DE102011102555A1

DE102011102555A1 - Lotmaterial, Verwendung des Lotmaterials in einer Lotpaste sowie Verfahren zur Herstellung einer Lötverbindung mit Hilfe des Lotmaterials

Info

Publication number: DE102011102555A1
Application number: DE102011102555A
Authority: DE
Inventors: Thomas Koppitz; Kerstin Dönecke; Dipl.-Ing. Thomas Dorfmüller; Uwe Reisgen; Dr.-Ing. Stein Lars
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2012159607A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lotpaste umfassend eine Mischung aus nanokristallinen metallischen und/oder halbmetallischen sowie oxidischen Partikeln, bei dem die Nanopartikel einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm, insbesondere zwischen 2 bis 500 nm aufweisen. Die Mischung reagierte jeweils nach Zündung durch eine Heizwendel vollständig und selbstpropagierend durch, ähnlich wie bei einer Thermitreaktion. Durch das gewählte Verhältnis von metallischen, bzw. halbmetallischen und oxidischen Partikeln und die Wahl der Partikelgrößen lässt sich die Lötreaktion und somit das Lötergebnis steuern und vorteilhaft an die Problematik der zu verbindenden Bauteile anpassen, was besonders im Fall temperatursensibler Bauteile von Vorteil ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lotmaterial, insbesondere eine Lotpaste umfassend ein solches Lotmaterial. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lotmaterials sowie ein Verfahren zum Verbinden wenigstens zweier Bauteile mit Hilfe dieses Lotmaterials.
Stand der Technik
Das Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Lotpulver, Lotpaste) oder durch Diffusion an den Grenzflächen entsteht. Der Grundwerkstoff wird dabei anders als beim Schweißen nicht aufgeschmolzen.
Als Material zum Erzeugen einer Lötverbindung werden in der Regel Lote verwendet. Bekannt sind beispielsweise Silberlote für metallisierte Keramikteile sowie thermisch hoch beanspruchte Edelstähle. Glaslote werden zum Löten von Keramik und Glas häufig in pastöser Form eingesetzt. Sie bestehen in der Regel aus Pulver eines besonders niedrig schmelzenden Glases und organischen Zusatzstoffen, die die pastöse Konsistenz einstellen. Die organischen Stoffe verdampfen bzw. pyrolysieren und verbrennen beim Löten vollständig. Metalllote sind meist Legierungen, die als Lötdraht oder Lotpaste vorliegen. Diese können zusätzlich ein Flussmittel aufweisen. Nach der Lötung verbleibt jedoch nachteilig häufig ein Rückstand des Flussmittels auf der Lötstelle.
In der Regel wird fast ausnahmslos unter Lufteinwirkung gelötet. Schon während der Erwärmung der Lötstelle kommt es jedoch nachteilig zu einer Oxidation der Bauteiloberflächen, die eine zuverlässige und damit erfolgreiche Lötung gefährden kann. Daher wird in solchen Fällen vor dem Lötvorgang ein Flussmittel aufgetragen. Das Flussmittel reduziert (entoxidiert) die Oberfläche beim Löten und soll die erneute Oxidbildung vor und während des Lötvorgangs verhindern, die sonst die Fließ- und Benetzungseigenschaften stark reduzieren würden. Ein weiterer positiver Effekt des Flussmittels ist die Verringerung der Oberflächenspannung des flüssigen Lotes.
Die Art der Flussmittel ist vom jeweiligen Anwendungsgebiet abhängig. Viele Flussmittel müssen nach der Lötung beseitigt werden, da sie sonst korrosiv wirken.
So ist aus EP 1 099 507 B1 ein Lotpulver umfassend Sn und Zn und optional auch Bi bekannt, bei dem zur besseren Lagerung des Lotpulvers ein Kupfersalz einer Fettsäure, insbesondere Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure oder Stearinsäure, an der Oberfläche des Lotpulvers zum Haften gebracht wird, so dass ein Kontakt der Aktivierungskomponenten des Flussmittels, welches ebenfalls in dem Lotpulver enthalten ist, regelmäßig verhindert werden kann. Als Flussmittel können alle herkömmlichen nicht-ionischen, oberflächenaktiven Mittel eingesetzt werden.
