[go: up one dir, main page]

DE102008037263A1 - Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs - Google Patents

Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs Download PDF

Info

Publication number
DE102008037263A1
DE102008037263A1 DE102008037263A DE102008037263A DE102008037263A1 DE 102008037263 A1 DE102008037263 A1 DE 102008037263A1 DE 102008037263 A DE102008037263 A DE 102008037263A DE 102008037263 A DE102008037263 A DE 102008037263A DE 102008037263 A1 DE102008037263 A1 DE 102008037263A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
solder
solder material
metal
metal nanoparticles
dispersion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102008037263A
Other languages
English (en)
Inventor
Peter Dr. Gröppel
Eberhard Dr. Ritzhaupt-Kleissl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to DE102008037263A priority Critical patent/DE102008037263A1/de
Publication of DE102008037263A1 publication Critical patent/DE102008037263A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/264—Bi as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/28—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 950 degrees C
    • B23K35/282—Zn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3006—Ag as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3013—Au as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/302—Cu as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/36—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest
    • B23K35/3612—Selection of non-metallic compositions, e.g. coatings, fluxes; Selection of soldering or welding materials, conjoint with selection of non-metallic compositions, both selections being of interest with organic compounds as principal constituents
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
    • H05K3/34—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits by soldering
    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • H05K3/3485—Applying solder paste, slurry or powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/02—Fillers; Particles; Fibers; Reinforcement materials
    • H05K2201/0203—Fillers and particles
    • H05K2201/0242—Shape of an individual particle
    • H05K2201/0257—Nanoparticles

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lot-Werkstoff mit mindestens einer Lotdispersion. Die Lotdispersion weist mindestens ein Dispersionsmittel und mindestens ein im Dispersionsmittel verteiltes Dispergen auf, wobei das Dispergen ein Lot-Pulver mit Metall-Nanopartikeln aus im Wesentlichen einem Metall-Element aufweist und die Metall-Nanopartikel einen aus dem Bereich von 20 nm bis 40 nm ausgewählten durchschnittlichen Partikel-Durchmesser aufweisen. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung zwischen zwei Bauteilen unter Verwendung des Lot-Werkstoffs angegeben. Das Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: a) Auftragen mindestens eines Dispersions-Films mit dem Lot-Werkstoff auf zumindest eines der Bauteile, b) Zusammenbringen der Bauteile, derart, dass der Dispersions-Film die Bauteile miteinander verbindet und c) Wärmebehandeln des Dispersions-Films, derart, dass die Metall-Nanopartikel zumindest zum Teil verschmelzen und damit die Lot-Verbindung entsteht. Aufgrund der erhöhten Reaktivität der Metall-Nanopartikel kann eine Lot-Verbindung zwischen zwei Bauteilen bei relativ niedrigen Prozess-Temperaturen erzeugt werden. Dabei resultiert trotz niedriger Prozess-Temperatur eine zuverlässige Lot-Verbindung.

Description

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

Claims (14)

