Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen zwei elektronischen Bauteilen und Vorlegierungen auf der Basis von Zinn-Silber-Kupfer-Legierungen hierfür.

Mikrolegierte Weichlote für Lötverbindungen zwischen elektronischen Bauteilen sind aus EP 1 617 968 B l bekannt und haben sich bewährt. Diese Weichlote können die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen, insbesondere unter Bedingungen einer Hochtemperaturbeanspruchung, z.B. bei Betriebstemperaturen von größer 120°C, deutlich verbessern. Weichlote werden für die Lötverbindung eines oberflächenmontierten Bauelements (Surfacemounted device - SMD) üblicherweise in Form von Lotpasten aufgetragen. Der Effekt der Mikrolegierungen ist allerdings bei Bauelementen unwirksam, die bereits mit einem Standardlot vorbelotet sind, wie z.B. Kugelgitteranordnungen (Ball Grid Arrays - BGA). Dies ist eine Gehäuseform von Integrierten Schaltungen, bei der die Anschlüsse für die SMD-Bestückung kompakt auf der Unterseite des Bauelements liegen. Bei der Verwendung solcher BGAs wird das mikrolegierte Lot der Lotpaste in dem Standardlot der BGAs stark verdünnt, so dass die Mikrolegierungselemente bei der Bildung der Lötverbindung nicht ausreichend wirksam werden.

In dem Artikel “Optimizing Solder Paste Volume for Low-temperature Reflow of BGA Packages” (Keith S. et al., in SMT007 Magazine, Volume 34, Juli 2019, Nummer 7, Seiten 14-16, über: http://iconnect007.uberflip.com/smt007- magazine/smt007-july2019) wird beschrieben, wie Lotverbindungen mechanisch widerstandsfähiger gemacht werden können, indem man ein Standardlot einer BGA mit einer Lotpaste beim Lötvorgang teilweise vermischt, wobei ein Teil des Standardlots nach dem Lötvorgang unvermischt erhalten bleibt und nur ein anderer Teil des Standardlots mit der Lotpaste eine neue Legierung eingeht. Dies hat Vorteile für die mechanische Festigkeit der neuen Lotverbindung. Es werden Lotpasten aus einer Sn-Bi-Legierung empfohlen, die von der Konzentration der Komponenten her nahe dem eutektischen Bereich angeordnet sind, der einen Schmelzpunkt von ungefähr 139 °C aufweist. In dem Dokument sind Methoden beschrieben, wie die endgültige Zusammensetzung der Lotverbindung berechnet werden kann; es ist jedoch nicht vorgesehen eine endgültige Zusammensetzung der Ziellegierung festzulegen und die Zusammensetzung einer Lotvorlegierung anhand der gewünschten Ziellegierung und des Volumens des aufzubringenden Lotmittels zu berechnen um diese Ziellegierung zu erhalten. Ebenso wenig ist vorgesehen das Standardlot einer BGA vollständig aufzuschmelzen und eine überwiegende bis vollständige Durchmischung des Standardlots und der Lotpaste zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässige mikrolegierte Lötverbindung mit festzulegender Legierung auch bei der Verwendung von Bauteilen mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) zu erhalten.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hierfür wird eine Lotvorlegierung mit den Merkmalen von Anspruch 6 verwendet, welche eine erhöhte Konzentration an Mikrolegierungselementen besitzt. Die Lotvorlegierung vermischt sich beim Löten mit der vorbeloteten Standardlegierung und nach dem Löten stellt sich schließlich eine gewünschte mikrolegierte Ziellegierung in der Lötverbindung ein.

Das neue Verfahren zur Erzielung einer zuverlässigen Lötverbindung zwischen mindestens einem elektronischen Bauteil mit vorbeloteten Anschlussstellen (BGA) und einer Leiterplatte bei der Oberflächenmontage enthält folgende Schritte:

• Feststellung des Volumens und der Zusammensetzung der vorbeloteten Anschlussstellen des elektronischen Bauteils als Volumen und Zusammensetzung der Standardlotlegierung, • Festlegung der gewünschten Zusammensetzung einer mikrolegierten Ziellegierung für die zu erzielende Lötverbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte,

