component 3 ratio tempering point of component 1 component 2 first me soldering joint component (° C) component 1 to (° C) second metal component 2
(Gewichts¬ verhältnis)(Weight ratio)
Cu In AI >60 : 40 ca . 170 > 650Cu In AI> 60: 40 approx. 170> 650
Cu Sn Si >65 : 35 ca . 250 > 700Cu Sn Si> 65: 35 approx. 250> 700
Cu Ga Si >65 : 35 ca . 50 > 800Cu Ga Si> 65: 35 approx. 50> 800
Ni Ga W >60 : 40 ca . 50 >1100Ni Ga W> 60: 40 approx. 50> 1100
Ni In Fe >30 : 70 ca . 170 > 900Ni In Fe> 30: 70 approx. 170> 900
Ni Sn Si >40 : 60 ca . 250 >1130Ni Sn Si> 40: 60 approx. 250> 1130
Fe Sn Cr >60 : 40 ca . 250 > 900Fe Sn Cr> 60: 40 approx. 250> 900
Ni Bi Cu >70 : 30 ca . 300 > 650Ni Bi Cu> 70: 30 approx. 300> 650
Zur Bildung einer Lötverbindung 5 zwischen einem ersten Ob¬ jekt 6 und einem zweiten Objekt 7 (siehe Figur 3) wird das Lotmetall so zwischen das erste Objekt 6 und das zweite Ob¬ jekt 7 gebracht, daß es sowohl mit der Oberfläche des ersten Objekts 6 als auch mit der Oberfläche des zweiten Objekts 7 in Verbindung steht. Durch Erhitzen des Lotmetalls auf die Verarbeitungstemperatur schmilzt die zweite Metallkomponente, löst sich die erste Metallkomponente in der geschmolzenen zweiten Metallkomponente und bildet sich die Lötverbindung durch isotherme Erstarrung als Matrix aus der intermetalli¬ schen Phase 4 mit der eingelagerten Füllkomponente 3. Die Er¬ wärmung des Lotmetalls erfolgt zum Beispiel mit Hilfe eines Heißluftgebläses mit einer feinen Düse oder induktiv über eine Induktionsspule. To form a solder connection 5 between a first object 6 and a second object 7 (see FIG. 3), the solder metal is brought between the first object 6 and the second object 7 in such a way that it contacts both the surface of the first Object 6 as well as the surface of the second object 7 is connected. By heating the solder metal to the processing temperature, the second metal component melts, the first metal component dissolves in the molten second metal component and the soldered connection is formed by isothermal solidification as a matrix from the intermetallic phase 4 with the stored filling component 3 Solder metal is made, for example, using a hot air blower with a fine nozzle or inductively using an induction coil.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lotmetall1. Solder metal
- mit einer ersten Metallkomponente (1) und einer zweiten Me¬ tallkomponente (2), von denen die erste Metallkomponente (1) einen höheren Schmelzpunkt als die zweite Metallkompo¬ nente (2) aufweist, und die bei einer Verarbeitungstempera- tur zwischen dem Schmelzpunkt der zweiten Metallkomponente und dem Schmelzpunkt der ersten Metallkomponente (1) zu ei¬ ner intermetallischen Phase (4) mit einem Schmelzpunkt größer der Verarbeitungstemperatur reagieren,- With a first metal component (1) and a second metal component (2), of which the first metal component (1) has a higher melting point than the second metal component (2), and which has a processing temperature between the melting point the second metal component and the melting point of the first metal component (1) react to form an intermetallic phase (4) with a melting point greater than the processing temperature,
- mit einer Füllkomponente (3), die von der flüssigen, zwei- ten Metallkomponente (2) benetzbar ist und die bei der Ver¬ arbeitungstemperatur zur Bildung der intermetallischen Phase (4) im wesentlichen unlöslich ist.- With a filling component (3) which is wettable by the liquid, second metal component (2) and which is essentially insoluble at the processing temperature for forming the intermetallic phase (4).
