WO2007085563A1 - Method of applying a solder deposit consisting of a solder material to a substrate by cold gas spraying, and powdery solder material, wherein the solder material contains powdery soft solder and powdery aluminium - Google Patents

Method of applying a solder deposit consisting of a solder material to a substrate by cold gas spraying, and powdery solder material, wherein the solder material contains powdery soft solder and powdery aluminium Download PDF

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Abstract

The invention relates to a method of applying a solder deposit (4) consisting of a solder material (6) containing aluminium to a substrate (8), in which the solder deposit (4) is applied to the substrate (8) by cold gas spraying of the powdery solder material (6) with a process gas. The invention also relates to a powdery solder material (6). Provision is made for the solder material (6) to contain powdery soft solder and powdery aluminium.

Description

VERFAHREN ZUM AUFBRINGEN EINES LOTDEPOTS AUS EINEM LOTWΞRKSTOFF AUF EIN SUBSTRAT DURCH KALTGAS S PRI T Z EN SOWIE PULVERFÖRMIGER LOTWERKSTOFF , WOBEI DER LOTWERKSTOFF PULVERFÖRMIGES WEICHLOT UND PULVERFÖRMIGES ALUMINIUM ENTHÄLTMETHOD FOR APPLYING A LOTDEPOT FROM A LOTWOOD TO A SUBSTRATE THROUGH COLD GAS S PRI T Z EN AS WELL AS A POWDERED LIQUOR, IN WHICH THE LOTRY MATERIAL CONTAINS POWDER SOFT LOT AND POWDERED ALUMINUM
10 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie einen pulverförmigen Lotwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention relates to a method for applying a solder deposit to a substrate according to the preamble of claim 1, and to a pulverulent solder material according to the preamble of claim 11.
15 Stand der Technik15 State of the art
Aus der DE 2004 026 490 A1 ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Applizieren von Loten auf Grundwerkstoffe bekannt, bei dem Hartlote und insbesondere Fe-, Ni- und Cu- sowie Al-DE 2004 026 490 A1 already discloses a method of the type mentioned at the outset for applying solders to base materials, in which brazing alloys and in particular Fe, Ni and Cu as well as Al
20 und Zn-Basislote in Form von Legierungen mit verschiedenen Legierungsbestandteilen durch einen thermischen Spritzprozess auf den Grundwerkstoff aufgetragen werden. Ein in der DE 2004 026 490 A1 genannter thermischer Spritzprozess ist das Kaltgasspritzen, bei dem ein vorgewärmtes Prozessgas in einer Lavaldüse auf Über-20 and Zn-base solders in the form of alloys with different alloying components by a thermal spraying process are applied to the base material. A thermal spraying process mentioned in DE 2004 026 490 A1 is cold gas spraying, in which a preheated process gas in a Laval nozzle is sprayed over
25 Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wobei die Gastemperatur deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Lotwerkstoffs liegt. Der aus der Düse austretende pulverförmige Lotwerkstoff erreicht hohe kinetische und relativ geringe thermische Energien. Aus der DE 103 20 740 A1 ist ein Verfahren zum Verlöten zweier Teile bekannt, bei dem eines der beiden Teile aus einem schwer lötbaren Material besteht und zuerst mit einem Überzug aus einem lötfähigen Material, zum Beispiel aus Kupfer oder einer Kupferlegie- rung, versehen wird. Auf diesen Überzug wird dann durch Kaltgasspritzen eine Schicht aus Lot aufgebracht, die zum späteren Verlöten mit dem anderen Teil dient.25 speed of sound is accelerated, the gas temperature is well below the melting temperature of the solder material used. The powdery solder material emerging from the nozzle achieves high kinetic and relatively low thermal energies. From DE 103 20 740 A1 a method for soldering two parts is known in which one of the two parts consists of a material which is difficult to solder and is first provided with a coating of a solderable material, for example of copper or a copper alloy , On this coating is then applied by cold gas spraying a layer of solder, which serves for later soldering to the other part.
