EP3653025A1 - Fixation d'un cms sur une couche isolante avec un joint de brasure dans une cavité réalisée dans une couche isolante - Google Patents

Fixation d'un cms sur une couche isolante avec un joint de brasure dans une cavité réalisée dans une couche isolante

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EP3653025A1
EP3653025A1 EP18738344.3A EP18738344A EP3653025A1 EP 3653025 A1 EP3653025 A1 EP 3653025A1 EP 18738344 A EP18738344 A EP 18738344A EP 3653025 A1 EP3653025 A1 EP 3653025A1
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EP
European Patent Office
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insulating layer
cavity
printed circuit
screen
axis
Prior art date
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Ceased
Application number
EP18738344.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Denis LECORDIER
Philippe CHOCTEAU
Jacky Jouan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electronics and Defense SAS filed Critical Safran Electronics and Defense SAS
Publication of EP3653025A1 publication Critical patent/EP3653025A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • B23K3/0607—Solder feeding devices
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    • H05K3/3442—Leadless components having edge contacts, e.g. leadless chip capacitors, chip carriers

Definitions

  • the invention relates to the field of electronic cards, particularly in the field of aeronautics and space, and more specifically the attachment of surface-mounted components on printed circuits.
  • an electronic card may comprise surface-mounted components (SMD), that is to say electronic components soldered directly to the surface of the printed circuit of an electronic card.
  • SMD surface-mounted components
  • CMS are brazed on the surface either by reflow soldering (English) or wave ("solder wave” in English).
  • the naked printed circuit is first screen printed by covering the conductive layers of the printed circuit (generally made of copper) with a solder cream using a screen printing screen (or stencil) so that only the locations intended to receive the terminations of the components are covered by the soldering cream.
  • the solder cream comprises, in a manner known per se, a metal alloy suspended in a soldering flux.
  • CMS component terminations
  • the standoff therefore corresponds to the alloy height interfacing between the CMS and the copper layer.
  • the CMS and the surface on which it is brazed dilate differently, causing relative displacements especially in the plane of the surface (X, Y).
  • the larger the standoff the more flexible the solder joint is.
  • the size (width) of the orifices in the screen printing screen may for example be increased, so that during the reflow step, the height of the solder joint is increased by coalescence effect: the thickness of the solder joint is greater than the equivalent thickness of the alloy obtained after reflow with smaller holes in the screen-printing screen, since the metal alloy can not spread beyond the layers of the printed circuit by effect wettability in its liquid phase (liquidus) during remelting.
  • This method actually increases the standoff.
  • this is limited by the volume of solder cream that can be introduced into the screen openings for release and coalescence limit of the solder cream without generating micro balls.
  • the height of solder cream deposited on the printed circuit for brazing several CMS is substantially the same for each CMS, since it is deposited by screen printing using a screen.
  • screens having a variable thickness in order to locally increase the height of the orifices of the screen, and therefore the quantity of solder cream filed.
  • these variable thicknesses often involve screen printing problems for the adjacent CMS (solder paste height in the adjacent holes unsatisfactory) and makes it difficult to optimize the implementation of the CMS in the electronic card.
  • the deposition of the brazing cream by screen printing limits the implantation density of the electronic components on the printed circuit and / or the type of component that can be used, in particular in the case of fine-pitch components.
  • the size of the windows of the screen printing screen is limited by the following condition so that the screen can be demolded without damaging the soldering cream which has been deposited: the ratio between the surface of the window (in the plane of the screen, which is parallel to the plane (X, Y)) and the area of the inner walls of the window (which extend perpendicular to the plane of the screen) must be greater than or equal to 0.66.
  • An object of the invention is therefore to propose a new method of fixing a surface-mounted component on a printed circuit which makes it possible to increase the lifetime of the component by increasing the associated standoff, which is otherwise easy to achieve and moderate cost regardless of the density of implantation of the components on the printed circuit and / or the type of component (and in particular the fine-pitch components), without affecting the assembly efficiency of the electronic card.
  • the invention proposes a method for fixing an electronic component on a printed circuit, said printed circuit comprising a connection face comprising at least one conductive layer and defining a Z axis, said Z axis being normal to the connection face, the fixing method comprising the following steps:
  • an insulating layer comprising an electrically insulating material on the connection face of the printed circuit, the insulating layer having a minimum thickness determined along the Z axis,
  • the minimum thickness of the insulating layer is such that the depth of the cavity is at least 100 m.
  • the electrically insulating material of the insulating layer has a first coefficient of thermal expansion along the Z axis
  • the metal alloy has a second coefficient of thermal expansion along the Z axis, and in which the first coefficient of thermal expansion is more large than the second coefficient of thermal expansion
  • the steps for applying the insulating layer and for forming the cavity are carried out by surface photolithography
  • the cavity is made using at least one of the following techniques: laser drilling of the insulating layer, mechanical cutting of the insulating layer, chemical etching of the insulating layer.
  • the insulating layer is attached and fixed on the connection face, and in which the cavity is formed by cutting or piercing before or after the fixing of the insulating layer on the connection face,
  • the insulating layer is formed by a printed circuit
  • the method further comprises, prior to the step of filling the cavity, a metallization step of the conductive pad 12,
  • the cavity is filled by screen printing, with or without screen printing,
  • the cavity has a surface in a plane normal to the Z axis, said cavity being filled by serigraphy with screen printing screen, said screen printing screen having a window having a surface in the plane normal to the Z axis, the surface of the window being at least equal to the surface of the cavity, and / or
  • the heat treatment comprises a reflow of the metal alloy.
  • Figures 1 to 1 g illustrate steps of an exemplary embodiment of a fixing method according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates an alternative embodiment of cavities formed in an insulating layer applied to a conductive layer of a printed circuit.
  • FIG. 3 illustrates an alternative embodiment of the step of filling the cavity.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the steps of fixing an electronic component on a printed circuit according to one embodiment of the invention.
  • An electronic card 1 comprises a printed circuit 10, comprising a connection face 14 comprising at least one conductive layer 12, and at least one surface-mounted component (CMS 2), preferably several CMS 2, brazed to the connection 1.
  • CMS 2 surface-mounted component
  • connection face 14 is substantially flat and defines a plane (X; Y), normal to a Z axis.
  • the CMS 2 is set according to the following steps:
  • step S1 applying an insulating layer 20 (step S1) comprising an electrically insulating material on the connection face 14 of the printed circuit board 10,
  • step S2 forming a cavity 22 (step S2) in the insulating layer 20 above the conductive layer 12 so that at least a portion of the conductive layer 12 is at least partially uncovered
  • step S3 filling the cavity 22 (step S3) with a metal alloy 4 accompanied by a soldering flux 5,
  • step S4 placing the component 2 above the cavity 22 (step S4),
  • step S5 applying a heat treatment (step S5) to the printed circuit board 10 on which the component is placed in order to transform the metal alloy 4 accompanied by the brazing flux 5 into a solder joint 6 so as to fix the component to the printed circuit 10.
  • the insulating layer 20 has a minimum thickness
  • the minimum thickness E of the insulating layer 20 is then determined so that the depth p of the cavity 22 is at least equal to 100 m.
  • the thickness E and the depth p can be substantially constant. Thanks to the presence of the insulating layer 20, it is thus possible to obtain a higher standoff H than in the prior art insofar as the standoff H obtained is at least equal to the depth p of the cavity 22, after heat treatment. Moreover, the minimum depth p of the cavity 22 in the insulating layer 20 makes it possible to increase the service life of the solder joint 6 sufficiently.
  • steps S3 and S4 are not limiting.
  • the CMS 2 can be placed above the cavity 22 before it is filled, especially when the component is soldered to the wave.
  • the coefficient of thermal expansion (“coefficient of thermal expansion” in English) along the Z axis of the material of the insulating layer 20 is greater than the coefficient of thermal expansion along the Z axis of the metal alloy 4 so that, following the heat treatment S5, after the solidification of the metal alloy 4, the insulating layer 20 undergoes a greater shrinkage than the solder joint 6 (see Fig. 1 g).
  • the CMS 2 is therefore no longer supported by the solder joint 6 and a gap e is created between the underside of the CMS 2 and the free face of the insulating layer 20, thus eliminating the risk of contact between these two parts despite any Z-shaped differential expansion of the CMS 2 and the insulating layer 20.