  1. Lot-Werkstoff mit mindestens einer Lot-Dispersion aufweisend – mindestens ein Dispersionsmittel und – mindestens ein im Dispersionsmittel verteiltes Dispergens, wobei – das Dispergens ein Lot-Pulver mit Metall-Nanopartikeln aus im Wesentlichen einem Metall-Element aufweist und – die Metall-Nanopartikel einen aus dem Bereich von 20 nm bis 40 nm ausgewählten durchschnittlichen Partikel-Durchmesser aufweisen.
  2. Lot-Werkstoff nach Anspruch 1, wobei mehr als 90% der Metall-Nanopartikel und insbesondere mehr als 95% der Metall-Nanopartikel einen Partikel-Durchmesser aus dem Bereich von 20 nm bis 40 nm aufweisen.
  3. Lot-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dispergens mindestens weiteres Lot-Pulver mit weiteren Metall-Nanopartikeln aus einem vom Metall-Element verschiedenen weiteren Metall-Element aufweist.
  4. Lot-Werkstoff nach Anspruch 3, wobei mehr als 90% der weiteren Metall-Nanopartikel und insbesondere mehr als 95% der weiteren Metall-Nanopartikel einen weiteren Partikel-Durchmesser aus dem Bereich von 20 nm bis 40 nm aufweisen.
  5. Lot-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Metall-Element und/oder das weitere Metallelement aus der Gruppe Antimon, Bismut, Gold, Kupfer, Silber, Zink und Zinn ausgewählt sind.
  6. Lot-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Dispersionsmittel ein organisches Lösungsmittel aufweist.
  7. Lot-Werkstoff nach Anspruch 6, wobei das organische Lösungsmittel 1-Methoxy-2-propanol ist.
  8. Lot-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Dispersionsmittel ein polymeres Reaktions-Harz aufweist.
  9. Verfahren zum Herstellung einer Lot-Verbindung zwischen zwei Bauteilen (1, 2) unter Verwendung des Lot-Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Auftragen mindestens eines Dispersions-Films mit dem Lot-Werkstoff auf zumindest eines der Bauteile, b) Zusammenbringen der Bauteile derart, dass der Dispersions-Film die Bauteile miteinander verbindet und c) Wärmebehandeln des Dispersions-Films derart, so dass die Metall-Nanopartikel zumindest zum Teil verschmelzen und damit die Lot-Verbindung (3) entsteht.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Auftragen des Dispersions-Films mindestens ein aus der Gruppe Sprühen, Drucken und Tauchen ausgewähltes Aufbringungs-Verfahren durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Lot-Werkstoff mit einem polymeren Reaktions-Harz als Dispersionsmittel verwendet wird und beim Wärmebehandeln eine Vernetzungsreaktion des Reaktions-Harzes stattfindet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Wärmebehandeln unter Ausschluss von Sauerstoff durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Wärmebehandeln in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Wärmebehandeln bei einer Prozess-Temperatur von unter 380°C und insbesondere bei einer Prozess-Temperatur von unter 300°C durchgeführt wird.
DE102008037263A 2008-08-11 2008-08-11 Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs Ceased DE102008037263A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008037263A DE102008037263A1 (de) 2008-08-11 2008-08-11 Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008037263A DE102008037263A1 (de) 2008-08-11 2008-08-11 Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008037263A1 true DE102008037263A1 (de) 2010-02-25

Family

ID=41566476

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008037263A Ceased DE102008037263A1 (de) 2008-08-11 2008-08-11 Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102008037263A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011089194A1 (de) 2011-12-20 2013-06-20 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Verfahren zur Fertigung eines kompakten Bauteils sowie mit dem Verfahren herstellbares Bauteil
CN103985651A (zh) * 2014-05-12 2014-08-13 哈尔滨工业大学 一种低温快速连接活化金属表面与微纳米连接材料的方法
CN105127609A (zh) * 2015-10-15 2015-12-09 哈尔滨工业大学 铜/银核壳纳米颗粒低温烧结复合焊膏及其制备方法
US9695521B2 (en) 2010-07-19 2017-07-04 Universiteit Leiden Process to prepare metal nanoparticles or metal oxide nanoparticles
CN117862741A (zh) * 2024-02-04 2024-04-12 北京工业大学 一种复合金属焊膏及其制备方法和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5964963A (en) * 1994-08-25 1999-10-12 Turchan; Manuel C. Brazing paste
US20040050913A1 (en) * 2002-01-24 2004-03-18 Siemens Westinghouse Power Corporation High strength diffusion brazing utilizing nano-powders
US20060226203A1 (en) 2005-03-31 2006-10-12 Daoqiang Lu Selective solder deposition by self-assembly of nano-sized solder paricles, and methods of assembling soldered packages

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5964963A (en) * 1994-08-25 1999-10-12 Turchan; Manuel C. Brazing paste
US20040050913A1 (en) * 2002-01-24 2004-03-18 Siemens Westinghouse Power Corporation High strength diffusion brazing utilizing nano-powders
US20060226203A1 (en) 2005-03-31 2006-10-12 Daoqiang Lu Selective solder deposition by self-assembly of nano-sized solder paricles, and methods of assembling soldered packages