Darüber hinaus offenbart die DE 102 37 495 A1 einen Aluminium enthaltenden Lotwerkstoff und ein Verfahren zum Ausbilden einer Weichlötverbindung, wobei der als Weichlot ausgebildete Lotwerkstoff einen Aluminiumzusatz von mehr als 0,001 Gew.-% enthält. Mit dem beschriebenen Verfahren kommt es einerseits bei der Herstellung der Lötverbindung in einer Diffusionszone zwischen dem Weich- lot und einem das Weichlot tragenden Substrat zu einer erwünschten chemischen Wechselwirkung in Form einer Legierungsbildung, während andererseits eine unerwünschte fortgesetzte chemische Wechselwirkung nach Abschluss des Lötvorgangs verhindert werden kann, weil das im Weichlot enthaltene Aluminium beim Aufschmelzen des Weichlots während des Lötvorgangs an der Grenzfläche zum Substrat eine Barriere- oder Sperrschicht bildet. Diese Barriere- oder Sperrschicht verhindert selbst dann ein späteres Auftreten von Diffusions- und Legierungsvorgängen, wenn das aluminiumhaltige Weichlot infolge erhöhter Betriebstemperaturen der verlöteten Teile erneut stark erwärmt oder gar flüssig wird, was eine Steigerung der Diffusionsgeschwindigkeiten und damit die Ablegierraten zur Folge hat.In addition, DE 102 37 495 A1 discloses an aluminum-containing solder material and a method for forming a solder joint, wherein the solder material formed as solder contains an aluminum addition of more than 0.001 wt .-%. With the described method, on the one hand, during the production of the solder joint in a diffusion zone between the solder and a substrate carrying the solder, a desired chemical interaction occurs in the form of alloying, while on the other hand an undesired continued chemical interaction can be prevented after the soldering operation has been completed because the aluminum contained in the soft solder forms a barrier or barrier layer during the melting of the solder during the soldering process at the interface with the substrate. This barrier layer prevents a later occurrence of diffusion and alloying processes even if the aluminum-containing soft solder is again strongly heated or even liquid due to increased operating temperatures of the soldered parts, resulting in an increase in the diffusion rates and thus the rates of deposition.
Die Herstellung eines Lotdepots mit dem in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen Verfahren ist allerdings bisher nur unter Verwendung eines Lotbads oder von Lotkugeln aus einem aluminiumhaltigen Weichlot möglich, in denen das Aluminium während der Verarbeitung und der Herstellung des Lotdepots in einem fein verteilten Zustand gehalten und durch das umgebende Weichlot vor Oxidation geschützt wird. Demgegenüber haben sich andere Lötverfahren bei Versuchen als ungeeignet erwiesen, zum Beispiel die Verwendung einer Lotpaste aus pulverförmigem Weichlot, pulverförmigem Aluminium und einem Flussmittelsystem, da es in der Lotpaste zu einer oberflächlichen Oxidation des pulverförmigen Aluminiums kommt, so dass während der Herstellung der Lötverbindung kein metallisches Aluminium für die Ausbildung der gewünschten Barriere- oder Sperrschicht zugänglich bzw. verfügbar ist. Diese Einschränkung bei der Verarbeitung bedeutet jedoch, dass das wegen seiner Eigenschaften sehr vorteilhafte aluminiumhaltige Weichlot für die meisten Anwendungen der Elektronik, wie z.B. für Schaltungsträger, nicht kommer- ziell angewandt werden kann.However, the production of a solder deposit with the method described in DE 102 37 495 A1 has hitherto only been possible by using a solder bath or solder balls made from an aluminum-containing material Soft solder possible in which the aluminum is kept in a finely divided state during processing and the production of the solder deposit and protected from oxidation by the surrounding soft solder. In contrast, other soldering methods have proved unsuitable in experiments, for example, the use of a solder paste of powdered solder, powdered aluminum and a flux system, since it comes in the solder paste to a superficial oxidation of the powdered aluminum, so that during the preparation of the solder joint no metallic Aluminum is accessible or available for the formation of the desired barrier layer. However, this limitation in processing means that the aluminum-containing soft solder, which is very advantageous for its properties, can not be used commercially for most electronic applications, such as circuit carriers.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass man die in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen Eigenschaften eines Aluminium enthaltenden Weichlots auch dann erhalten kann, wenn ein zur Herstellung eines Lotdepots durch Kaltgasspritzen auf ein Substrat aufgebrachter Lotwerkstoff neben pulverförmigem Weichlot pulverförmiges Aluminium enthält.Surprisingly, it has been found that the properties described in DE 102 37 495 A1 of a solder containing aluminum can also be obtained if a solder material applied to a substrate by cold gas spraying to produce a solder deposit contains pulverulent aluminum in addition to powdered solder.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich, eine Aluminium enthaltende Legierung zu verwenden, um für eine gleichmäßige Verteilung des Aluminiums im Lotwerkstoff zu sorgen, da durch das Kaltgasspritzen selbst bereits eine ausreichende Durchmi- schung des pulverförmigen Aluminiums mit dem pulverförmigen - A -With the method according to the invention, it is not necessary to use an aluminum-containing alloy in order to ensure a uniform distribution of the aluminum in the brazing material, since sufficient mixing of the pulverulent aluminum with the pulverulent aluminum is already achieved by the cold gas spraying - A -
Weichlot gewährleistet wird. Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass eine Oxidation des pulverförmigen Aluminiums in dem beim Kaltgasspritzen verarbeiteten Lotwerkstoff keine merklichen negativen Auswirkungen hat, vermutlich weil sich das pulverförmige Alumi- nium infolge der hohen Geschwindigkeit beim Aufprall auf das Substrat ausreichend stark verformt, um die zuvor gebildete Oxidschicht an den Oberflächen der Aluminiumpartikel aufzubrechen und das metallische Aluminium freizulegen, so dass es beim späteren Lötvorgang zur Ausbildung einer Barriere- oder Sperrschicht verfügbar ist.Soft solder is guaranteed. On the other hand, it has been found that oxidation of the powdered aluminum in the solder material processed in the cold gas spraying has no noticeable negative effects, presumably because the pulverulent aluminum deforms sufficiently due to the high speed upon impact with the substrate formed oxide layer on the surfaces of the aluminum particles break open and expose the metallic aluminum, so that it is available during the subsequent soldering process to form a barrier or barrier layer.
