Das Löten ohne Flussmittel wird allgemein als schwierig, wenn nicht gar unmöglich angesehen. Dennoch wird ein flussmittelfreies Verfahren routinemäßig mit 80Au/Sn-Bändern und -Vorformlingen durchgeführt - wie kann das sein?
Die kurze Antwort: weil es als Lot verarbeitet werden kann.
Let’s remind ourselves of the role of flux. Flux is a chemical which cleans (deoxidises) surfaces and protects it from re-oxidation during soldering so that the solder will wet and form reliable solder joints. Gold doesn’t tarnish. So, in theory, we don’t need flux. However, in practice, we rarely solder to pure gold versus gold-plated surfaces. Unless it is very thick, the Au plating (for example: flash Au < 0.5 microns thick) rapidly dissolves into the AuSn, and the solder joint is actually made with the base metal which lies beneath the Au. This is almost always nickel. Unfortunately, nickel does oxidize and can do so even when plated with gold. So, we still need protection from re-oxidation during soldering, as well as oxide removal. Protection from re-oxidation is done easily enough using a nitrogen atmosphere. Oxide reduction and removal can be accomplished by adding hydrogen to the atmosphere, otherwise known as forming gas. So, although we haven’t used a liquid chemical, the N2/H2 mix is a “chemical” and behaves as a flux.
Der Wasserstoffanteil liegt in der Regel zwischen 5 und 10 % in Bandöfen und kann in speziellen Anlagen bis zu 100 % betragen. Die Wärmeübertragung wird durch höhereH2-Anteile verbessert, da die Wärmekapazität von Wasserstoff etwa 14-mal so groß ist wie die von Stickstoff. Bei höherenH2-Anteilen erfolgt die Oxidreduzierung schneller, aber dann müssen möglicherweise Sicherheitsvorkehrungen (Flammensperren usw.) getroffen werden. Interessanterweise ist der Wasserstoff bei einer Konzentration von etwa 75 % nicht mehr explosiv, da nicht mehr genügend Sauerstoff für die Verbrennung vorhanden ist (allerdings besteht die Gefahr der Wasserstoffversprödung). Ein Gemisch mit weniger als 5 % Wasserstoff ist nicht entflammbar, da der Wasserstoff zu verdünnt ist, um zu verbrennen. Bei dieser Verdünnung kann die Wasserstoff-Oxid-Entfernungsrate jedoch zu langsam sein, um praktikabel zu sein.
Wichtig ist auch, dass die Geschwindigkeit der Oxidreduktion durch höhere Temperaturen erhöht wird. In einer Produktionsumgebung mit Au/Sn-Lot liegen die Prozesstemperaturen für eine gute Oxidreduktion typischerweise bei 330-350 °C. Bei einem flussmittelfreien Lötverfahren ist absolute Sauberkeit erforderlich, da die Teile nicht nur durch Oxide, sondern auch durch Oberflächenverunreinigungen beeinträchtigt werden können. Oberflächenverunreinigungen können sowohl bei der Verarbeitung der AuSn-Vorformlinge als auch bei der Verwendung auftreten. Die Vorformlinge werden in einem mechanischen Prozess hergestellt, so dass große Sorgfalt erforderlich ist, um die Verunreinigung zu minimieren. Darüber hinaus muss Ihr Lotlieferant die Dickentoleranz sorgfältig kontrollieren. AuSn "benetzt an Ort und Stelle"; es breitet sich beim Benetzen nicht aus. Jegliche Abweichung in der Dicke wird sich in den fertigen Verbindungen bemerkbar machen. Wählen Sie Ihren Lieferanten sorgfältig aus!
Next time we will look at reflow with fluxes including formic acid (which is not the same as forming gas).