Aus DE 10 2008 031 004 A1 ist ebenfalls ein Lotmaterial mit einem Metallstearat als Flussmittel bekannt, wobei vorgesehen ist, dass das Metallstearat entweder als feste Schicht auf den einzelnen Lotpartikeln oder der Kontaktfläche der Lotverbindung oder als Dispersion oder Lösung im Bindemittel vorliegt.
In Spezialfällen, zum Beispiel bei hohen Reinheitsansprüchen, oder aus Kostengründen wird ohne Flussmittel unter Schutzgas oder Vakuum gelötet. Das Schutzgas verhindert dabei die schädliche Oxidation und kann auch reduzierend auf vorhandene Oxidschichten wirken.
Ferner ist aus DE 102 08 635 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Diffusionslotstelle bekannt, bei der zwei Lotkomponenten eingesetzt werden, von denen die erste Lotkomponente einen Schmelzpunkt unterhalb eines Schmelzpunktes von intermetallischen Phasen der zu bildenden Diffusionslotstelle aufweist und eine zweite Lotkomponente einen Schmelzpunkt oberhalb der intermetallischen Phasen aufweist. Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt. Ein erstes Bauteil wird mit der ersten Lotkomponente beschichtet und das zweite Bauteil wird mit der zweiten Lotkomponente beschichtet. Auf eine der beiden Beschichtungen werden im Anschluss Nanopartikel aufgebracht, und die beiden Bauteile werden unter Erwärmung und unter Bildung von intermetallischen Phasen gefügt, wobei die Erwärmung des zweiten Bauteils mit der Beschichtung der zweiten Lotkomponente auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der ersten Lotkomponente und unterhalb der Temperatur des Schmelzpunktes der zweiten Lotkomponente erfolgt. Die Nanopartikel verteilen sich während der Schmelze der ersten Lotkomponente gleichmäßig in dieser und sollen die beim Erstarren der Diffusionslotstelle von den intermetallischen Phasen ausgehenden Mikrorisse an einer weiteren Ausbreitug hindern. Bei den Nanopartikeln handelt es sich insbesondere um einen amorphen Zusatzwerkstoff, der Substanzen wie beispielsweise Borsilikate oder auch Phosphorsilikate aufweist.
Weiterhin ist aus DE 38 34 147 A1 ein Lötverfahren bekannt, bei dem elektronische und/oder mechanische Bauteile einer Leiterplatte verbunden werden. Die eingesetzte Lötpaste weist einen Zusatzstoff auf, der als Energieträger zur Erwärmung der Lötpaste dient. Dieser erzeugt nach der Beaufschlagung mit Anregungsenergie selbstständig Prozesswärme für den Lotvorgang. Bei dem Verfahren wird die Lötstelle insbesondere durch einen Brennstoff erwärmt, der der Lötpaste beigemischt ist, oder auf sie aufgetragen ist. Die Anregungsenergie zur Entzündung des Brennstoffs wird über einen Laserstrahl, über einen Lichtblitz oder durch Ultraschall übertragen. Die übrige Wärmeenergie wird anschließend von Brennstoff erzeugt. Der Brennstoff kann aus feinem Aluminiumpulver bestehen. Der Zusatzstoff kann neben dem Brennstoff vorteilhaft auch noch einen Zündstoff, beispielsweise Aktivkohle, oder ein Oxidationsmittel, beispielsweise Kaliumchlorat, umfassen.
Gängige Lotsysteme beim Hart- und Hochtemperaturlöten basieren auf Nickel oder Silber, ggf. unter Zusatz von CuO (vgl. RAB-Löten, RAB = Reactive Air Brazing). Die Prozessierungstemperaturen sind bei gewöhnlichen Hart- bzw. Hochtemperatur- und RAB-Lötungen jedoch zu hoch. Gewöhnlich werden solche Lote zum Verbinden von metallischen Komponenten oder aber auch zum verbinden von Metallen mit Keramiken (RAB-Löten) verwendet. Dies geschieht u. a. auch im Elektronikbereich, z. B. bei LEMO^®-Steckern, die nur an bestimmten Punkten einen elektrischen Kontakt zulassen. Daher wird hier Metall mit einer keramischen Komponente mittels RAB-Lötung verbunden. Für empfindlichere elektronische Bauteile ist der RAB-Prozess aufgrund der hohen Wärmeeinbringung ebenso ungeeignet wie andere Hart- und Hochtemperaturlötprozesse.
Ferner ist es Stand der Technik, den Effekt der Schmelzpunkterniedrigung beim Fügen durch den Einsatz so genannter Nanofoils^® auszunutzen. Nanofoils bestehen aus einem Multilagensystem, bei dem eine Vielzahl von 25 bis 90 nm dicken Schichten aus beispielsweise Ni und Ti (oder Al/Ti, Ni/Si, Nb/Si) alternierend aufgetragen und zwischen zwei zu fügende Bauteile, die aus völlig unterschiedlichen Materialien bestehen können, angeordnet werden. Durch die dünnen Schichten wird die Schmelztemperatur der beteiligten Komponenten deutlich herabgesetzt und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Nach dem Zünden der Reaktion wird lokal und in kürzester Zeit eine enorme Wärmemenge freigesetzt. Durch die Variation von Dicke und Zusammensetzung der Folien bzw. Schichten kann die Temperatur, die Geschwindigkeit und die absolute Energie des Fügeprozesses gesteuert werden. Die exotherme Reaktion kann durch eine elektrische, mechanische, optische oder thermische Zündung gestartet werden. Infolge der Erwärmung können auch zusätzlich aufgebrachte Lotschichten zwischen Bauteil und Nanofolie aufgeschmolzen werden. Auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit und der niedrigen Wärmekapazität in der Fügezone bleiben die Bauteile „kalt”. Der Wärmeeinfluss und die im Bauteil entstehenden Eigenspannungen sind sehr gering. Weiterhin kann das Fügen ohne Flussmittel und bei Raumtemperatur stattfinden. Ein Problem für die breite Anwendung ist bislang noch die sehr aufwendige Herstellung der Nanofolien.
Aufgabe und Lösung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer festen, gasdichten und langzeitstabilen Verbindung zwischen metallischen und/oder keramischen Bauteilen unter Zuhilfenahme von Lotpulver bereit zu stellen, insbesondere ein Verfahren, welches bei temperaturempfindlichen Bauteilen eingesetzt werden kann.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein entsprechendes Lotpulver bereit zu stellen, welches ohne zusätzliche aufwändige Technik, wie beispielsweise Vakuumkammer oder Lotofen, eingesetzt werden kann.
Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Lotmaterial für empfindliche Bauteile bereit zu stellen, welches bereits auch bei nur lokal erhöhten Temperaturen eine feste und gasdichte sowie langzeitstabile Verbindung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Lotmaterial gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer festen, gasdichten und langzeitstabilen Verbindung mit Hilfe der vorgenannten Lotpulver gemäß Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Lotmaterials und des Verfahrens finden sich in den entsprechend darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass Materialmischungen, die durch äußere Zündung zu einer exothermen Reaktion angeregt werden, vorteilhaft als Lotmaterialien zur Herstellung einer festen, gasdichten und langzeitstabilen Verbindung wenigstens zweier Bauteile eingesetzt werden können. Mit Hilfe des Lotmaterials wird so eine lokale Wärmeeinbringung erzielt, die vorteilhaft die zu verbindenden, temperaturempfindlichen Bauteile und auch die Bauteilumgebung schont.