Versuche haben gezeigt, dass die in der DE 102 37 495 A1 beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden können, ohne dass es notwendig ist, den Anteil des Aluminiums im Lotwerkstoff gegenüber den aus der DE 102 37 495 A1 bekannten Lotwerkstoffen zu erhöhen, so dass dieser Anteil vorzugsweise mehr als 0,01 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% beträgt. Insbesondere wurde festgestellt, dass die beim Lötvorgang gebildete Barriere- oder Sperrschicht selbst im Falle eines länger anhaltenden teilweisen Aufschmelzens der Lötverbindung in- folge erhöhter Betriebstemperaturen ausreichend ist, um eine weiter anhaltende chemische Wechselwirkung zwischen dem Weichlot und den Verbindungspartnern zu verhindern.Experiments have shown that the advantageous properties described in DE 102 37 495 A1 can be achieved with the method according to the invention, without it being necessary to increase the proportion of aluminum in the solder material compared with the solder materials known from DE 102 37 495 A1, so that this proportion is preferably more than 0.01% by weight and less than 5% by weight. In particular, it has been found that the barrier layer or barrier layer formed during the soldering process is sufficient, even in the case of a prolonged partial melting of the solder joint due to increased operating temperatures, to prevent further chemical interaction between the solder and the connection partners.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das beim Kaltgasspritzen verwendete Prozessgas ein Inertgas ist, das bei den während des Kaltgasspritzens herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen nicht mit dem Aluminium reagiert und insbesondere eine Oxidation der aufgebrochenen Oberflächen der Aluminiumpartikel verhindert, bis diese durch eine ausreichend dicke Schicht aus Weichlot vor einem Kontakt mit Luftsauerstoff geschützt sind. Die Temperatur des Prozessgases beim Kaltgasspritzen wird so eingestellt, dass sie unterhalb der Schmelztemperatur des Weichlots und damit auch unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums liegt, um ein Aufschmelzen des pulverförmigen Lotwerkstoffs während des Kaltgasspritzens zu vermeiden. Der Zusammenhalt der einzelnen Partikel im Lotdepot wird auch ohne ein Aufschmelzen erreicht, weil die Partikel beim Aufprall bedingt durch Mikroreibung lokal erwärmt werden, was an den Reibungspunkten zu einer Mikro- verschweißung benachbarter Partikel führt. Dies reicht aus, um den Lotwerkstoff bis zum späteren Aufschmelzen während der Herstellung der Lotverbindung am Substrat festzuhalten und für eine ausreichende Haftung der Partikel untereinander zu sorgen.A preferred embodiment of the invention provides that the process gas used in the cold gas spraying is an inert gas which does not react with the aluminum during the cold gas spraying pressure and temperature conditions and in particular prevents oxidation of the broken surfaces of the aluminum particles, until this is sufficient thick layer of soft solder protected from contact with atmospheric oxygen are. The temperature of the process gas in the cold gas spraying is adjusted so that it is below the melting temperature of the solder and thus below the melting temperature of the aluminum in order to avoid melting of the powdered Lotwerkstoffs during the cold gas spraying. The cohesion of the individual particles in the solder deposit is also achieved without melting, because the particles are locally heated on impact due to micro friction, which leads to a micro-welding of adjacent particles at the friction points. This is sufficient to hold the solder material to the substrate until the subsequent melting during the preparation of the solder joint and to ensure sufficient adhesion of the particles with each other.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen das pulverförmige Aluminium und das pulverförmige Weichlot eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm auf, wobei sie vorteilhafterweise eine ähnliche Korngrößenverteilung besitzen, um eine möglichst homogene Durchmischung des Lotwerkstoffs zu erzielen bzw. diese bei einer eventuellen Umlenkung des Pulvergemischs inner- halb der Düse beim Zuführen des Lotwerkstoffs in das Prozessgas aufrecht zu erhalten.According to a further preferred embodiment of the invention, the powdered aluminum and the powdered solder have a particle size between 1 and 100 microns, where they advantageously have a similar particle size distribution in order to achieve the most homogeneous possible mixing of the solder material or this in a possible deflection of the powder mixture within the nozzle while feeding the solder material into the process gas.