  • the height H of the solder joint 6 depends on the thickness E of the insulating layer 20 (here, the height H and the thickness E are Z-axis) and its coefficient of expansion in Z. Therefore, it is possible to obtain an even higher standoff and a larger amount of metal alloy 4 in the cavity 22, which allows to further improve the life of the component and the strength of the solder joint 6.
  • the temperature of use of the electronic cards 1 is necessarily lower than the melting temperature of the alloy 4, so that the CMS 2 remains at all times at a distance from the insulating layer 20.
  • the thickness E of the insulating layer 20 is chosen so as to be sufficiently large to guarantee a high standoff, even when the coefficient of thermal expansion along the Z axis of the material of the insulating layer 20 is not greater than that of the metal alloy 4, without penalizing the size and mass of the electronic card 1.
  • the insulating layer 20 may have a thickness E defined so that the depth p (dimension along the Z axis) of the cavity 22, which corresponds to the distance between the exposed face of the conductive layer 12 and the outer face of the insulating layer 20, at least equal to 100 m.
  • a conductive layer 12 generally has a thickness of about 17.5 m to 35 m and can then be recharged during a metallization step, which further increases its thickness by about 20 Mm, one then obtains a thickness E of the insulating layer at least equal to a hundred micrometers. This thickness E can reach more than 300 Mm depending on the desired life (the thicker the layer, the better the life).
  • the insulating layer 20 may cover all or part of the connection face 14 of the printed circuit 10. In one embodiment, the insulating layer 20 covers the entire connection face 14.
  • the filling step S3 can be carried out for example by filling the cavity with a solder cream 3 comprising a metal alloy 4 suspended in a solder flux 5.
  • the CMS 2 is then placed on the solder cream 3, above the insulating layer 20.
  • the step S3 can be performed by a supply through a bath of molten alloy, in which case the CMS 2 is placed on a point glue (step S4) before passing the printed circuit through the molten alloy bath.
  • the invention will be described in the case where the printed circuit 10 is single layer (thus comprising a single face of connection 14, a conductive layer 12 and an insulative layer 16 which may be epoxy and glass fibers) and that two cavities 22 are formed. Moreover, the filling of the cavity S3 is carried out by introducing a solder cream 3 comprising a metal alloy 4 in suspension in a soldering flux 5. This is however not limiting, the number of cavities 22 made on the printed circuit 10 depending on the number and type of CMS to be fixed on its connection face 14 in order to produce the electronic card 1. Moreover, the two faces of the printed circuit 10 could serve as connection face 14, the electronic card 1 being able to include CMS on each of said faces.
  • the method S may further comprise, before the step S3 of filling the cavity 22, a metallization step S6 of the conductive pad 12 in order to facilitate the brazing of the step S5.
  • the heat treatment S5 may especially comprise a remelting
  • preheat in English
  • the temperature is gradually increased to about 170 ° C and maintained for at least a minute and a half to several minutes (depending on the flow used) to allow evaporation of the volatile portions of the solder stream 5 and temperature homogeneity of all components before the reflow phase.
  • the insulating layer 20 expands.
  • the temperature is again increased until a critical temperature is reached, generally 20 to 50 ° C above the melting temperature of the melting point. alloy of the metal alloy 4 used.
  • the metal alloy 4 contains in the solder cream 3 (for example about 180 ° C. when the metal alloy 4 comprises a tin / lead alloy 63/37, of the order of 217 ° C in the case of a metal alloy 4 tin / silver / copper 95.6 / 3.0 / 0.5 and of the order of 221 ° C in the case of a metal alloy 4 tin / silver 96.5 / 3.5), l metal alloy 4 bottom.
  • the insulating layer 20 continues to expand, further lifting the CMS 2 relative to the connection face 14. It will be noted that at any time, the metal alloy 4 which is liquid remains in contact with the terminations of the CMS 2 and the conductive layer 12 under the effect of the wettability.
  • the increase in temperature during the reflow step is fast and in any case faster than the temperature rise step to prevent the CMS 2 undergoes long high temperatures.
  • the printed circuit 10 may also be maintained at the critical temperature above the melting temperature of the alloy for a period which may be between twenty and ninety seconds, depending on the thermal mass of the components to be assembled. This time above the melting temperature of the alloy allows the creation of intermetallics that will maintain the components between the metal alloy 4 and the parts to be assembled.
  • the circuit board 10 is rapidly cooled to room temperature.
  • the temperature returns to the melting point and becomes lower than the melting temperature of the metal alloy 4, the latter solidifies, thus forming the solder joint 6.
  • the layer 20 then guarantees a minimum height H of the component.
  • the coefficient of thermal expansion in Z of the insulating layer 20 is greater than that of the metal alloy 4, the insulating layer 20 undergoes a narrowing which is greater than that of the metal alloy 4, thus creating the space e between the lower face of the CMS 2 and the free face of the insulating layer 20.
  • the coefficient of thermal expansion in Z of the insulating material the insulating layer 20 is not larger than that of the metal alloy 4, the lower face of the CMS 2 rests on the insulating layer 20.
  • brazing flux 5 gradually evaporates during the temperature rise step (and preheating / drying), leaving only the metal alloy 4 on the conductive layer 12.
  • the solder joint 6 does not include so that the metal alloy 4.
  • the reflow heat treatment is well known in the technical field of CMS 2 soldering, so it is not necessary to detail it further here. Moreover, the temperatures, slopes and durations of the different stages of the heat treatment S5 are given here by way of example and of course depend on the solder cream 3 used. A person skilled in the art will therefore be able to adapt them without difficulty depending on the type of metal alloy 4 and brazing flux used.
  • the insulating layer 20 may in particular comprise any electrically insulating material. If necessary, the material constituting the insulating layer 20 may be heat-conducting. Moreover, according to the thermal and vibratory environment and in order to further increase the life of the printed circuit 10, the material of the insulating layer 20 may, as we have seen above, be chosen so as to present a coefficient of thermal expansion in Z greater than that of the metal alloy 4.
  • the insulating layer 20 may comprise at least one of the following materials: glass fibers, epoxy resin, polyimide, polyester, polymer, teflon.
  • the process of the invention S makes it possible to use any type of solder cream 3, and in particular lead-free solder creams, thus making it possible to comply with current standards and in particular the European directive RoHS n ° 2002/95 / EC - ban on lead, hexavalent chromium, mercury, cadmium, polybromobiphenyl and decabromodiphenyl ethers.
  • the metal alloy 4 of the solder cream 3 may comprise one of the following compositions, which are most commonly used: tin / lead 63/37 or 10/90 or 90/10, tin / lead / silver 62/36/2, for products exempted from the Rohs Directive or tin / silver alloys 96.5 / 3.5., Tin / Silver / Copper 96.5 / 3.8 / 0.7 or 96.6 / 3.0 / 0.5 or 98.5 / 1 .0 / 0.5. This technique is suitable for all types of alloys (including bismuth, antimony, etc.)
  • the brazing flux 5 depends on the type of metal alloy 4 suspended in the solder cream 3 and the assembly process with or without cleaning.
  • Brazing flux 5 generally comprises a resin (typically a natural resin, modified or synthetic), activating agents and additives to optimize the screen printing and remelting.
  • the role of the brazing flux 5 is to ensure the stripping of the conductive layers 12 (using the activators), to protect them during the temperature rise steps and to play a surfactant role to promote the wetting of the metal alloy 4.
  • solder stream may comprise rosin.
  • the insulating layer 20 may be applied by any means on the connection face 14.
  • the insulating layer 20 may be applied by surface photolithography.
  • the cavities 22 can also be formed by surface photolithography (see FIG. 2).
  • a photosensitive resin intended to form the insulating layer 20 is applied to the connection face 14 in the form of a film.
  • the resin may be a negative resin (ultraviolet radiation causing a polymerization of the exposed areas thus conferring on these zones a particular resistance to the developing solvent while the non-insolated parts disappear selectively in this solvent) or positive (the ultraviolet radiation causes a rupture macromolecules, resulting in increased solubility of the exposed areas in the developing solvent).
  • the resin may in particular comprise an epoxy resin.
  • a mask is applied to the resin film.
  • the mask includes transparent areas and opaque areas to form the cavities 22 and the insulating layer 20.
  • the resin film is exposed to a light radiation: in the case of a positive resin (typically the epoxy resin), the parts of the film present under the transparent zones will then react to this luminous radiation and solubilize, while the parts under the opaque areas will be protected. Conversely, in the case of a negative resin, the cavities 22 are formed under the opaque areas of the film.
  • a positive resin typically the epoxy resin
  • the parts of the film present under the transparent zones will then react to this luminous radiation and solubilize, while the parts under the opaque areas will be protected.
  • the cavities 22 are formed under the opaque areas of the film.
  • solubilized parts are then removed with the aid of a developing solvent, which makes it possible to obtain the insulating layer 20 in which the cavities 22 are formed.
  • the insulating layer 20 may be attached and fixed on the connection face 14, for example by lamination or gluing with the aid of an adhesive layer (see FIGS. 1 a and 1 b).
  • the adhesive layer may comprise any type of adhesive material conventionally used in the field of printed circuits in order to adhere layers together, typically an epoxy adhesive.
  • the cavities 22 can then be preformed in the insulating layer 20 before it is placed on the connection face 14, or after its attachment (as in Figure 1 c for example).
  • the cavities 22 can be formed by cutting the insulating layer 20.
  • the cutting can be performed mechanically (using a cutting tool such as mechanical milling or mechanical drilling or laser drilling before laying on the face 14 ). In the case of laying on the face Before the cavities are made, the cutting can be carried out chemically on photoimageable dry or liquid films or by mechanical milling or mechanical drilling or by laser drilling.
  • the realization by laser drilling can be feasible only from the moment when the surface (in the plane (X, Y)) at the bottom of the cavity 22 is smaller than the conductive layer 12 of copper so that the layer of copper extends beyond the bottom of the cavity 22 to allow the action of the CO2 laser to be stopped in depth on the copper.
  • the laser may be of the gas laser (carbon dioxide) type.
  • the parameters chosen for the laser can then be similar to those usually used for making laser vias.
  • the laser piercing technique of the insulating layer 20 makes it possible to form cavities 22 with great precision.
  • dimensional tolerance is of the order of
  • the insulating layer 20 comprises a printed circuit
  • it can be attached and fixed on the connection face 14 by soldering or gluing.
  • the cavities 22 are then made in the printed circuit of the insulating layer.
  • the printed circuit forming the insulating layer 20 can then extend over all or part of the connection face 14. Alternatively, it can extend only locally, under the CMS. This embodiment is particularly interesting in the case where the CMS comprises legs of gull wings, whose assembly tends to break.
  • the insulating layer 20 may be attached to the connection face 14 after the underlying layers of the printed circuit 10 have been made.
  • the printed circuit 10 is therefore provided in a completed form (in the case of FIGS. ).
  • the insulating layer 20 may be attached during the stacking of the printed circuit 10 on the connection face 14 of the printed circuit 10 when its stacking, before it is rolled.
  • a printed circuit 10 is generally made by stacking and compression in temperature according to the following steps:
  • a double-sided printed circuit that is to say comprising an insulating layer 16 and two conductive layers 12 on either side of the insulating layer
  • the additional insulating layers may for example comprise epoxy and glass fibers
  • the insulating layer 20 is thus fixed before the compression step of the assembly (that is to say during stacking), by gluing or lamination on the connection face 14.
  • the printed circuit 10 may be of the single-layer type (also called single-layer: the printed circuit comprises only one conductive layer 12), double layer (also called double-sided: one conductive layer 12 on either side of an insulating layer 16) or multilayer (at least four conductive layers 12).
  • the printed circuit has, for example, four conductive layers 12.
  • the connection face 14 of this printed circuit comprises a conductive layer 12, on which two cavities 22 are formed in order to fix a CMS.
  • the printed circuit 10 also comprises a via via 18. This is however not limiting, the printed circuit 10 may comprise a greater or lesser number of conductive layers 12 as we have just seen, a larger number of cavities on its connection face 14 and a different number (which may be equal to zero) via via or non-through.
  • the cavities 22 may be filled (step S3) by any suitable means.
  • the cavities 22 may be filled according to any one of the following methods, given here in a non-limiting manner:
  • the cavities 22 may be filled by serigraphy of a solder paste 3 comprising the metal alloy 4 accompanied by a brazing flux 5, with or without a screen 30.
  • the cavities 22 can be filled using, in a manner known per se, a screen 30 (or stencil).
  • a screen 30 in which two windows 34 have been formed is placed on the insulating layer 20.
  • the screen 30 is positioned so that the windows 34 are opposite the cavities 22 to complete.
  • the screen 30 may comprise a different number of windows 34 if a different number of cavities 22 must be filled in the insulating layer 20.
  • the dimensions of the windows 34 are substantially equal to the dimensions of the cavities 22 associated to fill to optimize the filling cavities 22. Preferably the dimensional accuracy for the realization of the windows 34 is of the order of thirty micrometers.
  • the windows 34 may be slightly larger than the cavities 22 to ensure a good filling thereof and increase the amount of solder cream 3 deposited ( Figure 2).
  • solder cream 3 is deposited on the screen 30 and then forced into the windows 34 and into the cavities 22 using a squeegee 32.
  • the squeegee 32 may comprise a metal sheet, which is inclined at an angle that may be between 45 ° and 60 ° to better push the solder cream 3 in the cavities 22.
  • the screen 30 can be demolded, so as to leave the solder cream in the cavities 22 (the thickness of the solder cream 3 deposited being greater than the thickness E of the layer insulating 20, due to the presence of the screen).
  • the cavities 22 can be filled by screen printing without using a screen 30.
  • the squeegee 32 can be applied directly to the insulating layer 20, which then serves as a screen 30 (see FIG. 3).
  • the squeegee 32 reaches the cavities 22, it then forces the solder cream 3 into the cavities 22 in a manner similar to what is usually done with a screen 30.
  • a polymer scraper In order to avoid the presence of solder cream on the top of the layer 20, it is preferable to use a polymer scraper. The remaining few alloy balls can be removed by washing after step S5 of the heat treatment. After filling the cavities 22, the insulating layer 20 is not removed from the mold so that it can play the role of supporting the CMS 2 and maintaining the solder cream 3 during the heat treatment.
  • This embodiment without a screen 30 thus makes it possible to reduce the manufacturing costs of the electronic card 1 in that it is no longer necessary to make a screen 30 for screen printing and to use equipment requiring a high degree of precision (more screen to be positioned face to face with the circuit board 10).
  • the step S4 for filling the cavities 22 is further facilitated since it is no longer necessary to accurately position a screen 30 on the insulating layer 20.
  • each cavity 22 reveals at least a portion of the conductive layer 12 opposite.
  • each cavity 22 can be sized so as to cover and overflow the conductive layer 12.
  • the definition of the dimensions of the cavities depends on the CMS components to be assembled.
  • the cavities 22 may be of the order of 0.5 mm * 1 mm; for enclosures of size 1206: 1 mm * 2 mm; for housings of size 2010: 1 .5 mm * 4.5 mm.
  • the width of the cavity 22 may be for example of the order of 0.3mm.
  • the surface of the bottom of the cavity 22 is therefore larger than the surface that it exposes the conductive layer 12. This is not however limiting, the cavities 22 can be dimensioned so as not to overflow the conductive layer 12 .
  • the size of a window 34 of a screen printing screen 30 is limited by the ratio between the surface of the window 34 (in the plane of the screen 30, which is parallel to the plane (X, Y)) and the surface of the inner walls of the window 34 (which extend perpendicularly to the plane of the screen 30), which must be greater than or equal to 0.66.
  • window 34 which prevented the implantation of CMS 2 with fine pitch or limited the density of CMS 2 implantable on the printed circuit 10.
  • connection face 14 thus makes it possible, quite advantageously, to lift this limitation insofar as it becomes possible to drastically increase the height of solder cream 3 applied to the circuit printed 10 without changing the thickness of the screen 30 screen. It suffices to increase as much as necessary the thickness E of the insulating layer 20 and to make a window 34 having a surface adapted to the surface of the associated cavity 22, its thickness being dictated by the ratio above so that it remains higher than 0.66.
  • the invention makes it possible to overcome the difficulties in demolding the screen printing screen 30, when such a screen 30 is used and makes possible the implantation of CMS 2 with fine pitch and / or a high density of CMS. 2 on the electronic card 1.
  • a screen 30 having a thickness of the order of 50 m to 100 m with possible local thicknesses of 100 m to 300 Mm in case of need.
  • the suppression of the screen printing screen 30, enabled by the presence of the insulating layer 20 also makes it possible to implant thin-pitched CMS on the printed circuit and / or to increase the density of CMS on the connection face 14, since this method of filling the cavities 22 does not require demolding a screen 30.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fixation (S) d'un CMS sur un circuit imprimé (10) comprenant les étapes suivantes : - appliquer une couche isolante (20) (S1) sur le circuit imprimé (10), - former une cavité (22) dans la couche isolante (20) au-dessus de la couche conductrice (12) (S2) du circuit imprimé, - remplir la cavité (22) avec une crème à braser (3), - placer le CMS au-dessus de la cavité (22) (S4), - appliquer un traitement thermique (S5) au circuit imprimé (10).

Description

Fixation d'un CMS sur une couche isolante avec un joint de brasure dans une cavité réalisée dans une couche isolante
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne le domaine des cartes électroniques, notamment dans le domaine de l'aéronautique et spatial, et plus précisément la fixation de composants montés en surface sur des circuits imprimés.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
De manière connue en soi, une carte électronique peut comprendre des composants montés en surface (CMS), c'est-à-dire des composants électroniques brasés directement à la surface du circuit imprimé d'une carte électronique.
Habituellement, les CMS sont brasés en surface soit par refusion (« reflow soldering » en anglais), soit à la vague (« solder wave » en anglais).
Dans le cas du brasage par refusion, le circuit imprimé nu est tout d'abord sérigraphié en recouvrant les couches conductrices du circuit imprimés (généralement en cuivre) par une crème à braser à l'aide d'un écran de sérigraphie (ou pochoir) de sorte que seuls les emplacements destinés à recevoir les terminaisons des composants sont recouverts par la crème à braser. La crème à braser comprend, de manière connue en soi, un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage. Puis les terminaisons des composants (CMS) sont posées sur la crème à braser avant de subir un traitement thermique de refusion, au cours duquel la chaleur fait refondre l'alliage et évaporer le flux de brasage de manière à former des joints de brasure à partir de l'alliage métallique présent dans la crème à braser.
La fiabilité et la durée de vie des joints de brasure, qui fixent les CMS au circuit imprimé, dépendent de la hauteur verticale (habituellement désignée par le terme anglais « standoff ») entre la face supérieure de la couche de brasage en cuivre et le point bas des terminaisons conductrices des CMS une fois brasés. Le standoff correspond donc à la hauteur d'alliage en interface entre le CMS et la couche de cuivre. En effet, en utilisation, le CMS et la surface sur laquelle il est brasé se dilatent différemment, provoquant des déplacements relatifs notamment dans le plan de la surface (X, Y). Ainsi, plus le standoff est grand, plus le joint de brasure est souple et donc robuste.
Toutefois, l'augmentation du standoff est limitée par les moyens usuels d'assemblage à disposition en production et par la diversité des géométries des boîtiers de composants à braser en surface.
Il a donc été proposé de placer une cale sous le CMS afin d'augmenter le standoff. Toutefois, le CMS risque d'être endommagé dans le cas où il se dilate en Z (c'est-à-dire suivant une direction normale à la surface du circuit imprimé sur lequel le CMS est brasé) et de se détacher prématurément du circuit imprimé. Par ailleurs, cette solution n'est pas applicable à tous les types de CMS, quelle que soit leur taille, leur poids et le type de terminaisons qu'ils portent.
II a également été proposé d'augmenter la quantité de crème à braser appliquée sur les couches du circuit imprimé. Pour cela, la taille (largeur) des orifices dans l'écran de sérigraphie peut par exemple être augmentée, de sorte que lors de l'étape de refusion, la hauteur du joint de brasure se trouve augmentée par effet de coalescence : l'épaisseur du joint de brasure est plus grande que l'épaisseur équivalente d'alliage obtenu après refusion avec des orifices plus petits dans l'écran de sérigraphie, puisque l'alliage métallique ne peut s'étaler au-delà des couches du circuit imprimé par effet de mouillabilité dans sa phase liquide (liquidus) durant la refusion. Cette méthode permet effectivement d'augmenter le standoff. Celui-ci reste cependant limité par le volume de crème à braser pouvant être introduit dans les orifices de l'écran pour des questions de démoulage et de limite de coalescence de la crème à braser sans générer de micro billes.
De plus, la hauteur de crème à braser déposée sur le circuit imprimé en vue de braser plusieurs CMS est sensiblement la même pour chaque CMS, puisque celle-ci est déposée par sérigraphie à l'aide d'un écran. Certes, il existe des écrans ayant une épaisseur variable afin d'augmenter localement la hauteur des orifices de l'écran, et donc la quantité de crème à braser déposée. Toutefois, ces épaisseurs variables impliquent souvent des problèmes de sérigraphie pour les CMS adjacents (hauteur de crème à braser dans les orifices adjacents insatisfaisante) et rend difficile l'optimisation de l'implantation des CMS dans la carte électronique.
Enfin, le dépôt de la crème à braser par sérigraphie limite la densité d'implantation des composants électroniques sur le circuit imprimé et/ou le type de composant pouvant être utilisé, notamment dans le cas des composants à pas fin. En effet, la taille des fenêtres de l'écran de sérigraphie est limitée par la condition suivante pour que l'écran puisse être démoulé sans endommager la crème à braser qui a été déposée : le rapport entre la surface de la fenêtre (dans le plan de l'écran, qui est parallèle au plan (X, Y)) et la surface des parois internes de la fenêtre (qui s'étendent perpendiculairement au plan de l'écran) doit être supérieur ou égal à 0.66. Pour respecter un tel rapport, il est donc nécessaire de réduire l'épaisseur de l'écran, ce qui implique nécessairement de diminuer la hauteur de crème à braser appliquée sur la face de connexion et donc de réduire le standoff du CMS et/ou d'augmenter la surface de la fenêtre, ce qui empêche d'implanter des CMS à pas fin. RESUME DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un nouveau procédé de fixation d'un composant monté en surface sur un circuit imprimé qui permette d'augmenter la durée de vie du composant en augmentant le standoff associé, qui soit par ailleurs simple à réaliser et de coût modéré quelle que soit la densité d'implantation des composants sur le circuit imprimé et/ou le type de composant (et notamment les composants à pas fin), sans pour autant impacter le rendement d'assemblage de la carte électronique.
Pour cela, l'invention propose un procédé de fixation d'un composant électronique sur un circuit imprimé, ledit circuit imprimé comprenant une face de connexion comportant au moins une couche conductrice et définissant un axe Z, ledit axe Z étant normal à la face de connexion, le procédé de fixation comprenant les étapes suivantes :
- appliquer une couche isolante comprenant un matériau électriquement isolant sur la face de connexion du circuit imprimé, la couche isolante présentant une épaisseur minimale déterminée suivant l'axe Z,
- former une cavité dans la couche isolante au-dessus de la couche conductrice de sorte qu'au moins une partie de la couche conductrice soit dévoilée, la cavité présentant une profondeur minimale déterminée suivant l'axe Z,
- remplir la cavité avec un alliage métallique accompagné d'un flux de brasage,
- placer le composant électronique au-dessus de la cavité,
- appliquer un traitement thermique au circuit imprimé sur lequel est placé le composant afin de transformer l'alliage métallique accompagné du flux de brasage en joint de brasure de manière à fixer le composant au circuit imprimé.
L'épaisseur minimale de la couche isolante est telle que la profondeur de la cavité est au moins égale à 100 m. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé décrit ci-dessus sont les suivantes :
- le matériau électriquement isolant de la couche isolante présente un premier coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z, l'alliage métallique présente un deuxième coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z, et dans lequel le premier coefficient de dilatation thermique est plus grand que le deuxième coefficient de dilatation thermique,
- les étapes d'application de la couche isolante et de formation de la cavité sont réalisées par photolithographie en surface,
- la cavité est réalisée à l'aide de l'une au moins des techniques suivantes : perçage laser de la couche isolante, découpe mécanique de la couche isolante, découpe chimique de la couche isolante. - la couche isolante est rapportée et fixée sur la face de connexion, et dans lequel la cavité est formée par découpe ou perçage avant ou après la fixation de la couche isolante sur la face de connexion,
- la couche isolante est formée par un circuit imprimé,
- le procédé comprend en outre, préalablement à l'étape de remplissage de la cavité, une étape de métallisation de la plage conductrice 12,
- la cavité est remplie par sérigraphie, avec ou sans écran de sérigraphie,
- la cavité présente une surface dans un plan normal à l'axe Z, ladite cavité étant remplie par sérigraphie avec écran de sérigraphie, ledit écran de sérigraphie présentant une fenêtre ayant une surface dans le plan normal à l'axe Z, la surface de la fenêtre étant au moins égale la surface de la cavité, et/ou
- le traitement thermique comprend une refusion de l'alliage métallique.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
Les figures 1 a à 1 g illustrent des étapes d'un exemple de réalisation d'un procédé de fixation conforme à l'invention.
La figure 2 illustre une variante de réalisation de cavités formées dans une couche isolante appliquée sur une couche conductrice d'un circuit imprimé.
La figure 3 illustre une variante de réalisation de l'étape de remplissage de la cavité.
La figure 4 est un organigramme illustrant un exemple des étapes de fixation d'un composant électronique sur un circuit imprimé conforme à un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
Une carte électronique 1 comprend un circuit imprimé 10, comprenant une face de connexion 14 comportant au moins une couche conductrice 12, et au moins un composant monté en surface (CMS 2), de préférence plusieurs CMS 2, fixés par brasage sur la face de connexion 1 .
La face de connexion 14 est pratiquement plane et définit un plan (X ; Y), normal à un axe Z.
Conformément à l'invention, le CMS 2 est fixé conformément aux étapes suivantes :
- appliquer une couche isolante 20 (étape S1 ) comprenant un matériau électriquement isolant sur la face de connexion 14 du circuit imprimé 10,
- former une cavité 22 (étape S2) dans la couche isolante 20 au-dessus de la couche conductrice 12 de sorte qu'une partie au moins de la couche conductrice 12 soit au moins partiellement découverte,
- remplir la cavité 22 (étape S3) avec un alliage métallique 4 accompagné d'un flux de brasage 5,
- placer le composant 2 au-dessus de la cavité 22 (étape S4),
- appliquer un traitement thermique (étape S5) au circuit imprimé 10 sur lequel est placé le composant afin de transformer l'alliage métallique 4 accompagné du flux de brasage 5 en joint de brasure 6 de manière à fixer le composant au circuit imprimé 10. On notera que la couche isolante 20 présente une épaisseur minimale
E déterminée tandis que la cavité 22 présente une profondeur minimale p déterminée, où l'épaisseur E et la profondeur p sont des dimensions suivant l'axe Z. L'épaisseur minimale E de la couche isolante 20 est alors déterminée de sorte que la profondeur p de la cavité 22 soit au moins égale à 100 m.
De manière générale, l'épaisseur E et la profondeur p peuvent être sensiblement constants. Grâce à la présence de la couche isolante 20, il est ainsi possible d'obtenir un standoff H plus élevé que dans l'art antérieur dans la mesure où le standoff H obtenu est au moins égal à la profondeur p de la cavité 22, après le traitement thermique. Par ailleurs, la profondeur minimale p de la cavité 22 dans la couche isolante 20 permet d'augmenter la durée de vie du joint de brasure 6 de manière suffisante.
Par ailleurs, l'ordre décrit ci-dessus pour les étapes S3 et S4 n'est pas limitatif. Typiquement, le CMS 2 peut être posé au-dessus de la cavité 22 avant que celle-ci ne soit remplie, notamment lorsque le composant est brasé à la vague.
Dans une forme de réalisation, le coefficient de dilatation thermique (« coefficient of thermal expansion » en anglais) suivant l'axe Z du matériau de la couche isolante 20 est plus grand que le coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z de l'alliage métallique 4 de sorte que, suite au traitement thermique S5, après la solidification de l'alliage métallique 4, la couche isolante 20 subit un rétreint plus important que le joint de brasure 6 (voir Fig. 1 g). Le CMS 2 n'est donc plus supporté que par le joint de brasure 6 et un espace e se crée entre la face inférieure du CMS 2 et la face libre de la couche isolante 20, supprimant ainsi les risques de contact entre ces deux parties malgré les éventuelles dilatations différentielles en Z du CMS 2 et de la couche isolante 20. Par ailleurs, la hauteur H du joint de brasure 6 dépend de l'épaisseur E de la couche isolante 20 (ici, la hauteur H et l'épaisseur E sont définies par rapport à l'axe Z) et de son coefficient de dilatation en Z. Par conséquent, il est possible d'obtenir un standoff encore plus élevé et une quantité d'alliage métallique 4 plus importante dans la cavité 22, ce qui permet d'améliorer encore la durée de vie du composant et la résistance du joint de brasure 6.
On notera que la température d'utilisation des cartes électroniques 1 est nécessairement plus faible que la température de fusion de l'alliage métallique 4, de sorte que le CMS 2 reste à tout instant à distance de la couche isolante 20.
L'épaisseur E de la couche isolante 20 est choisie de manière à être suffisamment grande pour garantir un standoff important, même lorsque le coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z du matériau de la couche isolante 20 n'est pas plus grand que celui de l'alliage métallique 4, sans pour autant pénaliser l'encombrement et la masse de la carte électronique 1 .
Par exemple, la couche isolante 20 peut présenter une épaisseur E définie de sorte que la profondeur p (dimension suivant l'axe Z) de la cavité 22, qui correspond à la distance entre la face dévoilée de la couche conductrice 12 et la face externe de la couche isolante 20, soit au moins égale à 100 m. Sachant qu'une couche conductrice 12 présente généralement une épaisseur d'environ 17,5 m à 35 m puis peut ensuite être rechargée lors d'une étape de métallisation, ce qui augmente encore son épaisseur d'environ 20 Mm, on obtient alors une épaisseur E de la couche isolante au moins égale à une centaine de micromètres. Cette épaisseur E peut atteindre plus de 300 Mm suivant la durée de vie souhaitée (plus la couche sera épaisse, meilleure sera la durée de vie).
La couche isolante 20 peut recouvrir tout ou partie de la face de connexion 14 du circuit imprimé 10. Dans une forme de réalisation, la couche isolante 20 recouvre toute la face de connexion 14.
L'étape S3 de remplissage peut être réalisée par exemple en remplissant la cavité avec une crème à braser 3 comprenant un alliage métallique 4 en suspension dans un flux de brasage 5. Au cours de l'étape S4, le CMS 2 est alors posé sur la crème à braser 3, au-dessus de la couche isolante 20. En variante, l'étape S3 peut être réalisée par un apport au travers d'un bain d'alliage en fusion, auquel cas le CMS 2 est posé sur un point de colle (étape S4) avant le passage du circuit imprimé dans le bain d'alliage en fusion.
Dans ce qui suit, l'invention sera décrite dans le cas où le circuit imprimé 10 est simple couche (comprenant donc une seule face de connexion 14, une couche conductrice 12 et une couche isolante 16 pouvant être en epoxy et fibres de verre) et que deux cavités 22 sont formées. Par ailleurs, le remplissage de la cavité S3 est réalisé par introduction d'une crème à braser 3 comprenant un alliage métallique 4 en suspension dans un flux de brasage 5. Ceci n'est cependant pas limitatif, le nombre de cavités 22 réalisées sur le circuit imprimé 10 dépendant du nombre et du type de CMS à fixer sur sa face de connexion 14 afin de réaliser la carte électronique 1. Par ailleurs, les deux faces du circuit imprimé 10 pourraient servir de face de connexion 14, la carte électronique 1 pouvant comprendre des CMS sur chacune desdites faces.
De manière optionnelle, le procédé S peut en outre comprendre, avant l'étape S3 de remplissage de la cavité 22, une étape de métallisation S6 de la plage conductrice 12 afin de faciliter le brasage de l'étape S5. Le traitement thermique S5 peut notamment comprendre une refusion
(« reflow soldering » en anglais) de l'alliage métallique 4 présent dans la crème à braser 3. Pour cela, au cours d'une première étape dite de montée en température (« ramp up » en anglais), la température est progressivement augmentée. Cette étape de montée en température peut, de manière connue en soi, être réalisée suivant une pente comprise entre 1 °C/s et 4°C/s jusqu'à 100°C à 150°C (au maximum 7°C/s, pente de température maximum préconisée par les composants CMS avant brasage).