2. Lotmetall nach Anspruch 1,2. solder metal according to claim 1,
- bei dem die erste Metallkomponente (1) mindestens einen der Stoffe Kupfer, Nickel, Zinn, Gold, Chrom, Eisen, Blei, Sil¬ ber, Zink, Mangan, Palladium, Vanadium, Kobalt oder Antimon enthält,in which the first metal component (1) contains at least one of the substances copper, nickel, tin, gold, chromium, iron, lead, silver, zinc, manganese, palladium, vanadium, cobalt or antimony,
- bei dem die zweite Metallkomponente (2) mindestens einen der Stoffe Quecksilber, Gallium, Indium, Zinn, Wismut, Blei oder deren Legierungen enthält.- In which the second metal component (2) contains at least one of the substances mercury, gallium, indium, tin, bismuth, lead or their alloys.
3. Lotmetall nach Anspruch 2, bei dem die zweite Metallkomponente (2) zusätzlich mit einer Dotierung aus Bor im Konzentrationsbereich 0,01 Gewichtspro¬ zent bis 0,1 Gewichtsprozent versehen ist.3. solder metal according to claim 2, wherein the second metal component (2) is additionally provided with a doping of boron in the concentration range 0.01 percent by weight to 0.1 percent by weight.
4. Lotmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Füllkomponente (3) einen der Stoffe Eisen, Titan, Keramik, Glas, Aluminium, Wolfram, Silizium oder metallisier¬ ten Kunststoff enthält.4. solder metal according to one of claims 1 to 3, in which the filling component (3) contains one of the materials iron, titanium, ceramic, glass, aluminum, tungsten, silicon or metallized plastic.
5. Lotmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 3,5. solder metal according to one of claims 1 to 3,
- bei dem die erste Metallkomponente (1) und die zweite Me¬ tallkomponente (2) in Mengen entsprechend der Stöchiometrie der intermetallischen Phase (4) vorgesehen sind,in which the first metal component (1) and the second metal component (2) are provided in amounts corresponding to the stoichiometry of the intermetallic phase (4),
- bei dem die Füllkomponente (3) aus dem Material der ersten Metallkomponente (1) besteht.- In which the filling component (3) consists of the material of the first metal component (1).
6. Lotmetall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zusätzlich ein Flußmittel vorgesehen ist, das bei der Bildung der intermetallischen Phase (4) eine Säure bildet.6. solder metal according to one of claims 1 to 5, in which a flux is additionally provided which forms an acid in the formation of the intermetallic phase (4).
7. Verfahren zur Bildung einer Lötverbindung zwischen zwei Objekten,7. method of forming a solder joint between two objects,
- bei dem zwischen die Objekte (6, 7) ein Lotmetall gebracht wird, das eine im wesentlichen homogene Mischung aus einer ersten Metallkomponente (1), einer zweiten Metallkomponente (2) und einer Füllkomponente (3) umfaßt, wobei die erste Metallkomponente (1) einen höheren Schmelzpunkt als die zweite Metallkomponente (2) aufweist und wobei die erste Metallkomponente und die zweite Metallkomponente bei einer Verarbeitungstemperatur im Temperaturbereich zwischen dem Schmelzpunkt der zweiten Metallkomponente (2) und dem Schmelzpunkt der ersten Metallkomponente (1) zu einer in¬ termetallischen Phase mit einem Schmelzpunkt größer der Verarbeitungstemperatur reagieren,- In which a solder metal is brought between the objects (6, 7), which comprises an essentially homogeneous mixture of a first metal component (1), a second metal component (2) and a filler component (3), the first metal component (1 ) has a higher melting point than the second metal component (2) and the first metal component and the second metal component at an processing temperature in the temperature range between the melting point of the second metal component (2) and the melting point of the first metal component (1) to form an intemetallic phase react with a melting point higher than the processing temperature,
- bei dem mindestens das Lotmetall auf eine Verarbeitungstem- peratur erhitzt wird, die größer gleich dem Schmelzpunkt der zweiten Metallkomponente (2) und kleiner dem Schmelz¬ punkt der ersten Metallkomponente (1) ist, so daß die zwei- te Metallkomponente (2) schmilzt und die erste Metallkom¬ ponente mit der flüssigen zweiten Metallkomponente (1) un¬ ter Bildung einer intermetallischen Phase (4) reagiert, die die Lötverbindung bildet, die bei der Verarbeitungstem- peratur fest ist und die bedingt durch die Füllkomponente (3) als Matrix mit inneren Oberflächen erstarrt.- in which at least the solder metal is heated to a processing temperature which is greater than or equal to the melting point of the second metal component (2) and less than the melting point of the first metal component (1), so that the two te metal component (2) melts and the first metal component reacts with the liquid second metal component (1) to form an intermetallic phase (4) which forms the soldered connection, which is solid at the processing temperature and which is caused by the Filling component (3) solidifies as a matrix with inner surfaces.