Als Weichlot können beliebige handelsübliche Weichlote verwendet werden, jedoch finden zweckmäßig vor allem Weichlote in Form von PbSn-Legierungen, BiSn-Legierungen, SnAg-Legierungen oder SnAgCu-Legierungen Verwendung.As soft solder, any commercially available soft solders may be used, but it is expedient to use especially soft solders in the form of PbSn alloys, BiSn alloys, SnAg alloys or SnAgCu alloys.
Zeichnung Die Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:drawing The invention will be explained in more detail in some embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Spritzdüse zum Auf- bringen eines Lotdepots aus aluminiumhaltigem Weichlot durch Kaltgasspritzen;1 shows a schematic representation of a spray nozzle for applying a solder deposit of aluminum-containing soft solder by cold gas spraying;
Fig. 2: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufge- löteten elektronischen Bauteils;2 shows a side view of a circuit carrier and an electronic component soldered onto the circuit carrier with aluminum-containing soft solder;
Fig. 3: eine Seitenansicht eines mit aluminiumhaltigem Weichlot zwischen flächige Kontakte eines Schaltungsträgers gelöteten elektronischen Bauteils;3 shows a side view of an electronic component soldered with aluminum-containing soft solder between flat contacts of a circuit carrier;
Fig. 4: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines anderen, mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufgelöteten elektronischen Bauteils;4 shows a side view of a circuit carrier and another electronic component soldered to the circuit carrier with aluminum-containing soft solder;
Fig. 5: eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers und eines noch anderen, mit aluminiumhaltigem Weichlot auf den Schaltungsträger aufgelöteten elektronischen Bauteils.5 shows a side view of a circuit carrier and still another electronic component soldered onto the circuit carrier with aluminum-containing soft solder.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
Die in Fig. 1 dargestellte Spritzdüse 2 dient dazu, durch Kaltgasspritzen mindestens ein Lotdepot 4 aus einem pulverförmigen Lotwerkstoff 6 auf ein Substrat 8 aufzubringen, zum Beispiel auf einen elektrischen Kontakt 10 eines in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Schal- tungsträgers 12, der anschließend durch Aufschmelzen des Lotde- pots 4 und Anpressen von einem oder mehreren metallischen Anschlüssen 14 eines elektrischen oder elektronischen Bauteils 16 mit dem Bauteil 16 verlötet wird.The spray nozzle 2 shown in FIG. 1 serves to apply by cold gas spraying at least one solder deposit 4 made of a powdered solder material 6 on a substrate 8, for example, to an electrical contact 10 of a circuit carrier 12 shown in Figures 2 to 4, which subsequently by melting the solder Pots 4 and pressing one or more metallic terminals 14 of an electrical or electronic component 16 with the component 16 is soldered.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umschließt die langgestreckte Spritzdüse 2 einen inneren Hohlraum 18 mit einer zur Längsachse der Spritzdüse 2 koaxialen Längsachse. Der Hohlraum 18 weist einen vom Substrat 8 abgewandten erweiterten hinteren Kammerteil 20 und einen langgestreckten Düsenteil 22 auf, der sich in Richtung eines dem Sub- strat 8 zugewandten vorderen Stirnendes 24 der Spritzdüse 2 mit einem kleinen Konuswinkel zuerst verjüngt und von einer maximalen Einschnürung 26 an bis zu einer Düsenaustrittsöffnung 28 am vorderen Stirnende 24 wieder etwas erweitert. Vom hinteren Stirnende 30 der Spritzdüse 2 aus ragt ein Injektorrohr 32 in den Hohlraum 18, das außerhalb der Spritzdüse 2 in einen Vorratsbehälter (nicht dargestellt) für den pulverförmigen Lotwerkstoff 6 mündet und dessen Austrittsöffnung 34 innerhalb des Hohlraums 18 am vorderen Ende eines mit einem größeren Konuswinkel verjüngten Übergangsbereichs 36 zwischen dem Kammerteil 20 und dem Düsenteil 22 angeordnet ist. Der Kammerteil 20 ist durch eine seitliche Gaszufuhröffnung 38 in der Nähe des hinteren Stirnendes 30 der Spritzdüse 2 mit einem unter Druck stehenden Prozessgas (Pfeil P) aus einer geeigneten Druckgasquelle beaufschlagbar, das von der Gaszufuhröffnung 38 aus durch Öffnungen 40 eines im Kammerteil 22 angeordneten Heizelements 42 und dann an der Austrittsöffnung 34 des Injektorrohrs 32 vorbei durch den Düsenteil 22 strömt, wobei es infolge der konischen Verjüngung des Übergangsteils 36 und des Düsenteils 22 stark beschleunigt wird. Dadurch wird an der Austrittsöffnung 34 des Injektorrohrs 32 ein Unterdruck erzeugt, so dass der pulverförmige Lotwerkstoff 6 durch das Injektorrohr 32 aus dem Vorratsbehälter angesaugt, durch die Austrittsöffnung 34 in das am Injektorrohr 32 vorbei strömende Prozessgas eingetragen und vor seinem Austritt durch die Öffnung 28 innerhalb des Düsenteils 22 homogen mit dem Prozessgas vermischt wird.As shown in Fig. 1, the elongated spray nozzle 2 encloses an inner cavity 18 with a longitudinal axis of the spray nozzle 2 coaxial longitudinal axis. The cavity 18 has an extended rear chamber portion 20 facing away from the substrate 8 and an elongated nozzle portion 22 which tapers in the direction of a front end end 24 of the spray nozzle 2 facing the substrate 8 with a small cone angle and from a maximum constriction 26 up to a nozzle outlet opening 28 at the front end 24 again slightly expanded. From the rear end 30 of the spray nozzle 2 protrudes from an injector 32 into the cavity 18, which opens outside the spray nozzle 2 in a reservoir (not shown) for the powdered Lotwerkstoff 6 and the outlet opening 34 within the cavity 18 at the front end of a larger Cone tapered transition region 36 between the chamber part 20 and the nozzle part 22 is arranged. The chamber part 20 is acted upon by a lateral gas supply opening 38 in the vicinity of the rear end 30 of the nozzle 2 with a pressurized process gas (arrow P) from a suitable source of pressurized gas from the gas supply opening 38 through openings 40 of a heating element arranged in the chamber part 22 42 and then flows past the outlet opening 34 of the injector tube 32 through the nozzle part 22, wherein it is greatly accelerated due to the conical taper of the transition part 36 and the nozzle part 22. As a result, a negative pressure is generated at the outlet opening 34 of the injector tube 32, so that the pulverulent soldering material 6 passes through the injector tube 32 from the reservoir aspirated, introduced through the outlet opening 34 into the process gas flowing past the injector tube 32 and is homogeneously mixed with the process gas before it exits through the opening 28 within the nozzle part 22.
Der im Vorratsbehälter enthaltene Lotwerkstoff 6 besteht aus einem pulverförmigen Weichlot, zum Beispiel einer Wismut-Zinn-Legierung, sowie aus pulverförmigem Aluminium, wobei die Korngröße der Pulverpartikel 44 der beiden metallischen Werkstoffe jeweils zwischen etwa 10 μm und etwa 50 μm liegt und eine ähnliche Korngrößenverteilung aufweist. Der Anteil des Weichlotpulvers beträgt etwa 99 Gew.-%, während der Anteil des Aluminiumpulvers etwa 1 % beträgt, jeweils bezogen auf das Gewicht des gesamten Lotwerkstoffs 6. Innerhalb der Weichlot-Legierung beträgt der Wismutanteil 56 Gew.-% und der Zinnanteil 44 Gew.-%, jedoch können auch Weichlot- Legierungen mit anderen Zusammensetzungen verwendet werden.The solder material 6 contained in the reservoir consists of a powdery soft solder, for example a bismuth-tin alloy, and powdered aluminum, wherein the particle size of the powder particles 44 of the two metallic materials is between about 10 microns and about 50 microns and a similar particle size distribution having. The proportion of soft solder powder is about 99 wt .-%, while the proportion of aluminum powder is about 1%, each based on the weight of the entire solder material 6. Within the soft solder alloy of bismuth is 56 wt .-% and the tin content 44 wt %, however, soft solder alloys having other compositions can also be used.
Das in den Hohlraum 18 zugeführte Prozessgas besteht aus einem Schutz- oder Inertgas, vorzugsweise Stickstoff oder Helium, dessen Temperatur und Druck, zum Beispiel zwischen 15 und 35 bar, so gewählt werden, dass die in den Gasstrom zugeführten Pulverpartikel 44 nicht aufgeschmolzen werden, jedoch bereits vor ihrem Aufprall auf das Substrat 8 eine erhöhte Temperatur besitzen. Durch die erhöhte Temperatur der Partikel 44 wird bewirkt, dass sich diese beim Aufprall auf das Substrat 8 stärker verformen, so dass eine zuvor durch Kontakt der Aluminiumpartikel mit Luftsauerstoff entstandene oberflächliche Oxidhaut auf den Aluminiumpartikeln leichter aufreißt, was eine anschließende lokale Verschmelzung von Aluminium und Weichlot benachbarter Weichlotpartikel infolge von Mikro- reibung begünstigt. Gleichzeitig bewirkt die Anströmung des Substrats mit dem Schutz- oder Inertgas eine Verdrängung der Umgebungsluft aus dem Bereich des Lotdepots 4, wodurch eine erneute Oxidation des Aluminiumpartikel verhindert und dadurch ebenfalls eine lokale Verschmelzung von Aluminium und Weichlot gefördert wird.The process gas fed into the cavity 18 consists of a protective or inert gas, preferably nitrogen or helium, whose temperature and pressure, for example between 15 and 35 bar, are chosen so that the powder particles 44 fed into the gas stream are not melted, however even before their impact on the substrate 8 have an elevated temperature. The increased temperature of the particles 44 causes them to deform more upon impact with the substrate 8 so that a surface oxide skin previously formed by contact of the aluminum particles with atmospheric oxygen ruptures more easily on the aluminum particles, resulting in a subsequent local fusion of aluminum and solder adjacent soft solder particles due to micro- friction favors. At the same time the flow of the substrate with the protective or inert gas causes a displacement of the ambient air from the area of the solder deposit 4, whereby a renewed oxidation of the aluminum particles prevented and thus also a local fusion of aluminum and solder is promoted.
Da auch die Weichlotpartikel vom Prozessgas erwärmt werden und beim Aufprall auf das Substrat 8 durch Mikroreibung oberflächlich erwärmt und lokal mit dem Substrat 8 bzw. den unmittelbar zuvor aufgespritzten Weichlotpartikeln verschmolzen werden, wird ein fest am Substrat 8 haftendes schichtförmiges Lotdepot 4 erzeugt, in dem die Aluminiumpartikel homogen verteilt sind und in metallischem Kontakt mit den Weichlotpartikeln stehen. Auf diese Weise kann das Aluminium beim Herstellen einer Lötverbindung 46 zwischen dem Substrat 8 und einem anderen metallischen Bauteil in das beim Verlöten aufgeschmolzene Weichlot eindiffundieren. Dadurch wird nach dem Erstarren des Lots eine Barriere- oder Sperrschicht gebildet, die fortschreitende Legierungs- oder Diffusionsvorgänge oder uner- wünschte chemische Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und den benachbarten metallischen Bauteilen sicher verhindert.Since the soft solder particles are heated by the process gas and superficially heated by micro friction on impact with the substrate 8 and locally fused with the substrate 8 or the immediately previously injected soft solder particles, a layered solder deposit 4 firmly adhering to the substrate 8 is produced, in which the Aluminum particles are homogeneously distributed and are in metallic contact with the soft solder particles. In this way, when forming a solder joint 46 between the substrate 8 and another metallic component, the aluminum may diffuse into the solder soldered during soldering. As a result, after the solder has solidified, a barrier layer is formed which reliably prevents progressive alloying or diffusion processes or undesired chemical interactions between the soft solder and the adjacent metallic components.