• Festlegung des aufzutragenden Volumens an Lotmittel je vorgesehenem Anschluss (Pad) auf der Leiterplatte, gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Anteils an Flussmittel,

• Bestimmen der Zusammensetzung einer Lotvorlegierung für das aufzutragende Lotmittel bei der Oberflächenmontage, nämlich aus den festgestellten bzw. festgelegten Zusammensetzungen der Standardlotlegierung und der gewünschten Ziellegierung unter Berücksichtigung des Volumens der Standardlotlegierung sowie des aufzutragenden Volumens an Lotmittel,

• Erzeugen einer Lotvorlegierung mit der vorbestimmten Zusammensetzung,

• Erzeugen eines Lotmittels aus der Lotvorlegierung und gegebenenfalls dem Anteil an Flussmittel,

• Aufbringen des festgelegten Volumens an Lotmittel auf die vorgesehenen Anschlüsse (Pads) der Leiterplatte,

• Aufsetzen des mindestens einen Bauteils auf die Leiterplatte,

• Verbinden des Bauteils mit der Leiterplatte durch Löten, o wobei das verwendete Flussmittel die Anschlussstelle des elektronischen Bauteils umgibt und eine Oxidschicht an der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils beseitigt und o wobei durch die verwendete Prozesstemperatur die Standardlotlegierung und Lotvorlegierung schmelzen und eine überwiegende Durchmischung von Standardlotlegierung der vorbeloteten Anschlussstelle des elektronischen Bauteils und der Vorlegierung des aufgetragenen Lotmittels erfolgt, bevor die Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte entsteht,

• wobei vorzugsweise eine Lötverbindung zwischen dem elektronischen Bauteil und der Leiterplatte mit einer Zusammensetzung entsteht, welche der gewünschten mikrolegierten Ziellegierung entspricht. Unter überwiegender Durchmischung wird verstanden, dass das Standardlot der vorbeloteten Anschlussstelle vollständig oder nahezu vollständig beim Lotvorgang aufgeschmolzen wird ebenso wie die Vorlegierung des aufgetragenen Lotmittels und dass sich beim Lotvorgang beide Lote überwiegend oder vollständig durchmischen um die Ziellegierung zu bilden.

Zur Feststellung des Volumens der vorbeloteten Anschlussstellen des elektronischen Bauteils (BGA) wird das Volumen der Lotkugeln bestimmt. Lotkugeln mit einem Durchmesser von 0,6 mm weisen beispielsweise ein Volumen von 0,113 mm ³ auf. Bekannte Standardlotlegierungen für vorbelotete Anschlussstellen des elektronischen Bauteils (BGA) sind auf Zinn-Silber- Kupfer-Basis. Vorzugsweise wird eine SnAg3,0Cu0,5-Legierung oder eine SnAg3,0Cu0,7-Legierung verwendet, deren Schmelzpunkte bei ca. 217 - 221 °C liegen.

Zur Festlegung der gewünschten Zusammensetzung einer mikrolegierten Ziellegierung für die zu erzielende Lötverbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterplatte kann auf bewährte Legierungen zurückgegriffen werden. Ein Beispiel für eine solche mikrolegierte Ziellegierung ist die Innolot-Legierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15.

Die Festlegung des aufzutragenden Volumens an Lotmittel für jeden vorgesehenen Anschluss (Pad) auf der Leiterplatte erfolgt unter Berücksichtigung eines Anteils an Flussmittel. Wenn das Lotmittel beispielsweise eine Lotpaste ist und neben der Lotvorlegierung ein Flussmittel enthält, so ist dies bei der Bestimmung des Volumens zu berücksichtigen. Bei einem Volumenanteil von z.B. 50 Vol% Flussmittel sind dann auch nur 50 Vol% Lotvorlegierung in dem Lotmittel enthalten, welches auf die Leiterplatte gedruckt wird. Bei einem bekannten Lotpastendruck mit einer Lotpastenschablone, welche beispielsweise eine Dicke von 100 pm und einen runden Öffnungsdurchmesser von 0,6 mm aufweist, was der aufgedruckten Pastendicke und der aufgedruckten Fläche entspricht, würde sich eine aufgedruckte Kreisfläche von 0,28 mm ² mit einer Dicke von 0, 1 mm ergeben, d.h. einem Volumen an aufgedruckter Lotpaste je Anschluss von 0,028 mm ³ , was bei einem Volumenanteil von 50 Vol% Lotvorlegierung, dann einem Volumen von 0,014 mm ³ entspricht. Das Verhältnis des Volumenanteils der Lotvorlegierung in einem Pad im Vergleich zum Volumen der am Bauteil vorhandenen Lotkugel beträgt in diesem Beispiel 1 : 8.

Die Vorlegierung kann auch als feste Preform, z.B. als Stanzteil oder Draht verwendet werden. Solche Preformen können einen Anteil an Flussmittel enthalten oder nur aus der Lotvorlegierung bestehen. Besteht die Preform nur aus der Lotvorlegierung, wird beim Löten separat Flussmittel zugeführt. Dies kann auch ein fluides Flussmittel sein, wie beispielsweise ein Gas mit reduzierender Wirkung auf die Oxidschicht eines Lotes. Leicht reduzierbare Gasgemische sind beispielsweise Formiergase.

Zur Bestimmung der Zusammensetzung der Lotvorlegierung für das aufzutragende Lotmittel bei der Oberflächenmontage werden nun die festgestellten bzw. festgelegten Zusammensetzungen der Standardlotlegierung und der gewünschten Ziellegierung herangezogen, beispielsweise SnAg3,0Cu0,5-Legierung für die Standardlotlegierung der Lotkugeln und SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15 für die Ziellegierung der Lötverbindung und unter Berücksichtigung des Volumens der Standardlotlegierung sowie des aufzutragenden Volumens an Lotmittel die einzelnen Legierungsanteile für die Vorlegierung berechnet. Die Mischung der Lotpaste der Vorlegierung und der Lotkugeln erfolgt beispielsweise im Volumenverhältnis 1:8 bei einem Pad im Durchmesser von 0,6 mm mit einer 0,1 mm dicken Schablone und einer Lotkugel mit einem Durchmesser von 0,6 mm. Die Berechnung der Vorlegierung beruht dabei auf folgenden Annahmen. Zur Berechnung der Mischung muss zunächst die Legierungszusammensetzung, die in Masse-Prozent angegeben wird, in Volumen-Prozent mit Hilfe der Dichte umgerechnet werden. Aus den Volumenanteilen der Ziellegierung und der Standardlegierung der Lotkugel können die Volumenanteile aller Elemente der Vorlegierung als Unbekannte errechnet werden. Diese müssen dann anschließend wieder in Masse-Prozente umgerechnet werden. Die Ergebnisse der beschriebenen Methode ergeben Werte, die dann exakt wären, wenn alle Elemente im festen Zustand vollständig löslich sind und es zu keinem Phasenwechsel kommt. Bei einer komplexen 6-Stoff- Legierung sind aber die Dichten und Anteile der verschiedenen möglichen Phasen nicht genau bestimmbar, so dass nur von einer abgeschätzten mittleren Dichte der Gesamtlegierung ausgegangen werden kann. In der nachfolgenden Berechnungsformel ist VI das Volumen der der Lotkugeln und V2 das Volumen der Vorlegierungspads:

Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Dichten der Legierungselemente (Sn, Ag, Cu, Bi, Sb, Ni) ergibt sich für die Lotvorlegierung der Lotpaste folgende Legierungszusammensetzung: Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,lSbl2,5Nil,3

Eine Lotpaste mit dieser Zusammensetzung

(Sn49,2Ag9,7Cu2,2Bi25,lSbl2,5Nil,3) der Vorlegierung besitzt aufgrund des hohen Bismut- Anteils einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Standardlot. Nach dem Lötprozess ergibt sich durch die Mischung mit dem Standardlot (SnAg3,0Cu0,5) der Lotkugel der BGAs im Verhältnis 1 : 8 die gewünschte Ziellegierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0,15 mit den gewünschten Eigenschaften für die resultierende Lötverbindung.

