Die Erfindung bezieht sich auf eine Legierung, insbesonde¬ re Lotlegierung, auf ein Verfahren zum Verbinden von Werk- stücken durch Löten mittels einer Lotlegierung sowie auf die Verwendung einer Legierung zum Löten.

Löten ist eine der am weitesten verbreiteten Fügetechni¬ ken. Einer noch weiteren Verbreitung des Lötens zum Ver- binden von Werkstücken standen aber bisher noch einige Nachteile entgegen.

Bisher bekannte Lotlegierungen können nur dann mit gutem Ergebnis verwendet werden, wenn die Oberflächen der zu verbindenden Werkstücke vor dem Aufbringen des Lotes ge¬ säubert und von ggf. vorhandenen Oxidschichten befreit werden, um einen guten Kontakt des Lotes mit den Werk¬ stückoberflächen zu erreichen, und/oder wenn gleichzeitig mit dem Lot ein Flußmittel eingesetzt wird. Dies hat zur Folge, daß die zu lötenden Werkstückoberflächen einer aufwendigen Vorbehandlung bedürfen und/oder daß der Löt- vorgang durch den Einsatz eines Flußmittelzusatzes kom¬ plizierter auszuführen ist. Desweiteren besteht die Ge¬ fahr, daß nach dem Lötvorgang Flußmittelrückstände an den verlöteten Werkstücken verbleiben, die zu Problemen bei weiteren Verarbeitungsschritten führen können oder die die Langzeithaltbarkeit der Lötverbindungen beeinträchtigen können. Schließlich sind einige verwendete Flußmittel gesundheitlich und/oder ökologisch bedenklich.

Bekannte handelsübliche Weichlotlegierungen aus Zinn und/oder Blei und ggf. Silber, die bei etwa 200°C ver¬ arbeitbar sind, haben weiter den Nachteil, daß sie viele

Werkstoffe gar nicht oder nur sehr schlecht benetzen und ihr Einsatz zur Verbindung von Werkstücken, die Oberflä¬ chen aus derartigen schlecht oder gar nicht benetzbaren Werkstoffen aufweisen, nicht möglich ist. Es ist mit der- artigen klassischen Weichloten beispielsweise nicht mög¬ lich, Werkstücke aus Keramikwerkstoffen zu verlöten, da keramische Oberflächen nicht benetzt werden.

Diesen Nachteil hat man bereits dadurch versucht zu über- winden, daß den Weichloten Titan zugesetzt wurde. Diese sogenannten Weichaktivlote mit Titan-Anteil als sogenann¬ tem Aktivmetall zeigen eine wesentlich verbesserte Benet¬ zung auch von an sich schlecht benetzbaren Oberflächen, wie beispielsweise Keramiken. Ein erheblicher Nachteil dieser Weichaktivlote besteht allerdings darin, daß sie Verarbeitungstemperaturen von 600 bis 900°C benötigen und nur im Hochvakuum oder in reinem Schutzgas verarbeitet werden können. Durch die Notwendigkeit der Verarbeitung unter Vakuum wird das Lötverfahren sehr aufwendig; in vielen Fällen scheidet ihre Anwendung vollständig aus. Des weiteren schränkt die hohe Verarbeitungstemperatur die Auswahl an lötbaren Werkstoffen stark ein.

Daneben ist noch für gewisse Spezialfälle das Verfahren des eutektischen Kupferbondens bekannt, das aber noch aufwendiger und komplizierter ist.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Legierung, insbesondere Lotlegierung, sowie ein Verfahren zum Verbinden von Werk- stücken durch Löten mittels einer Lotlegierung vorzuschla¬ gen, das eine vielseitigere Verwendbarkeit der Weichlot- technik ermöglicht. Insbesondere besteht die Aufgabe, eine Legierung, insbesondere Lotlegierung, vorzuschlagen, die auch in sauerstoffhaltigen Atmosphären, wie beispielsweise an Luft, verarbeitbar ist, eine relativ geringe Verarbei¬ tungstemperatur besitzt und auch an sich schlecht benetz-

bare Oberflächen, wie beispielsweise Keramikoberflächen, gut benetzt. Die vorzuschlagende Lotlegierung soll in Weiterbildung der Erfindung flußmittelfrei verarbeitbar sein.