Bei den zu verbindenden Bauteilen kann es sich dabei sowohl um metallische als auch um keramische Bauteile handeln. Zu nennen sind hier z. B. Prozessoren und Mikrochips, die aus Siliziumeinkristallen hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Lotmaterial umfasst dabei ein Gemenge aus nanokristallinen Metall- und/oder Halbmetallpulvern und nanokristallinen Oxiden als aktivierende Komponente. Da bei Nanopartikeln die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Bulkeigenschaften überwiegen, eignet sich eine entsprechend gestaltete Lotpaste vor allem zur Lötung wärmeempfindlicher Bauteile. Die Mischung entsprechender nanokristalliner Pulver führt erfindungsgemäß zur Erzeugung durchreagierender Lotmischungen und -pasten.
Im Rahmen dieser Erfindung werden unter nanokristallinen Pulvern solche Partikel verstanden, die einen mittleren Durchmesser im Bereich von Nanometern (1 bis 1000 nm) aufweisen. Insbesondere sind damit Partikel gemeint, deren mittlerer Durchmesser im Bereich von 2 bis 500 nm liegt, und insbesondere vorteilhaft einen mittleren Durchmesser von ca. 200 nm aufweisen. Die nanokristallinen Pulver liegen zudem größtenteils in einer kristallinen Struktur vor. Zwar können auch amorphe Cluster von Nanopartikeln eingesetzt werden, kristallinen Partikeln ist jedoch Vorzug zu gewähren.
Das erfindungsgemäße Lotmaterial weist einerseits wenigstens ein nanokristallines Metall- und/oder Halbmetallpulver als Reduktionsmittel auf. Als dafür besonders geeignete Vertreter der Metallpulver sind beispielsweise Aluminium, Titan, Magnesium, Zirkon, Tantal, Haffnium, Indium, Germanium oder Seltenerdmetalle zu nennen. Ferner haben sich Halbmetalle, wie beispielsweise Bor oder Silizium, als ebenfalls geeignete Reduktionsmittel herausgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Lotmaterial sowohl nanokristallines Metallpulver als auch Halbmetallpulver als Reduktionsmittel auf. Es hat sich herausgestellt, dass das nanokristalline Halbmetallpulver in der Reaktion mit dem Metalloxid die nötige Prozesswärme bereitstellen kann, um die metallischen Nanopartikel aufzuschmelzen. Somit kann nanokristallines Halbmetallpulver bevorzugt als weiterer Zusatz zu nanokristallinen Metallpulvern in dem erfindungsgemäßen Lotmaterial eingesetzt werden.
Ferner umfasst das Lotmaterial wenigstens ein nanokristallines Oxid als aktivierende Komponente, wie beispielsweise Nickel(I)oxid, Nicke(II)oxid, Nickel(III)oxid, sowie Mischungen davon, Silber(I)oxid, Silber(II)oxid, Silber(III)oxid sowie Mischungen davon, Palladium(II)oxid und Palladium(IV)oxid, Gold(II)oxid, Gold(III)oxid, Platin(II)oxid, Platin(IV)oxid, Platin(VI)oxid, Iridium(III)oxid, Iridium(IV) oder Iridium(VI)oxid.
Denkbar ist aber ebenso eine Mischung aus mehreren Metall/Halbmetallpulvern mit einem nanokristallinen Oxid als aktivierende Komponente, oder auch nur ein Metall/Halbmetallpulver mit mehreren nanokristallinen Oxiden als aktivierende Komponente. Selbstverständlich sind auch Mischungen mehrerer nanokristalliner Metall- bzw. Halbmetallpulver mit mehreren nanokristallinen Oxiden als aktivierende Komponente einsetzbar.
Die Kombination von Metall, bzw. Halbmetall und Oxid kann vorteilhaft an die Ansprüche des zu lötenden Systems angepasst werden, um eine möglichst fehlerfreie Lötung bei möglichst geringer Wärmeeinbringung bereitzustellen. Dabei ist die Mischung von Metall bzw. Halbmetall und Oxid so auszuwählen, dass sie einen möglichst niedrigen Schmelzpunkt aufweist und eine gute Anbindung an die jeweils zu lötenden Komponenten ermöglicht. Die Anbindung wird dabei entscheidend von den zu verbindenden Grundwerkstoffen und dem dazu ausgewählten Lot beeinflusst.
Das in der Lötpaste eingestellte Verhältnis von Metallpulver bzw. Halbmetallpulver zu Oxid kann dabei in einem relativ weiten Bereich, beispielsweise von 1 zu 0,1 bis 1 zu 10, variieren, wobei sich die Zahlenwerte auf molare Verhältnisse beziehen. Insbesondere kann ein stöchiometrisches oder nahezu stöchiometrisches Verhältnis zwischen Metall bzw. Halbmetall und Oxid eingestellt werden. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Für das vollständige Durchreagieren der Lotpaste ist in der Regel eine Mischung mit einem nahezu stöchiometrischen Verhältnis zu wählen.
Als Beispiel für ein stöchiometrisches Verhältnis mit einem nanokristallinen Metallpulver kann genannt werden: 3NiO + 2Al → 1Al₂O₃ + 3Ni oder auch 2NiO + 1Ti → 1TiO₂ + 2Ni oder im Fall eines nanokristallinen Halbmetalls: 2NiO + Si → SiO₂ + 2Ni oder auch 3NiO + 2B → B₂O₃ + 3Ni
Bei dem Einsatz eines stöchiometrischen Verhältnis wird davon ausgegangen, dass nach der Zündung der Lötpaste die Redoxreaktion zwischen dem Metall, bzw. Halbmetall, als Reduktionsmittel und dem Oxid als Oxidationsmittel erschöpfend stattfindet, also das Metall, bzw. Halbmetall komplett aufoxidiert und dass Metall aus der Oxidverbindung als reduziertes Metall vorliegt. Sofern stöchiometrisch mehr Metall, bzw. Halbmetall als Oxid eingesetzt wird, spricht man von einem überstöchiometrischen Verhältnis. Dabei würde sich eine Schmelze aus dem eingesetzten und dem entstehenden Metall bilden, wobei es zur Bildung unterstöchiometrischer Reaktionsprodukte im Bereich des zu bildenden Oxids kommen kann.
Zur besseren Applizierbarkeit der vorgenannten Mischung entsprechender nanokristalliner Pulver als Lotpaste können dieser Mischung optional weitere Zusätze zugegeben werden, die die Mischung beispielsweise in ein Gel überführen oder rieselfähig machen. Dazu können beispielsweise einer Lösung der nanokristallinen Partikel in ionischen Flüssigkeiten Polyvinylpyrrolidone (PVP), auch Povidone genannt, zugesetzt werden. Die Überführung in ein Gel kann vorteilhaft verhindern, dass die nanokristallinen Metall- bzw. Halbmetallpulver und die nanokristallinen Oxide direkt in Berührung kommen, was einerseits die Lagerfähigkeit verbessert und andererseits die Gefahr einer Selbstentzündung verringert. Denkbar ist beispielsweise die Umhüllung der Nanopartikel mit einer Passivierungsschicht und/oder einer organischen Hülle. Diese Hülle weisen die Nanopartikel in der Regel schon aus dem Herstellungsprozess in ionischen Flüssigkeiten auf. Andernfalls würden sie sonst sofort nachteilig zu größeren Einheiten agglomerieren. Eine solche Beschichtung würde vorteilhaft bei der exothermen Redoxreaktion verdampfen.
Neben den eigentlichen Reaktionsedukten, Metall- bzw. Halbmetallpulver und Oxidpulver, die für die die von außen initiierte chemische exotherme Reaktion notwenig sind, kann die Lotpaste ferner auch noch weitere Zusätze an metallischen und/oder keramischen Pulvern oder Halbleitern aufweisen. Diese Zusätze nehmen in der Regel an der chemischen Redoxreaktion selbst nicht teil, sondern werden lediglich durch die bei der Reaktion entstehende Wärme selbst aufgeschmolzen, bzw. dienen als Keimbildner. Diese Zusätze können dabei in Form einer Dotierung mit einem Gewichtsanteil von 0,1 bis 1 Gew.-%, oder aber auch in Summe in größeren Mengen bis hin zu maximal 5 Gew.-% in der Lötpaste vorliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Lotpaste beispielsweise insbesondere Si und/oder B als Zusatz auf. Es können aber auch andere Metalle oder Metallstearate (als Flussmittel) zugesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile setzt die erfindungsgemäße Lotpaste ein. Das Lotmaterial kann dabei über übliche Methoden auf die zu verbindenden Bauteile aufgebracht werden.
Während des Fügevorgangs mit der erfindungsgemäßen Lotpaste wird eine Zündung des Lotmaterials durch eine externe Energiequelle initiiert, beispielsweise durch elektrischen Strom oder eine thermische Quelle oder auch optische Reize. Es sind aber auch weitere Zündquellen denkbar. Durch die Zündung wird eine Reaktion ähnlich einer Thermitreaktion ausgelöst, das bedeutet, dass eine Kettenreaktion gestartet wird und keine weitere Energiezufuhr notwendig ist.
Nach der Zündung kommt es zu einer exothermen chemischen Redoxreaktion zwischen dem nanokristallinen Oxid als oxidierende Komponente und dem nanokristallinen Metall- bzw. Halbmetallpulver als Reduktionsmittel. Dabei reagiert das Gemenge aus dem nanokristallinen Metall- bzw. Halbmetallpulver und dem nanokristallinen Oxid, welches sich nach der Reaktionseinleitung innerhalb kurzer Zeit unter Entwicklung großer Wärmemengen und unter Bildung des vorher im Metall- bzw. Halbmetallpulver enthaltenen Metalls umsetzt, d. h. in die metallische Form reduziert wird. Die eingesetzten Edukte reagieren entsprechend dem stöchiometrischen Verhältnis vollständig durch. Bei der Reaktion handelt es sich um eine Redoxreaktion, bei der das Metall- bzw. Halbmetallpulver als Reduktionsmittel benutzt wird, um das Metalloxid vollständig zum Metall zu reduzieren. Die Reaktion ist stark exotherm. Die kurze aber hohe Wärmeeinwirkung der Redoxreaktion bewirkt, dass vorteilhaft nur das Lot und die äußersten Randbereiche der zu fügenden Bauteile beeinflusst werden.
Durch das Vorliegen der Edukte als Nanopartikel ergeben sich vorteilhaft neue Verbrennungseigenschaften. Die Reaktivität der beteiligten Stoffe wird regelmäßig gesteigert. Das Vorliegen des Oxidationsmittels als Nanopartikel führt beispielsweise dazu, dass der Schmelzpunkt des Metall- bzw. Halbmetallpulvers, welches als eigentliches Lotmetall eingesetzt wird, deutlich herabgesetzt werden kann. Somit kann die Lotverbindung bei insgesamt niedrigeren Temperaturen erzeugt werden, was sich vorteilhaft auf die beteiligten Bauteile auswirkt, da der Gesamtwärmeeintrag in diese deutlich reduziert wird.
Optional können den Mischungen und Pasten jedoch auch noch zusätzliche Anteile an metallischen oder anderen Pulvern zugemischt werden, die durch die Reaktionswärme mit aufgeschmolzen werden.
Der direkte Einsatz nanokristalliner Komponenten in der Lotpaste vereinfacht die Handhabung und Bereitstellung gegenüber den bereits bekannten Fügeverfahren. Es ist weder ein Vakuum noch ein spezieller Lötofen notwendig, da eine Zündung zum Beispiel durch elektrischen Strom unter Argon möglich ist. Eine Lötung unter Schutzgas, z. B. Argon, ist möglich, auch eine Prozessierung im Vakuum ist denkbar. Die zu erzeugende Lotpaste ist einfach applizierbar. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Lotpaste auf ”Thermitbasis” bestehend aus Nanopartikeln verspricht somit die Einhaltung der lokalen Wärmeeinbringung und damit die Schonung temperaturempfindlicher Bauteile und Bauteilumgebungen. Der Wärmeeinfluss auf die Bauteile und thermisch bedingte Gefügeänderungen werden so vorteilhaft minimiert. Die Erfindung betrifft eine Lotpaste umfassend eine Mischung aus metallischen und oxidischen Nanopartikeln, bei dem die Nanopartikel einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm, insbesondere zwischen 2 bis 500 nm aufweisen. Die Mischung reagierte jeweils nach Zündung durch eine Heizwendel vollständig und selbstpropagierend durch, ähnlich wie bei einer Thermitreaktion.
Durch das gewählte Verhältnis von metallischen und oxidischen Partikeln und die Wahl der Partikelgrößen lässt sich die Lötreaktion und somit das Lötergebnis steuern und vorteilhaft an die Problematik der zu verbindenden Bauteile anpassen, was besonders im Fall temperatursensibler Bauteile von Vorteil ist.
Spezieller Beschreibungsteil
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung des Schutzbereiches zu verstehen ist.

Für die erfindungsgemäße Lotpaste kommen in Anbetracht der herkömmlichen verwendeten Lotsysteme auf Ni-, Ag- und Cu-Basis insbesondere die folgenden Systeme in Betracht:

Me + Ag₂O,	Me + Ag₂O₂,	Me + Ag₃O₄,	Me + Ag₂O₃,
Me + CuO,	Me + Cu₂O,
Me + PdO,	Me + PdO₂,
Me + NiO,	Me + Ni₂O₃,	Me + Ni₃O₄,
Me + AuO,	Me + Au₂O₃,
Me + PtO,	Me + PtO₂,	Me + PtO₂,
Me + Ir₂O₃,	Me + IrO₂,	Me + IrO₃,

wobei Me im Rahmen dieser Erfindung und für die vorgenannten Fälle sowohl für Metalle als auch für Halbmetalle steht.

Die Verwendbarkeit des Systems Al + NiO unter Argonatmosphäre wurde in einem Vorversuch nachgewiesen. Denkbar ist ebenso die Verwendung mehrerer Metall- bzw. Halbmetallkomponenten mit einem Oxid oder einer Kombination verschiedener Metalloxide. Die Zusammensetzung muss dabei nicht zwingend stöchiometrisch sein. Durch die elektrisch zündbare, sich selbstpropagierende chemische Reaktion wird ausreichend Wärme lokal bereitgestellt, um weitere Metallpartikel, die selbst nicht an der chemischen Reaktion beteiligt sind, aufzuschmelzen, um eine möglichst gute Benetzung der Komponenten und daraus resultierend einen stabilen Lotverbund herbeizuführen.
Aus der Literatur sind Versuche zur Abhängigkeit des Schmelzpunktes einiger typischer Lotmetalle in Abhängigkeit von der vorliegenden Partikelgröße bekannt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Verringerung der Partikelgröße regelmäßig zu einer Herabsetzung des Schmelzpunktes führt. So sinkt der Schmelzpunkt von Nickel um ca. 75 K wenn anstelle von Partikeln mit einer mittleren Größe von 200 nm Partikel mit einer mittleren Größe von nur noch 40 nm eingesetzt werden. Da mit einer Verringerung der Partikelgröße regelmäßig auch eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit einhergeht, und damit auch eine Verringerung der Sintertemperatur, können diese Effekte vorteilhaft ausgenutzt werden, um auch bei niedrigeren Temperaturen und kürzeren Zeiten eine dichte Lotverbindung herzustellen, die zudem auch noch ein geringeres Kornwachstum aufweist, als bei herkömmlichen Lotverbindungen mit gröberen Partikeln.
