CH633985A5

CH633985A5 - Welding head having a high-frequency current transformer

Info

Publication number: CH633985A5
Application number: CH1049379A
Authority: CH
Inventors: Jean-Luc Monnier
Original assignee: Far Fab Assortiments Reunies
Priority date: 1979-11-26
Filing date: 1979-11-26
Publication date: 1983-01-14
Also published as: FR2469973B3; DE3044345A1; FR2469973A1

Description

La présente invention concerne les techniques de soudage de composants sur un support et elle se rapporte plus particulièrement à une tête de soudage par refusion adaptable par exemple à une machine automatique mettant en œuvre le procédé de soudage automatisé sur bande. The present invention relates to the techniques for welding components onto a support and it relates more particularly to a reflow welding head adaptable for example to an automatic machine implementing the automated tape welding process.

Le procédé de soudage automatisé sur bande, connu également sous la dénomination TAB, consiste à réaliser le soudage de composants tels des circuits intégrés sur un support en utilisant une bande de transfert du type film cinématographique. Cette bande porte une succession de circuits imprimés dessinant les pattes de connexion des circuits intégrés à monter. Au cours de deux opérations de soudage successives, les sorties électriques de chaque circuit intégré sont soudées aux extrémités intérieures correspondantes des pattes de connexion dessinées sur la bande de transfert, puis les extrémités extérieures de ces pattes, préalablement libérées par découpage, sont soudées aux connexions correspondantes prévues sur le support. The automated tape welding process, also known under the name TAB, consists of welding components such as integrated circuits onto a support using a transfer tape of the cinematographic film type. This strip carries a succession of printed circuits drawing the connection tabs of the integrated circuits to be mounted. During two successive welding operations, the electrical outputs of each integrated circuit are welded to the corresponding inner ends of the connection lugs drawn on the transfer strip, then the external ends of these lugs, previously released by cutting, are welded to the connections. corresponding provided on the support.

Les deux opérations de soudage précitées sont généralement réalisées par refusion, c'est-à-dire qu'une gouttelette de matériau de soudure préalablement déposée sur l'un des éléments à raccorder est amenée à la fusion, puis refroidie pendant que les éléments sont maintenus en contact. En raison des impératifs de cadence de la machine automatique, et pour éviter une diffusion trop importante de chaleur dans le circuit intégré ou le support, ainsi qu'une détérioration de l'outil de soudage, il importe que ce dernier puisse suivre des cycles de température à la fois très rapides et très précis. On utilise à cet effet des outils de soudage, ou thermodes, chauffes par effet Joule et présentant une faible inertie thermique — les thermodes sont généralement réalisées en molybdène et présentent une impédance électrique très faible, de l'ordre de quelques milliohms. The two aforementioned welding operations are generally carried out by reflow, that is to say that a droplet of welding material previously deposited on one of the elements to be connected is brought to fusion, then cooled while the elements are kept in contact. Due to the imperative of the cadence of the automatic machine, and to avoid excessive diffusion of heat in the integrated circuit or the support, as well as a deterioration of the welding tool, it is important that the latter can follow cycles of temperature both very fast and very precise. Welding tools, or thermodes, heated by the Joule effect and having a low thermal inertia are used for this purpose - the thermodes are generally made of molybdenum and have a very low electrical impedance, of the order of a few milliohms.

Typiquement, les caractéristiques d'un cycle de température pour une opération de soudage par refusion sont les suivantes: montée en température de la température ambiante à 300° C environ en un temps de 1 s, puis maintien quelques secondes à 300° C, et retour à la température ambiante avec relèvement de la thermode lorsque la température avoisine 100°C. On conçoit ainsi la double nécessité d'un courant de chauffage de l'outil de soudage très intense, de l'ordre de 100 A par exemple, et d'une régulation thermique à faible constante de temps. Typically, the characteristics of a temperature cycle for a reflow soldering operation are as follows: temperature rise from ambient temperature to approximately 300 ° C. in a time of 1 s, then hold for a few seconds at 300 ° C., and return to room temperature with rise in the thermode when the temperature is around 100 ° C. We thus understand the double need for a very intense welding tool heating current, of the order of 100 A for example, and thermal regulation with a low time constant.

Les dispositifs connus de l'art antérieur mettent en œuvre des outils de soudage chauffés par effet Joule et alimentés par l'intermédiaire d'un transformateur abaisseur de tension dont le circuit primaire est commuté sur une source de tension alternative de fréquence industrielle. Ces dispositifs présentent un certain nombre de désavantages tant en ce qui concerne leur rendement que leurs performances de régulation. The known devices of the prior art use welding tools heated by the Joule effect and supplied by means of a step-down transformer whose primary circuit is switched to an alternating voltage source of industrial frequency. These devices have a certain number of disadvantages both with regard to their efficiency and their regulation performance.

En effet, en raison de l'encombrement inévitable du transformateur abaisseur de tension, il n'est, d'une part, pas possible de l'intégrer à la tête de soudure elle-même de la machine. Il est donc nécessaire de prévoir des lignes d'amenée du courant du transformateur à la tête de soudage. Du fait de l'importance de l'intensité du courant, les pertes dans les lignes par effet Joule mais également les pertes par induction sont très fortes, de sorte que le rendement pratique de ces dispositifs n'excède que rarement 10%. Indeed, due to the inevitable bulk of the step-down transformer, it is, on the one hand, not possible to integrate it into the welding head itself of the machine. It is therefore necessary to provide supply lines for the current from the transformer to the welding head. Because of the importance of the intensity of the current, the losses in the lines by Joule effect but also the losses by induction are very strong, so that the practical yield of these devices rarely exceeds 10%.

D'autre part, la régulation thermique de ces dispositifs n'est pas satisfaisante. Elle s'obtient le plus souvent par une commutation du circuit primaire du transformateur par bursts, c'est-à-dire que l'on envoie un nombre donné de périodes entières dans ce circuit, l'enclenchement se produisant à tension nulle, à des instants déterminés en fonction du cycle de température à obtenir. On comprend aisément que, en raison de la faible fréquence utilisée, la quantification de l'énergie appliquée à l'outil ne peut être que grossière. Bien entendu, une commutation par découpage de phase au moyen de triacs peut également être envisagée, mais elle génère des perturbations gênantes dans le circuit d'alimentation et les circuits de contrôle et impose un régime de fonctionnement inadapté au transformateur en déformant le signal appliqué à son circuit primaire, ce qui réduit encore son rendement. On the other hand, the thermal regulation of these devices is not satisfactory. It is most often obtained by switching the primary circuit of the transformer by bursts, that is to say that a given number of whole periods is sent in this circuit, the switching on occurring at zero voltage, at instants determined as a function of the temperature cycle to be obtained. It is easily understood that, due to the low frequency used, the quantification of the energy applied to the tool can only be rough. Of course, switching by phase cutting by means of triacs can also be envisaged, but it generates annoying disturbances in the supply circuit and the control circuits and imposes an operating regime unsuitable for the transformer by distorting the signal applied to its primary circuit, which further reduces its efficiency.

C'est pourquoi l'objet de la présente invention est de prévoir une tête de soudage adaptable aux machines automatiques de l'art antérieur, qui permette un rendement meilleur de l'opération de soudage, tout en garantissant une régulation plus précise de la température de l'outil. La tête de soudage selon l'invention est définie dans la revendication 1. This is why the object of the present invention is to provide a welding head adaptable to the automatic machines of the prior art, which allows a better yield of the welding operation, while guaranteeing a more precise regulation of the temperature. of the tool. The welding head according to the invention is defined in claim 1.

Dans une forme d'exécution, des moyens de surveillance incorporés dans la tête de soudage recueillent directement un signal électrique image de l'intensité absorbée dans l'outil. In one embodiment, monitoring means incorporated in the welding head directly collect an electrical signal image of the intensity absorbed in the tool.

De façon préférentielle, l'élément-support forme une structure rigide réalisée en matériau électriquement conducteur et présentant un passage pour le circuit magnétique du transformateur de courant. Preferably, the support element forms a rigid structure made of electrically conductive material and having a passage for the magnetic circuit of the current transformer.

En outre, les moyens de surveillance susmentionnés sont avantageusement constitués par un enroulement supplémentaire porté par le transformateur. In addition, the aforementioned monitoring means advantageously consist of an additional winding carried by the transformer.