Die Aufgabe wird durch eine neuartige Legierung, insbeson¬ dere Lotlegierung, durch ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken durch Löten mittels dieser neuartigen Lotle¬ gierung sowie durch die Verwendung dieser neuartigen Le- gierung zum Löten gelöst. Die neuartige Legierung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese mindestens 1 Gewichts-% eines Elements oder eines

Gemischs aus Elementen der Nebengruppe IVa und/oder Va des Periodensystems, - mindestens 0,01 Gewichts-% eines Elements oder eines

Gemischs aus Elementen der Lanthaniden-Gruppe, wahlweise mindestens 0,5 Gewichts-% Silber oder Kupfer oder Indium oder eines Gemischs von Silber und/oder

Kupfer und/oder Indium und - wahlweise mindestens 0,01 Gewichts-% Gallium enthält und der Rest aus Zinn oder Blei oder aus einem Gemisch von Zinn und Blei sowie ggf. aus üblichen Verunreinigungen besteht.

Die vorgeschlagene Legierung besteht also aus mindestens drei Komponenten, nämlich einer ersten Komponente, die aus einem Element oder einem Gemisch aus Elementen der Neben¬ gruppe IVa und/oder Va des Periodensystems besteht; einer zweiten Komponente, die aus einem Element oder einem Ge- misch aus Elementen der Lanthaniden-Gruppe besteht; und aus einer dritten Rest-Komponente, die aus Zinn oder Blei oder aus einem Gemisch von Zinn und Blei besteht.

Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Legierung zusatz- lieh eine weitere Komponente, die aus Silber oder Kupfer oder Indium oder einem Gemisch von Silber und/oder Kupfer

und/oder Indium besteht; und/oder eine andere weitere Komponente, die aus Gallium besteht. Die vierte und ggf. fünfte Komponente sind vorteilhafterweise in der neuarti¬ gen Legierung enthalten, sind aber zur Erreichung der erfindungsgemäßen Vorteile nicht unbedingt notwendig.

Zu den Elementen der Nebengruppe IVa und/oder Va des Peri¬ odensystems gehören u. a. die Elemente Titan, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob und Tantal, von denen Titan bevor- zugt wird. Zu den Elementen der Lanthanidengruppe gehören u.a. Cer, Präsodym, Neodym, Gadolinium und Ytterbium, von denen Cer bevorzugt wird.

Die Funktion der einzelnen Legierungskomponenten läßt sich wie folgt beschreiben:

Die dritte Rest-Komponente aus Zinn oder Blei oder aus einem Gemisch von Zinn und Blei ist eine klassische Lotbasis.

Die erste Komponente, die aus einem Element oder aus einem Gemisch aus Elementen der Nebengruppe IVa und/oder Va des Periodensystems - insbesondere aus Titan - besteht, erhöht die Benetzungsfähigkeit der Legierung, insbesondere für Keramikoberflächen. Sie dient weiter der Reduktion der Oberflächenspannung der Legierung im geschmolzenen Zustand.

Die zweite Komponente, die aus einem Element oder aus einem Gemisch aus Elementen der Lanthaniden-Gruppe - insbesondere Cer - besteht, verhindert aufgrund ihrer hohen Sauerstoff-Äffinität die Oxidation der ersten Komponente, die insbesondere aus Titan besteht. Auf¬ grund der hohen Sauerstoff-Äffinität verbindet sich Sauerstoff aus der Umgebung, aus Oxidschichten der zu verbindenden Werkstoffe oder aus sonstigen Quellen

bevorzugt mit dem Cer und nicht mit dem Titan, so daß das Titan zumindest weitgehend in nichtoxidierter Form erhalten bleibt und seine positiven Wirkungen entfal¬ ten kann.

Mit Legierungen erfindungsgemäßer Zusammensetzung kann eine Vielzahl metallischer und nichtmetallischer Werk¬ stoffe, auch oxidische und nichtoxidische Keramikwerk¬ stoffe, mit sich selbst oder mit anderen Werkstoffen ver- bunden werden. Die Lötverbindung kann vorteilhafterweise in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise an Luft, ausgeführt werden. Es besteht weiter im allgemeinen keine Notwendigkeit für die Verwendung eines Flußmittels.

Die Verarbeitungstemperatur der erfindungsgemäßen Legie¬ rung beträgt bevorzugt höchstens 500°C, insbesondere zwi¬ schen 200 und 450°C. Sie kann durch Zugabe weiterer Kompo¬ nenten, wie die genannten Silber und/oder Kupfer und/oder Indium und/oder Gallium, auf den für den jeweiligen Ver- wendungszweck gewünschten Wert abgestimmt werden.

Im Unterschied zu den bekannten, sogenannten Weichaktivlo- ten liegen die Verarbeitungstemperaturen einer erfindungs¬ gemäßen Legierung somit drastisch niedriger. Es entfällt ferner die Notwendigkeit eines Vakuums oder einer Schutz- gasatmosphäre für die Durchführung der Lötung.