Bei der erfindungsgemäßen Lotpaste handelt es sich um ein Lot, welches

a. metallische und oxidische Nanopartikel (vorteilhaft mit einem mittleren Durchmesser zwischen 2 bis 200 nm) enthält,
b. pastös gebunden und lokal applizierbar ist,
c. als oxidische Partikel insbesondere AgO, CuO oder NiO enthält, darüber hinaus aber auch Goldoxid, Platinoxid, Palladiumoxid und Iridiumoxid einsetzbar sind,
d. als metallische Partikel ein Metall enthält, das mit einem der vorgenannten Oxide gemäß einer Thermitreaktion vollständig durchreagiert,
e. elektrisch oder thermisch gezündet werden kann,
f. durch eine selbstpropagierende chemische Reaktion lokal Wärme einbringt,
g. durch eine selbstpropagierende chemische Reaktion weitere Metallpartikel (Lot) aufschmelzen kann,
h. durch die lokale Erwärmungszone die Bauteilumgebung regelmäßig nicht durch Wärmeeinbringung schädigt,
i. unter Inertgas aber auch im Vakuum prozessiert werden kann, und welches
j. ein stöchiometrisches oder aber ein nicht-stöchiometrisches Verhältnis an Metallen und Metalloxid/Metalloxiden enthält.

In durchgeführten Versuchen wurde die Lötung unter verschiedenen Schutzgasen, z. B. Ar und N₂, und auch im Vakuum durchgeführt. Die Mischung reagierte jeweils nach Zündung durch eine Heizwendel vollständig und selbstpropagierend durch.
Im Gegensatz zu der Verwendung der aus dem Stand der Technik bekannten Nanofoils und reaktiven Nanometer-Multischichten lässt sich die erfindungsgemäße Lotpaste durch eine Mikrodosiervorrichtung konturtreu und einfach applizieren und durch geeignete Wahl der Materialien, Menge und gewähltes Verhältnis für jeden speziellen Fall leicht an die zu fügenden Bauteile und weitere Rahmenbedingungen anpassen. Ein Durchreagieren durch Selbstpropagation ist gewährleistet, da Oxidations- und Reduktionsmittel gleichmäßig (homogen) vermischt in der erfindungsgemäßen Lotmischung vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1099507 B1 [0006]
DE 102008031004 A1 [0007]
DE 10208635 A1 [0009]
DE 3834147 A1 [0010]

Claims

Lotmaterial umfassend eine Mischung aus nanokristallinen metallischen und/oder halbmetallischen Partikeln sowie zusätzlich nanokristalline oxidische Partikel.
Lotmaterial nach Anspruch 1, bei dem die nanokristallinen Partikel einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm, insbesondere zwischen 2 bis 500 nm aufweisen.
Lotmaterial nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Mischung pastös gebunden vorliegt.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend Silberoxid, Kupferoxid, Nickeloxid, Goldoxid, Platinoxid, Palladiumoxid oder Iridiumoxid als oxidische Partikel.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend Aluminium oder Titan, Magnesium, Zirkon, Tantal, Haffnium, Indium Germanium oder Seltenerdmetalle als metallische Partikel.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend Silizium oder Bor als Halbmetallpartikel.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die nanokristallinen metallischen bzw. halbmetallischen und oxidischen Partikel in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegen.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches zusätzlich wenigstens ein weiteres Metall und/oder eine Keramik aufweist.
Lotmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit nanokristallinen metallischen, halbmetallischen und oxidischen Partikeln.
Verfahren zur Verbindung zweier Bauteile mit Hilfe eines Lotmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung der Lotpaste durch eine externe Zündquelle eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Zündung mit Hilfe einer Spannungsquelle oder einer thermischen Quelle eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, bei dem die nanokristallinen metallischen und/oder halbmetallischen Partikel und die oxidischen Partikel nach der Zündung unter Wärmeabgabe chemisch reagieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die nanokristallinen metallischen und/oder halbmetallischen Partikel und die oxidischen Partikel in einem stöchiometrischen Verhältnis vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem durch die Wärmentwicklung der chemischen Reaktion wenigstens ein weiteres Metall und/oder eine weitere Keramik der Lötpaste zumindest teilweise aufschmelzen.
Verwendung des Lotmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Lotpaste.
Verwendung nach Anspruch 15 zum Löten temperaturempfindlicher Bauteile.