Au cours d'une deuxième étape dite de préchauffage (« preheat » en anglais) s'opère l'opération de séchage des flux (« soak » or « preflow » en anglais) et de préparation de nettoyage des terminaisons de brasage du circuit imprimé et composants, la température est augmentée progressivement jusqu'à environ 170°C et maintenue pendant au moins une minute et demie à plusieurs minutes (suivant les flux utilisés) afin de permettre l'évaporation des parties volatiles du flux de brasage 5 et l'homogénéité de température de tous les composants avant la phase de refusion. La couche isolante 20 se dilate. Au cours d'une troisième étape dite de refusion (« reflow » en anglais), la température est à nouveau augmentée jusqu'à atteindre une température critique, généralement supérieure de 20 à 50 °C au-dessus de la température de fusion de l'alliage de l'alliage métallique 4 utilisé.
Lorsque la température passe par le point de fusion de l'alliage métallique 4 contenu dans la crème à braser 3 (soit par exemple environ 180°C lorsque l'alliage métallique 4 comprend un alliage étain/plomb 63/37, de l'ordre de 217°C dans le cas d'un alliage métallique 4 étain/argent/cuivre 95.6/3.0/0.5 et de l'ordre de 221 °C dans le cas d'un alliage métallique 4 étain/argent 96.5/3.5), l'alliage métallique 4 fond.
Lors de cette étape, la couche isolante 20 continue à se dilater, soulevant encore le CMS 2 par rapport à la face de connexion 14. On notera qu'à tout moment, l'alliage métallique 4 qui est liquide reste en contact avec les terminaisons du CMS 2 et la couche conductrice 12 sous l'effet de la mouillabilité.
De préférence, l'augmentation de la température lors de l'étape de refusion est rapide et en tout état de cause plus rapide que l'étape de montée en température afin d'éviter que le CMS 2 ne subisse longtemps des températures élevées. Le circuit imprimé 10 peut par ailleurs être maintenu à la température critique supérieure à la température de fusion de l'alliage pendant une durée qui peut être comprise entre vingt et quatre-vingt-dix seconde, suivant la masse thermique des composants à assembler. Ce temps au-dessus de la température de fusion de l'alliage permet la création des intermétalliques qui assureront le maintien des composants entre l'alliage métallique 4 et les parties à assembler.
Au cours d'une quatrième étape, le circuit imprimé 10 est refroidi rapidement jusqu'à la température ambiante. Lorsque la température repasse par le point de fusion et devient inférieure à la température de fusion de l'alliage métallique 4, celui-ci se solidifie, formant ainsi le joint de brasure 6. La couche 20 garantit alors une hauteur minimum H du composant. Lorsque le coefficient de dilatation thermique en Z de la couche isolante 20 est plus grand que celui de l'alliage métallique 4, la couche isolante 20 subit un rétreint qui est plus important que celui de l'alliage métallique 4, créant ainsi l'espace e entre la face inférieure du CMS 2 et la face libre de la couche isolante 20. En variante, lorsque le coefficient de dilatation thermique en Z du matériau isolant de la couche isolante 20 n'est pas plus grand que celui de l'alliage métallique 4, la face inférieure du CMS 2 repose sur la couche isolante 20.
On notera que le flux de brasage 5 s'évapore progressivement lors de l'étape de montée en température (et de préchauffage/séchage), laissant ainsi uniquement l'alliage métallique 4 sur la couche conductrice 12. Le joint de brasure 6 ne comprend donc que l'alliage métallique 4.
Le traitement thermique de refusion est bien connu dans le domaine technique du brasage des CMS 2, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de le détailler davantage ici. Par ailleurs, les températures, pentes et durées des différentes étapes du traitement thermique S5 sont données ici à titre d'exemple et dépendent bien entendu de la crème à braser 3 utilisée. Un homme du métier saura donc les adapter sans difficulté selon le type d'alliage métallique 4 et de flux de brasage 5 utilisés.
La couche isolante 20 peut notamment comprendre tout matériau isolant électriquement. Le cas échéant, le matériau constitutif de la couche isolante 20 peut être thermo-conducteur. Par ailleurs, selon l'environnement thermique et vibratoire et afin d'augmenter encore la durée de vie du circuit imprimé 10, le matériau de la couche isolante 20 peut, comme nous l'avons vu plus haut, être choisi de manière à présenter un coefficient de dilatation thermique en Z plus grand que celui de l'alliage métallique 4.
Typiquement, la couche isolante 20 peut comprendre l'un au moins des matériaux suivants : fibres de verre, résine époxy, polyimide, polyester, polymère, téflon.
Comme on peut le voir, le procédé de l'invention S permet d'utiliser tout type de crème à braser 3, et en particulier des crèmes à braser sans plomb, permettant ainsi de respecter les normes actuelles et en particulier la directive européenne RoHS n°2002/95/CE - bannissement du Plomb, Chrome hexavalent, Mercure, Cadmium, Polybromobiphényle et décabromodiphényl-éthers. Par exemple, l'alliage métallique 4 de la crème à braser 3 peut comprendre l'une des compositions suivantes, qui sont les plus couramment utilisés : étain/plomb 63/37 ou 10/90 ou 90/10, étain/plomb/Argent 62/36/2, pour les produits exemptés de la directive Rohs ou des alliages étain/argent 96.5/3.5., étain/Argent/Cuivre 96.5/3.8/0.7 ou 96.6/3.0/0.5 ou 98.5/1 .0/0.5. Cette technique s'adapte à tous type d'alliage (comprenant du bismuth, de l'antimoine, etc.)
De manière connue en soi, le flux de brasage 5 dépend du type d'alliage métallique 4 en suspension dans la crème à braser 3 et du process d'assemblage avec ou sans nettoyage. Le flux de brasage 5 comprend généralement une résine (typiquement une résine naturelle, modifiée ou synthétique), des agents d'activation et des additifs permettant d'optimiser la sérigraphie et la refusion. Le rôle du flux de brasage 5 est d'assurer le décapage des couches conductrices 12 (à l'aide des activateurs), d'assurer leur protection pendant les étapes de montée en température et de jouer un rôle tensioactif pour favoriser le mouillage de l'alliage métallique 4.
Par exemple, le flux de brasage 5 peut comprendre de la colophane. La couche isolante 20 peut être appliquée par tout moyen sur la face de connexion 14.
Dans une première forme de réalisation, la couche isolante 20 peut être appliquée par photolithographie en surface. Dans ce cas, les cavités 22 peuvent également être formées par photolithographie en surface (voir figure 2).
Pour cela, au cours d'une première étape, une résine photosensible destinée à former la couche isolante 20 est appliquée sur la face de connexion 14 sous la forme d'un film. La résine peut être une résine négative (le rayonnement ultraviolet entraînant une polymérisation des zones exposées conférant ainsi à ces zones une tenue particulière au solvant de révélation alors que les parties non insolées disparaissent sélectivement dans ce solvant) ou positive (le rayonnement ultraviolet entraîne une rupture des macromolécules, d'où une solubilité accrue des zones exposées dans le solvant de révélation). La résine peut notamment comprendre une résine époxy.
Au cours d'une deuxième étape, un masque est appliqué sur le film de résine. Le masque comprend des zones transparentes et des zones opaques afin de former les cavités 22 et la couche isolante 20.
Au cours d'une troisième étape, le film de résine est exposé à une radiation lumineuse : dans le cas d'une résine positive (typiquement la résine époxy), les parties du film présentes sous les zones transparentes vont alors réagir à cette radiation lumineuse et se solubiliser, tandis que les parties présentes sous les zones opaques en seront protégées. A l'inverse, dans le cas d'une résine négative, les cavités 22 sont formées sous les zones opaques du film.
Dans tous les cas, les parties solubilisées sont ensuite éliminées à l'aide d'un solvant de révélation, ce qui permet d'obtenir la couche isolante 20 dans laquelle sont formées les cavités 22.
Ces étapes étant connues en soi, elles ne seront pas détaillées davantage ici. Dans une deuxième forme de réalisation, la couche isolante 20 peut être rapportée et fixée sur la face de connexion 14, par exemple par lamination ou collage à l'aide d'une couche adhésive (voir figures 1 a et 1 b). La couche adhésive peut comprendre tout type de matériau adhésif conventionnellement utilisé dans le domaine des circuits imprimés afin d'adhérer des couches ensemble, typiquement une colle époxy.
Les cavités 22 peuvent alors être préformées dans la couche isolante 20 avant que celle-ci ne soit posée sur la face de connexion 14, ou encore après sa fixation (comme sur la figure 1 c par exemple).