Der Verbindungsmechanismus beruht auf:

- der Entfernung evtl. vorhandener Oxidbelegungen auf den Oberflächen der zu verbindenden Werkstücke durch reaktive Legierungskomponenten;

der Verringerung der Oberflächenspannung im geschmol- zenem Zustand infolge von Wechselwirkungen der Legie¬ rungskomponenten mit den Umgebungsmedien und

der Anbindung über physikalische Kräfte.

Lotlegierungen gemäß der Erfindung sind in den verschie¬ densten Bereichen unter den verschiedensten Verarbeitungs- bedingungen gut einsetzbar. Sie können beispielsweise verwendet werden, um problemlos Kupfer mit Stahl oder gegossenen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen zu verlöten. Sie ermöglichen auch, Kupfer auf ein Siliziumwerkstück - bei¬ spielsweise einen Halbleiter-Wafer - zu löten. Für Legie- rungen gemäß der Erfindung ergeben sich damit zahlreiche Anwendungen in der Halbleiter-elektronik, und zwar sowohl in der Mikroelektronik als auch im Leistungselektronik¬ bereich.

Neben der Möglichkeit, beispielsweise eine Kupferplatte auf einen Silizium-Wafer aufzulöten, eröffnet sich z. B. auch die Möglichkeit, ein Werkstück aus Kupfer mit einem Werkstück aus Aluminiumnitrid zu verlöten. Aluminiumnitrid ist ein guter Isolator, der in seinen Isolationseigen- Schäften mit dem weitverbreiteten Isolator Aluminiumoxid vergleichbar ist, aber eine deutlich höhere Wärmeleit¬ fähigkeit als Aluminiumoxid zeigt. Eine erfindungsgemäße Lötlegierung kann daher dazu benutzt werden, einen Lei¬ stungshalbleiter sehr gut wärmeleitend mit einem Alumini- umnitrid-Werkstück zu verbinden, das die Verlustwärme des Leistungshalbleiterelements in einen Träger abführt, wobei das Aluminiumnitrid-Werkstück aber eine elektrische Isola¬ tion gegenüber dem Träger gewährleistet.

Eine andere mögliche Vorgehensweise ist beispielsweise, eine Kupferplatte mittels einer erfindungsgemäßen Legie¬ rung auf einen Silizium-, Aluminiumnitrid- oder faserver¬ stärkten Kohlenstoff-Trägerkörper aufzulöten. Anschließend können weitere metallische Bauelemente in bekannter Weise mit bekannten, handelsüblichen Loten an diese Kupferplatte angelötet werden.

Mit einem erfindungsgemäßen Legierungslot können auch Alumi-nium-Werkstücke untereinander oder mit Kupfer- oder Stahlbauteilen oder Bauteilen aus gegossenen Eisen-Kohlen¬ stoff-Legierungen wie Gußeisen oder Stahlguß verlötet werden. Dies kann beispielsweise in der Installationstech¬ nik vorteilhaft eingesetzt werden, z. B. zum Verbinden von Komponenten bei Bau oder Reparatur von Kühlern oder Wärme¬ tauschern oder zum gut wärmeleitenden Anfügen von Thermo- fühlern bei Heizungs- und Warmwasseranlagen.

Erfindungsgemäße Lotlegierungen können in verschiedensten Darstellungsformen hergestellt und eingesetzt werden, beispielsweise als Drähte, Stäbe, Bleche, Granulate, Pul¬ ver, Pasten, Folien oder Formteile. Lötpasten sind als sogenannte Metallisierungs-, Dickschicht-, Dickfilm- oder Siebdruck-Lötpasten bekannt und sind im Siebdruckverfahren auf gedruckte Schaltungen aufbringbar.

Zur Erwärmung einer Legierung gemäß der Erfindung eignen sich alle bekannten Erwärmungsverfahren, beispielsweise

Erwärmung mit Lötkolben oder Flamme, Plattenerwärmung, Heißlufterwärmung, Ultraschallerwärmung oder Widerstand- serwärmung. Erfindungsgemäße Lotlegierungen sind auch im Reflow- oder Schwalllötverfahren einsetzbar.