Für andere mikrolegierte Ziellegierungen der Lötverbindung ergeben sich nach der vorbeschriebenen Berechnungsmethode andere Zusammensetzungen für die Lotvorlegierungen. Dies sind insbesondere Lotvorlegierung auf Zinn-Silber- Kupfer-Basis, welche mindestens eins oder mehrere der nachfolgende Zusatzelemente wie Bismut (Bi), Antimon (Sb) und Nickel (Ni) enthalten. Hierbei liegen die Anteile der Zusatzelemente bei höheren Werten als der Ziellegierung. Die Lotvorlegierungen enthalten insbesondere: - 0 bis 10 Gew% Ag

- 0 bis 10 Gew% Cu

- 0 bis 30 Gew% Bi

- O bis 15 Gew% Sb

- 0 bis 2 Gew% Ni

- Rest Sn.

Zur vorteilhaften Herstellung der Lotvorlegierungen lassen sich marktübliche Weichlotpulver verwenden. Dies sind insbesondere: SnSb5, SnSb lO, SnBi58, SnCuO,7, SnNi5, Ni, Ag, Cu.

Durch Vermischen von Weichlotpulver beispielsweise 50 % SnSb5 und 50 % SnBi58 erhält man eine Sn66Bi3 lSb2-Vorlegierung.

Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 30 % SnSblO und 40 % SnBi58 und 20% SnCuO,7 und 10% SnNi5 erhält man eine Sn71, lCu0, lBi25,5Sb2,8Ni0, 5- Vorlegierung.

Durch Vermischen von Weichlotpulver von beispielsweise 65 % SnSblO und 25 % SnBi58 und 1% Ni und 7 % Ag und 2 % Cu erhält man eine Sn65, 4 Ag9,4Cu2,3Bil5,8Sb6,0Ni 1, 1 -Vorlegierung.

Alle drei zuletzt genannten Pulver-Zusammensetzungen ergeben Lotvorlegierungen für mikrolegierte Lötverbindungen, wobei die zuletzt genannte Sn65,4Ag9,4Cu2,3Bil5,8Sb6,0Nil, l-Vorlegierung annähernd zu einer Ziellegierung SnAg3,8Cu0,7Bi3,0Sbl,5Ni0, 15 in der Lotverbindung führt, welche der Innolot-Legierung entspricht.

Vor dem Verlöten wird das Lotmittel auf die vorgesehenen Anschlüsse (Pads) der Leiterplatte aufgebracht, z.B. durch Lotpastendruck mit dem vorher festgelegten Volumens an Lotmittel. Des Weiteren ist die Verwendung fester Lotmittel-Preformen möglich. Anschließend wird das mindestens eine Bauteil mit den vorbeloteten Anschlussstellen auf die Leiterplatte aufgesetzt.

Danach beginnt der eigentliche Lötvorgang. Die vorbeloteten Anschlussstellen der Bauteile, z.B . Lotkugeln, sind von einer Oxidschicht umgeben, welche durch die angewendete Löttemperatur von ca. 260 °C nicht schmelzen. Diese Oxidschicht muss chemisch aufgebrochen werden. Hierzu dient das Flussmittel, welches die Oxidschicht reduziert und damit die Standardlötlegierung freilegt. Damit sich die aufgebrachte Lotvorlegierung des Lotmittels mit der Standardlotlegierung der vorbeloteten Anschlussstellen vermischen kann, muss sichergestellt sein, dass ausreichend Flussmittel dafür sorgt, dass die Lotkugeln von Oxiden solange freigehalten werden bis die zuerst geschmolzene Lotvorlegierung sich nach und nach mit der Standardlotlegierung der Lotkugel überwiegend vermischt hat. Wird beispielsweise die Lotkugel mit einer ausreichenden Flussmittelmenge umgeben, so hat die Lotvorlegierung ausreichend Zeit in die Standardlotlegierung zu diffundieren. Es hat sich hierbei gezeigt, dass es vorteilhaft ist die 10-fache Menge an Flussmittel einzusetzen als beispielsweise für das Entfernen der Oxidschicht der Lotkugeln notwendig wäre. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine kalten Lötstellen, also unverbundene Bereiche, entstehen. Wird beispielsweise als Lotmittel eine Lotpaste mit einem Flussmittel verwendet, so sind solche Flussmittel bevorzugt, welche ein multimeres Harz umfassen. Ein solches Harz verbleibt lange an der Lötstelle und hält quasi die Lotvorlegierungsschmelze an der Lotkugel, so dass eine überwiegende Durchmischung der Lotkugel und der Lotvorlegierung erfolgen kann.

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