Wenn das Substrat 8, zum Beispiel der in den Figuren 2 bis 5 dargestellte Schaltungsträger 12, mit dem durch Kaltgasspritzen aufge- brachten Lotdepot 4 mit einem anderen metallischen Bauteil, zum Beispiel dem in den Figuren 2 bis 5 dargestellten elektrischen oder elektronischen Bauteil 16, verlötet werden soll, wird das Lotdepot 4 über den Schmelzpunkt des Weichlots hinaus erhitzt, während das andere metallische Bauteil 16 im Bereich des Lotdepots 4 gegen das Substrat 8 angepresst wird. Dazu besitzt das andere Bauteil 16 zweckmäßig eine dem Lotdepot 4 gegenüberliegende Oberfläche aus einem gut lötbaren Material, wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, kann jedoch an dieser Stelle auch mit einer Beschichtung aus einem aluminiumhaltigen Weichlot oder einem anderen Weichlot ver- sehen werden, so dass es möglich wird, das aluminiumhaltige Weichlot als Verbindungselement in elektrischen Schaltungen und Schalteinrichtungen zu nutzen.When the substrate 8, for example the circuit carrier 12 shown in FIGS. 2 to 5, is soldered to the solder deposit 4 applied by cold gas spraying with another metallic component, for example the electrical or electronic component 16 shown in FIGS. 2 to 5 is to be, the solder deposit 4 is heated above the melting point of the soft solder addition, while the other metallic component 16 is pressed in the region of the solder deposit 4 against the substrate 8. For this purpose, the other component has 16 expediently a surface opposite to the solder deposit 4 made of a good solderable material, such as copper or a copper alloy, however, can also be provided here with a coating of an aluminum-containing soft solder or another soft solder, so that it becomes possible to use the aluminum-containing soft solder to use as a connecting element in electrical circuits and switching devices.
Bei den so hergestellten Lötverbindungen 46 treten nach dem Löt- Vorgang keine chemischen Wechselwirkungen zwischen dem Weichlot und dem Substrat 8 bzw. dem anderen metallischen Bauteil 16 auf. Die Werkstoffe dieser beiden löttechnisch verbundenen metallischen Teile 8, 16 und das Weichlot werden nach dem Lötvorgang selbst dann nicht mehr durch eine chemische Wechselwirkung beein- flusst, wenn die Teile 8, 16 im Betrieb erhöhten Betriebstemperaturen ausgesetzt sind oder gar erneut aufgeschmolzen werden. Dies wiederum verhindert irreversible Veränderungen der mechanischen, elektrischen und thermischen Funktion der Lötverbindung 46 und der Verbindungspartner 8, 16 unter Temperaturbelastung.In the solder joints 46 thus produced, no chemical interactions occur between the solder and the substrate 8 or the other metallic component 16 after the soldering process. The materials of these two soldered metal parts 8, 16 and the solder are no longer affected by a chemical interaction even after the soldering process, when the parts 8, 16 are exposed to increased operating temperatures during operation or are even remelted. This in turn prevents irreversible changes in the mechanical, electrical and thermal function of the solder joint 46 and the connection partners 8, 16 under temperature load.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lötverbindung 46, bei der ein Schaltungsträger 12 mit einem elektrischen oder elektronischen Bauteil 16 verlötet worden ist, wobei ein durch Kaltgasspritzen auf einen von drei ebenen metallischen Kontakten 10 des Schaltungs- trägers 12 aufgebrachtes Lotdepot 4 aus aluminiumhaltigem Weichlot mit seiner entgegengesetzten Breitseitenfläche flächig mit einem von zwei metallischen Anschlüssen 14 an den entgegengesetzten Breitseitenflächen des Bauteils 16 verlötet ist. Der andere Anschluss 14 ist durch zwei Bonddrähte 48 mit den beiden anderen metalli- sehen Kontakten 10 verbunden. Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden metallischen Anschlüsse 14 an den entgegengesetzten Breitseitenflächen eines ähnlichen elektrischen oder elektronischen Bauteils 16 jeweils mit einem gegenüberliegenden metallischen Kontakt 10 des Schaltungsträgers 12 verlötet sind. Wie bei dem vorangehenden Beispiel besteht jede Lötverbindung 46 aus einem aluminiumhaltigen Weichlot, das als Lotdepot 4 durch Kaltgasspritzen auf die Kontakte 10 aufgebracht worden ist.2 shows an exemplary embodiment of a solder connection 46, in which a circuit carrier 12 has been soldered to an electrical or electronic component 16, wherein a solder deposit 4 made of aluminum-containing soft solder applied by cold gas spraying to one of three planar metallic contacts 10 of the circuit carrier 12 its opposite broad side surface is soldered flat with one of two metallic terminals 14 on the opposite broad side surfaces of the component 16. The other terminal 14 is connected by two bonding wires 48 with the other two metallic see contacts 10. FIG. 3 shows another exemplary embodiment in which the two metallic terminals 14 are soldered to the opposite broad side surfaces of a similar electrical or electronic component 16, each with an opposite metallic contact 10 of the circuit carrier 12. As in the previous example, each solder joint 46 is made of an aluminum-containing solder that has been applied to the contacts 10 as a solder deposit 4 by cold gas spraying.