Par exemple, les cavités 22 peuvent être formées par découpe de la couche isolante 20. La découpe peut être effectuée mécaniquement (à l'aide d'un outil de découpe de type fraisage mécanique ou perçage mécanique ou perçage laser avant pose sur la face 14). Dans le cas de la pose sur la face 14 avant la réalisation des cavités, la découpe peut être réalisée par chimie sur des films sec ou liquides photoimageables ou par fraisage mécanique ou perçage mécanique ou par perçage laser. La réalisation par perçage laser ne pourra être réalisable qu'à partir du moment où la surface (dans le plan (X, Y)) au fond de la cavité 22 est plus petite que la couche conductrice 12 en cuivre de sorte que la couche de cuivre s'étende au-delà du fond de la cavité 22 pour permettre l'arrêt de l'action du laser CO2 en profondeur sur le cuivre.
Lorsque les cavités 22 sont réalisées par perçage laser de la couche isolante 20, le laser peut être du type laser au gaz (dioxyde de carbone). Les paramètres choisis pour le laser peuvent alors être similaires à ceux utilisés habituellement pour la réalisation de vias laser.
La technique du perçage laser de la couche isolante 20 permet de former des cavités 22 avec une grande précision. En particulier, il est possible de positionner des cavités 22 avec une grande précision par rapport à la couche conductrice 12 et de réaliser les cavités avec de faibles tolérances dimensionnelles. Typiquement, la tolérance dimensionnelle est de l'ordre de
25 microns (pour des cavités de Ι ΟΟμηι minimum de côté) lorsque les cavités
22 sont réalisées par perçage laser, par opposition à environ 100 microns (pour des cavités de 300 m minimum de côté) lorsqu'elles sont réalisées par découpe (mécanique ou chimique).
Le perçage laser permet ainsi une augmentation de la densité des
CMS 2 sur la face de connexion 14, puisque la dimension des cavités 22 peut être réduite (les tolérances dimensionnelles étant plus petites).
Lorsque la couche isolante 20 comprend un circuit imprimé, celui-ci peut être rapporté et fixé sur la face de connexion 14 par brasage ou collage.
Dans une forme de réalisation, les cavités 22 sont alors réalisées dans le circuit imprimé de la couche isolante.
Le circuit imprimé formant la couche isolante 20 peut alors s'étendre sur tout ou partie la face de connexion 14. En variante, il peut s'étendre uniquement localement, sous le CMS. Cette forme de réalisation est particulièrement intéressante dans le cas où le CMS comprend des pattes en ailes de mouette, dont l'assemblage a tendance à casser.
La couche isolante 20 peut être rapportée sur la face de connexion 14 après la réalisation des couches sous-jacentes du circuit imprimé 10. Dans cette variante de réalisation, le circuit imprimé 10 est donc fourni dans une forme achevée (cas des figures 1 a annexées).
En variante (non illustrée sur les figures), lorsque le circuit imprimé comprend au moins quatre couches conductrices 12, la couche isolante 20 peut être rapportée lors de l'empilage du circuit imprimé 10 sur la face de connexion 14 du circuit imprimé 10 lors de son empilage, avant que celui-ci ne soit laminé. En effet, un circuit imprimé 10 est généralement réalisé par empilage et compression en température conformément aux étapes suivantes:
- fournir un circuit imprimé double face (c'est-à-dire comprenant une couche isolante 16 et deux couches conductrices 12 de part et d'autre de la couche isolante),
- rapporter et fixer une couche isolante additionnelle sur chaque couche conductrice, les couches isolantes additionnelles pouvant par exemple comprendre de l'epoxy et des fibres de verre,
- rapporter et fixer une couche conductrice externe sur chacune des couches isolantes additionnelles,
- graver l'une des couches conductrices externes afin de former les plages d'une face de connexion 14,
- rapporter et fixer une couche isolante 20 sur la couche conductrice externe formant la face de connexion 14, et
- comprimer l'ensemble ainsi formé.
Dans ce cas, la couche isolante 20 est donc fixée avant l'étape de compression de l'ensemble (c'est à dire lors de l'empilage), par collage ou lamination sur la face de connexion 14. On notera que, quelle que soit la forme de réalisation, le circuit imprimé 10 peut être du type monocouche (également appelé simple couche : le circuit imprimé ne comprend qu'une seule couche conductrice 12), double couche (également appelé double face : une couche conductrice 12 de part et d'autre d'une couche isolante 16) ou multicouche (au moins quatre couches conductrices 12).
Dans les exemples de réalisation illustrés sur les figures, le circuit imprimé présente par exemple quatre couches conductrices 12. La face de connexion 14 de ce circuit imprimé comprend une couche conductrice 12, sur laquelle sont formées deux cavités 22 afin d'y fixer un CMS. Le circuit imprimé 10 comprend par ailleurs un via traversant 18. Ceci n'est cependant pas limitatif, le circuit imprimé 10 pouvant comprendre un nombre plus ou moins important de couches conductrices 12 comme nous venons de le voir, un nombre plus important de cavités sur sa face de connexion 14 et un nombre différent (pouvant être égal à zéro) de via traversant ou non débouchants.
Les cavités 22 peuvent être remplies (étape S3) par tout moyen adapté.
Les cavités 22 peuvent être remplies suivant l'une quelconque des méthodes suivantes, données ici à titre non limitatif :
- par impression jet d'encre (« jetting » en anglais) de l'alliage métallique 4 accompagné d'un flux de brasage 5,
- par passage dans une vague turbulente d'alliage métallique 4 en fusion accompagné d'un flux de brasage 5.
- par trempage ou passage au travers d'un bain d'alliage métallique 4 en refusion avant la sérigraphie et la pose des CMS.
- au passage de la carte dans un bain d'alliage métallique 4 après placement des CMS au-dessus des cavités 22 sur au moins un point de colle lors du brasage en vague. L'utilisation d'une vague turbulente est avantageuse du fait de la position des couches de cuivre 12 dans le fond des cavités 22. En variante, les cavités 22 peuvent être remplies par sérigraphie d'une pâte à braser 3 comprenant l'alliage métallique 4 accompagné d'un flux de brasage 5, avec ou sans écran 30.
Par exemple, les cavités 22 peuvent être remplies en utilisant, de manière connue en soi, un écran 30 (ou pochoir). Pour cela, au cours d'une première étape, un écran 30 de sérigraphie dans lequel ont été formées deux fenêtres 34 est placé sur la couche isolante 20. L'écran 30 est positionné de sorte que les fenêtres 34 se trouvent en regard des cavités 22 à remplir.
Bien entendu, l'écran 30 peut comprendre un nombre différent de fenêtres 34 si un nombre différent de cavités 22 doit être rempli dans la couche isolante 20.
Les dimensions des fenêtres 34 sont sensiblement égales aux dimensions des cavités 22 associées à remplir afin d'optimiser le remplissage des cavités 22. De préférence la précision dimensionnelle pour la réalisation des fenêtres 34 est de l'ordre de trente micromètres. Les fenêtres 34 peuvent être légèrement plus grandes que les cavités 22 afin d'assurer un bon remplissage de celles-ci et d'augmenter la quantité de crème à braser 3 déposée (figure 2).
Au cours d'une deuxième étape illustrée en figure 1 d, de la crème à braser 3 est déposée sur l'écran 30 puis forcée dans les fenêtres 34 et dans les cavités 22 à l'aide d'une raclette 32. De manière connue en soi, la raclette 32 peut comprendre une tôle métallique, qui est inclinée suivant un angle pouvant être compris entre 45° et 60° afin de mieux pousser la crème à braser 3 dans les cavités 22.
Au cours d'une troisième étape, l'écran 30 peut être démoulé, de manière à laisser la crème à braser dans les cavités 22 (l'épaisseur de la crème à braser 3 déposée étant plus grande que l'épaisseur E de la couche isolante 20, en raison de la présence de l'écran).
En variante, les cavités 22 peuvent être remplies par sérigraphie sans utiliser d'écran 30. En effet, la raclette 32 peut être appliquée directement sur la couche isolante 20, qui sert alors d'écran 30 (voir figure 3). Lorsque la raclette 32 atteint les cavités 22, elle force alors la crème à braser 3 dans les cavités 22 de manière similaire à ce qui est fait habituellement avec un écran 30. Afin d'éviter la présence de crème à braser sur le dessus de la couche 20, il est préférable d'utiliser une raclette en polymère. Les quelques billes d'alliage restantes pourront être éliminées par lavage après l'étape S5 du traitement thermique. Après remplissage des cavités 22, la couche isolante 20 n'est en revanche pas démoulée afin qu'elle puisse jouer le rôle de support du CMS 2 et de maintien de la crème à braser 3 lors du traitement thermique.