Die Löttemperatur kann durch die Zugabe der erfindungs- gemäß wahlweise zusätzlich einsetzbaren weiteren Komponen¬ te (n) Silber, Kupfer, Indium oder Gallium beeinflußt wer¬ den. Sie kann ebenfalls durch die Wahl der Restkomponente - also Zinn oder Blei oder ein Gemisch aus Blei und Zinn - beeinflußt werden. Während bei erfindungsgemäßen Zinn¬ loten, deren Restkomponente zumindest überwiegend aus Zinn besteht, die Verarbeitungstemperatur i. a. zwischen 220 und 350°C liegt, beträgt die Löttemperatur von erfindungs- gemäßen Bleiloten, deren Restkomponente zumindest überwie¬ gend aus Blei besteht, i. a. zwischen 320 und 450°C.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Lotlegierungen gemäß der Erfindung besitzen, wie angege- ben, eine Reihe bedeutender Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Als wichtigstes ist zu nennen, daß erfin¬ dungsgemäße Lotlegierungen in allen Umgebungsatmosphären auch flußmittelfrei verarbeitbar sind, sie eine relativ geringe Verarbeitungstemperatur besitzen und auch bei an sich sehr schlecht benetzbaren Oberflächen einsetzbar sind. Sie sind dabei nicht oder kaum teurer herzustellen als bekannte Lotlegierungen, beispielsweise die sogenann¬ ten Weichaktivlote. Neben den Anwendungsfällen, in denen bereits heute Lötverbindungen zum Fügen von Werkstücken verwendet werden, werden sie z. B. auch in vielen Berei¬ chen, in denen bisher KlebeVerbindungen zum Fügen angewen¬ det wurden, vorteilhaft eingesetzt werden können.

Die erfindungsgemäße Legierung, insbesondere Lotlegierung, das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße

Verwendung der Legierung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

Zur Herstellung einer Lötverbindung zwischen einer Kupfer- platte und einer Aluminiumnitridplatte wird zunächst die Kupferplatte auf einer elektrischen Heizplatte angeordnet. Auf die Kupferplatte, die nicht besonders vorbereitet - beispielsweise vorgereinigt oder -poliert - sein muß, wird eine Folie aus einer erfindungsgemäßen Lotlegierung ge- legt. Die gewalzte Folie besteht aus einer Legierung aus 7

Gewichts-% Silber, 2 Gewichts-% Kupfer, 4 Gewichts-% Ti¬ tan, 0,1 Gewichts-% Cer, 0,05 Gewichts-% Gallium und Rest Zinn. Auf die Folie wird anschließend die Aluminiumnitrid- Platte gelegt. Anschließend übt man auf den Plattenstapel eine mechanische Druckkraft in Richtung auf die Heizplatte aus, beispielsweise indem man ein Metallgewicht obenauf

auf den Plattenstapel legt.

Beheizt man nun die Heizplatte durch Einschalten der Heiz- plattenheizung, so erwärmt sich der Plattenstapel. Bei diesem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Legie¬ rung beträgt die Löttemperatur etwa 350°C, die Lötdauer einige Minuten. Nach dem Schmelzen der Lotlegierungsfolie läßt man den Plattenstapel durch Abschalten der Heizplatte wieder erkalten, so daß das geschmolzene Lot beim Erstar- ren die Kupferplatte und die Aluminiumnitridplatte fest miteinander verbindet. Für die Ausbildung der Verbindung wird - wie bei diesem Ausführungsbeispiel - eine zusätzli¬ che mechanische Unterstützung des geschmolzenen Lotes bevorzugt, um ein gleichmäßiges Lotfließen zu garantieren. Es wird bevorzugt, daß die Abkühlung des Plattenstapels relativ langsam erfolgt, wenn - wie bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel - Stoffe mit stark unterschiedlichen ther¬ mischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verlötet werden, da sonst bei zu schneller und insbesondere un- gleichmäßiger Abkühlung Risse auftreten könnten.

Das geschilderte Lotverfahren kann auch mit anderen erfin¬ dungsgemäßen Lotlegierungen durchgeführt werden. Eine erfindungsgemäße Lotlegierung aus 4 Gewichts-% Silber, 4 Gewichts-% Titan, 0,1 Gewichts-% Cer, 0,1 Gewichts-% Gal¬ lium und Rest Zinn kann z. B. ebenfalls bei 350°C ver¬ arbeitet werden, während eine erfindungsgemäße Lotlegie¬ rung aus 4 Gewichts-% Silber, 2 Gewichts-% Titan, 2 Ge¬ wichts-% Zinn, 2 Gewichts-% Indium, 0,1 Gewichts-% Cer, 0,05 Gewichts-% Gallium und Rest Blei bei 400°C verarbei¬ tet wird.

Neben dem geschilderten Lötverfahren können auch alle anderen dem Fachmann bekannten Lötverfahren mit einer erfindungsgemäßen Lotlegierung durchgeführt werden, wobei im Hinblick auf den gewünschten Einsatzzweck ggf. Optimie-

rungen der Zusammensetzung im Rahmen der Patentansprüche leicht im Wege des Experiments durch den Fachmann ermit¬ telbar sind.