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins annexés, parmi lesquels: The present invention will be better understood on reading the following description made in relation to the appended drawings, among which:

la fig. 1 est une représentation schématique par blocs de l'installation d'alimentation et de contrôle de la tête de soudage selon la présente invention, et la fig. 2 est une représentation en perspective d'un transformateur et d'un élément-support associé dans une tête de soudage, selon la présente invention. fig. 1 is a schematic block representation of the installation for feeding and controlling the welding head according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective representation of a transformer and an associated support element in a welding head, according to the present invention.

Comme on le voit au mieux dans la fig. 1, la tête de soudage schématisée par le bloc 1, susceptible de se déplacer séquentiellement par rapport aux éléments à souder, comprend un élément-support 2 d'un outil de soudage susceptible d'être chauffé par effet Joule. Cet élément-support 2 comporte les moyens pour recevoir de façon amovible une thermode 3 de soudage par refusion. Il présente, par exemple, une rainure munie de vis de blocage dans laquelle vient s'engager la thermode. Selon la présente invention, la tête de soudage 1 comporte en outre un transformateur de courant généralement référencé 4, disposé à proximité immédiate de l'élément-support 2. Dans une boucle secondaire 5 du transformateur 4 est placée en série au moins une portion de l'élément-support 2. La boucle secondaire 5 peut être constituée par une tresse de fils de cuivre, mais elle peut aussi avantageusement être formée dans l'élément-support 2 lui-même, cet élément constituant une structure rigide et présentant un passage pour le circuit magnétique du transformateur de courant, comme on le verra ci-dessous. As best seen in fig. 1, the welding head shown diagrammatically by the block 1, capable of moving sequentially relative to the elements to be welded, comprises a support element 2 of a welding tool capable of being heated by the Joule effect. This support element 2 comprises the means for removably receiving a reflow soldering thermode 3. It has, for example, a groove provided with locking screws in which the thermode engages. According to the present invention, the welding head 1 further comprises a current transformer generally referenced 4, disposed in the immediate vicinity of the support element 2. In a secondary loop 5 of the transformer 4 is placed in series at least a portion of the support element 2. The secondary loop 5 can consist of a braid of copper wires, but it can also advantageously be formed in the support element 2 itself, this element constituting a rigid structure and having a passage for the magnetic circuit of the current transformer, as we will see below.

Le circuit primaire 6 du transformateur 4 est alimenté par The primary circuit 6 of the transformer 4 is supplied by

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3

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l'intermédiaire d'un générateur d'alimentation 7 fonctionnant en haute fréquence. Typiquement, cette fréquence pourra être comprise entre 0,5 et 18 KHz et elle sera adaptée, de même que la forme des signaux d'alimentation, aux caractéristiques du transformateur 4. La régulation du générateur 7 s'effectuera de façon classique selon la s technique par bursts déjà mentionnée, mais elle sera plus précise en raison de la fréquence de fonctionnement du dispositif. via a power generator 7 operating at high frequency. Typically, this frequency may be between 0.5 and 18 KHz and it will be adapted, as well as the shape of the supply signals, to the characteristics of the transformer 4. The regulation of the generator 7 will be carried out in a conventional manner according to the s burst technique already mentioned, but it will be more precise due to the frequency of operation of the device.

Un enroulement de surveillance 8 peut être prévu sur le transformateur 4 pour recueillir un signal électrique image de l'intensité absorbée dans la boucle secondaire et l'outil de soudage. On pourra 10 ainsi détecter, par exemple, des anomalies de fonctionnement se traduisant par des variations de température de l'outil de soudage, et donc de la résistivité du matériau le constituant et du courant qui le traverse. Une variation du courant consommé dans la boucle secondaire produisant une perturbation du flux magnétique dans le 15 transformateur, il sera possible de la mettre en évidence au moyen de l'enroulement de surveillance 8. Ce dernier peut alimenter un dispositif de visualisation 9 et/ou agir directement sur le générateur d'alimentation 7 et déclencher des processus de compensation de la perturbation appropriés. 20 A monitoring winding 8 can be provided on the transformer 4 to collect an electrical image signal of the intensity absorbed in the secondary loop and the welding tool. It will thus be possible to detect, for example, operating anomalies resulting in variations in temperature of the welding tool, and therefore in the resistivity of the material constituting it and of the current flowing through it. A variation of the current consumed in the secondary loop producing a disturbance of the magnetic flux in the transformer, it will be possible to highlight it by means of the monitoring winding 8. The latter can power a display device 9 and / or act directly on the supply generator 7 and trigger appropriate disturbance compensation processes. 20

La fig. 2 représente à titre d'exemple une structure particulière d'un élément-support généralement référencé 17 susceptible d'être mis en œuvre dans une tête de soudage selon la présente invention. Comme indiqué ci-dessus, plutôt que d'utiliser une boucle secondaire 25 Fig. 2 shows by way of example a particular structure of a support element generally referenced 17 capable of being implemented in a welding head according to the present invention. As noted above, rather than using a secondary loop 25

réalisée en tresse de fils de cuivre dans laquelle est insérée une portion de l'élément-support, celui-ci peut former une structure rigide réalisée en matériau électriquement conducteur et présentant un passage pour le circuit magnétique du transformateur de courant. Ainsi, l'élément-support 17 de la fig. 2 est constitué par l'assemblage d'une pièce 12 à section en forme de L et d'une pièce 11 à section en forme de marche d'escalier. Un passage 14 est ainsi ménagé entre les deux pièces 11 et 12 pour le circuit magnétique du transformateur, dont la configuration est, par exemple, celle d'un tore 15 supportant l'enroulement primaire. La pièce 12 à section en forme de L peut comporter une branche 13 semi-cylindrique, dont la surface dirigée vers le tore 15 présente un rayon de cambrure égal au rayon intérieur de ce tore. A la partie inférieure de l'élément-support 17 est assujettie de façon amovible une thermode 16 dont l'extrémité libre présente une configuration adaptée à l'opération de soudage à effectuer. made of a braid of copper wires into which a portion of the support element is inserted, it can form a rigid structure made of electrically conductive material and having a passage for the magnetic circuit of the current transformer. Thus, the support element 17 of FIG. 2 is constituted by the assembly of a part 12 with an L-shaped section and a part 11 with a section in the form of a stair step. A passage 14 is thus provided between the two parts 11 and 12 for the magnetic circuit of the transformer, the configuration of which is, for example, that of a torus 15 supporting the primary winding. The part 12 of L-shaped section may include a semi-cylindrical branch 13, the surface of which directed towards the torus 15 has a radius of camber equal to the internal radius of this torus. At the lower part of the support element 17 is removably secured a thermode 16, the free end of which has a configuration adapted to the welding operation to be carried out.

La configuration du transformateur de courant et celle du support d'outil de soudage peuvent être aisément modifiées. The configuration of the current transformer and that of the welding tool holder can be easily changed.

De même, quoique l'application décrite de la tête de soudage mette en œuvre le procédé de soudage par refusion, son principe pourrait également être utilisé dans un dispositif de soudage de pièces par effet Joule, dans lequel le courant engendré dans la boucle secondaire du transformateur serait envoyé au travers des deux éléments à souder, réchauffement à la jonction provoquant alors leur fusion partielle. Le contrôle du processus pourrait là encore être favorisé par l'enroulement de surveillance. Similarly, although the described application of the welding head implements the reflow welding process, its principle could also be used in a device for welding parts by Joule effect, in which the current generated in the secondary loop of the transformer would be sent through the two elements to be welded, heating at the junction then causing their partial fusion. Here again, process control could be helped by the monitoring winding.

R R

1 feuille dessin 1 drawing sheet

Claims

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1. Welding head comprising a support element (2) of a welding tool (3) capable of being heated by the Joule effect, characterized in that it comprises a high frequency current transformer (4) arranged at immediate proximity to the support element (2) and in that at least a portion of the support element is electrically connected in series in a secondary loop (5) of this transformer.

2. Welding head according to claim 1, characterized in that the support element forms a rigid structure made of an electrically conductive material and having a passage for the magnetic circuit of the current transformer.

2

3. Welding head according to one of claims 1 or 2, characterized in that the current transformer further carries a monitoring winding (8) to collect an electrical signal image of the intensity absorbed in the secondary loop.

4. Welding head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the support element comprises means for removably receiving a reflow welding thermode.