Cette forme de réalisation sans écran 30 permet ainsi de réduire les coûts de fabrication de la carte électronique 1 dans la mesure où il n'est plus nécessaire de réaliser un écran 30 de sérigraphie et d'utiliser des équipements nécessitant une grande précision (plus d'écran à positionner face à face avec le circuit imprimé 10). L'étape S4 de remplissage des cavités 22 est en outre facilitée puisqu'il n'est plus nécessaire de positionner avec précision un écran 30 sur la couche isolante 20.
Les dimensions des cavités 22 sont choisies de sorte que chaque cavité 22 dévoile au moins une partie la couche conductrice 12 en regard. Par exemple, chaque cavité 22 peut être dimensionnée de manière à recouvrir et à déborder de la couche conductrice 12. La définition des dimensions des cavités dépend des composants CMS à assembler. Par exemple pour des boîtiers de taille 0603 les cavités 22 peuvent être de l'ordre de 0.5 mm * 1 mm ; pour des boîtiers de taille 1206 : 1 mm * 2 mm ; pour des boîtiers de taille 2010 : 1 .5 mm * 4.5 mm. Pour des boîtiers de type pas fins la largeur de la cavité 22 pourra être par exemple de l'ordre de 0.3mm. La surface du fond de la cavité 22 est donc plus grande que la surface qu'elle dévoile de la couche conductrice 12. Ceci n'est cependant pas limitatif, les cavités 22 pouvant être dimensionnées de manière à ne pas déborder de la couche conductrice 12.
Plus la couche isolante 20 est épaisse, plus la profondeur p des cavités 22 est grande et plus l'épaisseur de crème à braser 3 introduite dans les cavités 22 pourra être importante. En effet, dans le cas où les cavités 22 sont remplies de crème à braser 3 par sérigraphie avec un écran, la taille des fenêtres de l'écran 30 de sérigraphie n'est plus limitée par la possibilité de démouler l'écran 30 après remplissage des cavités 22, puisque la couche isolante 20 reste sur la face de connexion 14 et n'est plus démoulée. Par conséquent, la hauteur de crème à braser 3 introduite dans les cavités 22 est égale à la somme de la profondeur p de la cavité et de l'épaisseur E2 de l'écran 30, l'épaisseur E2 de l'écran 30 pouvant être faible lorsque l'épaisseur E de la couche isolante 20 est grande.
Plus précisément, comme nous l'avons vu plus haut, la taille d'une fenêtre 34 d'un écran 30 de sérigraphie est limitée par le rapport entre la surface de la fenêtre 34 (dans le plan de l'écran 30, qui est parallèle au plan (X, Y)) et la surface des parois internes de la fenêtre 34 (qui s'étendent perpendiculairement au plan de l'écran 30), qui doit être supérieur ou égal à 0.66. Jusqu'à présent, il était soit nécessaire de réduire l'épaisseur E2 de l'écran 30, ce qui impliquait une diminution de la quantité de crème à braser 3 et donc du standoff des CMS 2, soit d'augmenter la surface de la fenêtre 34, ce qui empêchait d'implanter des CMS 2 à pas fin ou limitait la densité de CMS 2 implantables sur le circuit imprimé 10.
L'application de la couche isolante 20 sur la face de connexion 14 permet ainsi, de manière tout à fait avantageuse, de lever cette limitation dans la mesure où il devient possible d'augmenter drastiquement la hauteur de crème à braser 3 appliquée sur le circuit imprimé 10, sans modifier pour autant l'épaisseur de l'écran 30 de sérigraphie. Il suffit en effet d'augmenter autant que nécessaire l'épaisseur E de la couche isolante 20 et de réaliser une fenêtre 34 présentant une surface adaptée à la surface de la cavité 22 associée, son épaisseur étant dictée par le rapport ci-dessus de sorte qu'il reste supérieur à 0.66.
Ainsi, l'invention permet de s'affranchir des difficultés de démoulage de l'écran 30 de sérigraphie, lorsqu'un tel écran 30 est utilisé et rend possible l'implantation de CMS 2 à pas fin et/ou une grande densité de CMS 2 sur la carte électronique 1 . Typiquement, il peut être envisagé d'utiliser un écran 30 présentant une épaisseur de l'ordre de 50 m à 100 m avec des épaisseurs locales possible de 100 m à 300 Mm en cas de besoin. On comprendra bien entendu que la suppression de l'écran de sérigraphie 30, permise par la présence de la couche isolante 20, permet également d'implanter des CMS à pas fins sur le circuit imprimé et/ou d'augmenter la densité de CMS sur la face de connexion 14, puisque ce procédé de remplissage des cavités 22 ne nécessite pas de démouler un écran 30.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fixation (S) d'un composant électronique (2) sur un circuit imprimé (10), ledit circuit imprimé (10) comprenant une face de connexion (14) comportant au moins une couche conductrice (12) et définissant un axe Z, ledit axe Z étant normal à la face de connexion (14), le procédé de fixation (S) comprenant les étapes suivantes :
- appliquer une couche isolante (20) (S1 ) comprenant un matériau électriquement isolant sur la face de connexion (14) du circuit imprimé (10), la couche isolante (20) présentant une épaisseur minimale (E) déterminée suivant l'axe Z,
- former une cavité (22) dans la couche isolante (20) au-dessus de la couche conductrice (12) (S2) de sorte qu'au moins une partie de la couche conductrice (12) soit dévoilée, la cavité (22) présentant une profondeur (p) minimale déterminée suivant l'axe Z,
- remplir la cavité (22) avec un alliage métallique (4) accompagné d'un flux de brasage (5), (S3)
- placer le composant électronique (2) au-dessus de la cavité (22) (S4), - appliquer un traitement thermique (S5) au circuit imprimé (10) sur lequel est placé le composant afin de transformer l'alliage métallique (4) accompagné du flux de brasage (5) en joint de brasure (6) de manière à fixer le composant au circuit imprimé (10),
le procédé de fixation étant caractérisé en ce que l'épaisseur minimale (E) de la couche isolante (20) est telle que la profondeur (p) de la cavité (22) est au moins égale à 100 m, et en ce que le matériau électriquement isolant de la couche isolante (20) présente un premier coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z, l'alliage métallique (4) présente un deuxième coefficient de dilatation thermique suivant l'axe Z, et dans lequel le premier coefficient de dilatation thermique est plus grand que le deuxième coefficient de dilatation thermique.
2. Procédé de fixation (S) selon la revendication 1 , dans lequel les étapes d'application de la couche isolante (20) et de formation de la cavité (22) sont réalisées par photolithographie en surface. 3. Procédé de fixation (S) selon la revendication 1 , dans lequel la cavité (22) est réalisée à l'aide de l'une au moins des techniques suivantes :
- perçage laser de la couche isolante (20),
- découpe mécanique de la couche isolante (20),
- découpe chimique de la couche isolante (20).
4. Procédé de fixation (S) selon la revendication 3, dans lequel la couche isolante (20) est rapportée et fixée sur la face de connexion (14), et dans lequel la cavité (22) est formée par découpe ou perçage avant ou après la fixation de la couche isolante (20) sur la face de connexion (14).
5. Procédé de fabrication (S) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel la couche isolante (20) est formée par un circuit imprimé.
6. Procédé de fabrication (S) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre, préalablement à l'étape de remplissage de la cavité
(22), une étape (S6) de métallisation de la plage conductrice (12).
7. Procédé de fixation (S) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cavité (22) est remplie par sérigraphie, avec ou sans écran (30) de sérigraphie.
8. Procédé de fixation (S) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la cavité (22) présente une surface dans un plan normal à l'axe Z, ladite cavité étant remplie par sérigraphie avec écran (30) de sérigraphie, ledit écran (30) de sérigraphie présentant une fenêtre (34) ayant une surface dans le plan normal à l'axe Z, la surface de la fenêtre (34) étant au moins égale la surface de la cavité (22).
9. Procédé de fixation (S) selon la revendication 8, dans lequel le traitement thermique (S5) comprend une refusion de l'alliage métallique (4).
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