8. Verfahren nach Anspruch 7,8. The method according to claim 7,
- bei dem die erste Metallkomponente (1) einen der Stoffe Kupfer, Nickel, Zinn, Gold, Chrom, Eisen, Blei, Silber, Zink, Mangan, Palladium, Vanadium, Kobalt oder Antimon ent¬ hält,in which the first metal component (1) contains one of the substances copper, nickel, tin, gold, chromium, iron, lead, silver, zinc, manganese, palladium, vanadium, cobalt or antimony,
- bei dem die zweite Metallkomponente mindestens einen der Stoffe Quecksilber, Gallium, Indium, Zinn, Wismut, Blei oder ihre Legierungen enthält.- In which the second metal component contains at least one of the substances mercury, gallium, indium, tin, bismuth, lead or their alloys.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die Füllkomponente (3) feste Bestandteile umfaßt, die bei der Verarbeitungstemperatur nicht schmelzen, die von der flüssigen zweiten Metallkomponente (2) benetzt werden und die zur Bildung der inneren Oberfläche in die Matrix aus der in¬ termetallischen Phase (4) eingelagert werden.9. The method according to claim 7 or 8, wherein the filling component (3) comprises solid components which do not melt at the processing temperature, which are wetted by the liquid second metal component (2) and which form the inner surface into the matrix from the in¬ metallic phase (4) are stored.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Füllkomponente (3) einen der Stoffe Eisen, Titan, Keramik, Aluminium, Wolfram, Silizium, Glas oder metallisier¬ ter Kunststoff enthält.10. The method according to claim 9, wherein the filling component (3) contains one of the materials iron, titanium, ceramic, aluminum, tungsten, silicon, glass or metallized plastic.
11. Verfahren nach Anspruch 9,11. The method according to claim 9,
- bei dem das Lotmetall die erste Metallkomponente (1) und die zweite Metallkomponente (2) jeweils in Mengen entspre- chend der Stöchiometrie der intermetallischen Phase (4) enthält, - bei dem die Füllkomponente (3) aus dem Material der ersten Metallkomponente (1) besteht.- in which the solder metal contains the first metal component (1) and the second metal component (2) each in quantities corresponding to the stoichiometry of the intermetallic phase (4), - In which the filling component (3) consists of the material of the first metal component (1).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem dem Lotmetall ein Flußmittel zugesetzt wird, das die miteinander zu verlötenden Oberflächen der Objekte (6, 7) anätzt und das bei der Verarbeitungstemperatur aus dem Lotme¬ tall entweicht. 12. The method according to any one of claims 7 to 11, wherein a flux is added to the solder metal, which the (6, 7) to be brazed to each other etches the surfaces of the objects and the tall escapes at the processing temperature of the Lotme ¬.
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