Der Schaltungsträger 12 bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist an seiner Oberseite zwei im Abstand angeordnete metallische Kontakte 10 auf. Auf jeden dieser Kontakte 10 ist einer der beiden als Anschlussbein 50 ausgebildeten Anschlüsse 14 des Bauteils 16 aufgelötet, wobei die Lötverbindungen 46 ebenfalls mit Hilfe eines zuvor durch Kaltgasspritzen aufgebrachten Lotdepots 4 aus einem Aluminium enthaltenden Weichlot hergestellt werden.The circuit carrier 12 in the embodiment shown in Fig. 4 has on its upper side two spaced metallic contacts 10. On each of these contacts 10 one of the two formed as a connecting leg 50 terminals 14 of the component 16 is soldered, wherein the solder joints 46 are also prepared by means of a previously applied by cold gas spraying Lotdepots 4 of a solder containing aluminum.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden metallischen Kontakte 10 an der Oberseite des Schaltungsträgers 10 jeweils durch eine kugelförmige Lötverbindung 46 mit einem gegenüberliegenden metallischen Anschluss 14 an der Unterseite des Bauteils 16 verbunden. Die Lötverbindung 46 besteht erneut aus einem Aluminium enthaltenden Weichlot. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 5, the two metallic contacts 10 on the upper side of the circuit carrier 10 are each connected by a spherical solder connection 46 to an opposite metallic connection 14 on the underside of the component 16. The solder joint 46 is again made of a solder containing aluminum.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Aufbringen eines Lotdepots aus einem Aluminium enthaltenden Lotwerkstoff auf ein Substrat, bei dem das Lotdepot durch Kaltgasspritzen des pulverförmigen Lotwerkstoffs mit ei- nem Prozessgas auf das Substrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff pulverförmiges Weichlot und pulverförmiges Aluminium enthält.1. A method for applying a solder deposit made of a solder material containing aluminum on a substrate, wherein the solder deposit is applied by cold gas spraying of the powdered solder material with a process gas to the substrate, characterized in that the solder material contains powdered solder and powdered aluminum.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Aluminiums im Lotwerkstoff mehr als2. The method according to claim 1, characterized in that the proportion of powdered aluminum in the brazing material more than
0,001 Gew.-% und weniger als 5 Gew.-% beträgt.0.001 wt .-% and less than 5 wt .-% is.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Weichlots im Lotwerkstoff mehr als 95 Gew.-% beträgt und weniger als 99,99 Gew.-% beträgt.3. The method according to claim 1, characterized in that the proportion of the powdered solder in the brazing material is more than 95 wt .-% and less than 99.99 wt .-% is.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Aluminium eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm aufweist.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the powdered aluminum has a particle size between 1 and 100 microns.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Weichlot eine Partikelgröße zwischen 1 und 100 μm aufweist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the powdered soft solder has a particle size between 1 and 100 microns.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Weichlot und das pulverförmige Aluminium eine ähnliche Korngrößenverteilung aufweisen.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the powdered solder and the powdered aluminum have a similar particle size distribution.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer PbSn- Legierung besteht.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the soft solder consists of a PbSn alloy.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer BiSn-Legierung besteht.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the soft solder consists of a BiSn alloy.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer SnAg-Legierung be- steht.9. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the soft solder consists of a SnAg alloy.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weichlot aus einer SnAgCu-Legierung besteht.10. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the soft solder consists of a SnAgCu alloy.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas ein Inertgas ist.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the process gas is an inert gas.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Prozessgases beim Kaltgasspritzen unterhalb der Schmelztemperatur des Weichlots liegt.12. The method according to any one of the preceding claims, character- ized in that the temperature of the process gas during cold gas spraying is below the melting temperature of the soft solder.
13. Pulverförmiger Lotwerkstoff, insbesondere zum Aufbringen eines Lotdepots auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotwerkstoff (6) pulverförmiges Weichlot und pulverförmiges A- luminium enthält.13. Powdered solder material, in particular for applying a solder deposit on a substrate, characterized in that the solder material (6) contains powdered soft solder and powdered aluminum.
14. Lotwerkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des pulverförmigen Aluminiums mehr als 0,001 Gew.- % und weniger als 5 Gew.-% beträgt, bezogen auf das Gewicht des Lotwerkstoffs (6). 14 solder material according to claim 13, characterized in that the proportion of powdered aluminum is more than 0.001% by weight and less than 5 wt .-%, based on the weight of the solder material (6).
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