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9695521B2 (en) 2010-07-19 2017-07-04 Universiteit Leiden Process to prepare metal nanoparticles or metal oxide nanoparticles
DE102011089194A1 (de) 2011-12-20 2013-06-20 BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Verfahren zur Fertigung eines kompakten Bauteils sowie mit dem Verfahren herstellbares Bauteil
WO2013092123A1 (de) 2011-12-20 2013-06-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur fertigung eines kompakten bauteils sowie mit dem verfahren herstellbares bauteil
CN103985651A (zh) * 2014-05-12 2014-08-13 哈尔滨工业大学 一种低温快速连接活化金属表面与微纳米连接材料的方法
CN103985651B (zh) * 2014-05-12 2016-08-17 哈尔滨工业大学 一种低温快速连接活化金属表面与微纳米连接材料的方法
CN105127609A (zh) * 2015-10-15 2015-12-09 哈尔滨工业大学 铜/银核壳纳米颗粒低温烧结复合焊膏及其制备方法
CN105127609B (zh) * 2015-10-15 2017-03-08 哈尔滨工业大学 铜/银核壳纳米颗粒低温烧结复合焊膏及其制备方法
CN117862741A (zh) * 2024-02-04 2024-04-12 北京工业大学 一种复合金属焊膏及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69737328T2 (de) Niedertemperaturverfahren und zusammensetzungen zur herstellung elektischer leiter
DE69710089T2 (de) Druckfähige zusammensetzungen und deren auftragung auf dielektrische oberflächen für die herstellung von gedruckten leiterplatten
DE69233595T2 (de) Elektrisch leitfähige zusammensetzungen und verfahren zur herstellung derselben und anwendungen
EP2761056B1 (de) Schichtverbund aus einer trägerfolie und einer schichtanordnung umfassend eine sinterbare schicht aus mindestens einem metallpulver und eine lotschicht
DE102004032903B4 (de) Leitfähiges Pulver und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102010021765A1 (de) Anordnung zweier Verbindungspartner mit einer Niedertemperatur Druckinterverbindung Herstellungsverfahren hierzu
EP1617968A2 (de) Lotmaterial auf snagcu-basis
DE69925107T2 (de) Bleifreies lötpulver und herstellungsverfahren dafür
DE102008037263A1 (de) Bleifreier Lot-Werkstoff mit Metall-Nanopartikeln und Verfahren zum Herstellen einer Lot-Verbindung unter Verwendung des Lot-Werkstoffs
DE102021200294A1 (de) Gedruckte Schaltungsplatine
DE69022668T2 (de) Elektronische Verbindungen, Verfahren zur Bildung von Endverbindern dafür und Paste zur Ausbildung derselben.
DE102012206587A1 (de) Lotmaterial, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung zum drucklosen Fügen metallischer Substrate
EP2713685A2 (de) Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung und Schaltungsbauteil
DE102013005007A1 (de) Polymer-Dickschichtzusammensetzungen für Lotlegierungen/Metallische Leiter
DE102021131621B4 (de) Verbindungsmaterial zum verbinden sich überlappender komponenten von leistungselektronischen geräten
EP0818061B1 (de) Verfahren zur erzeugung elektrisch leitfähiger verbindungsstrukturen
WO1996019314A1 (de) Lotmetall und dessen verwendung zur bildung einer lötverbindung zwischen zwei objekten
AT512041B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines metallisierten Substrats
WO2014180620A1 (de) Silber-komposit-sinterpasten für niedertemperatur sinterverbindungen
DE102006005271B4 (de) Halbleitervorrichtung unter Verwendung einer Lötlegierung und Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung
EP2849548B1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung und Schaltungsbauteil
DE102021103360A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Vorverzinnungsanordnung und derartige Vorverzinnungsanordnung
DE102022122186B4 (de) Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte
DE102009056308A1 (de) Metallisch kontaktiertes Substrat sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102013016772A1 (de) Laminieren von Polymerdickfilm-Leiterzusammensetzungen

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection