FR2636200A1 - Procede de soudage en surface de composants - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de soudage en surface de composants sur une face 2 d'une plaque support 1 de circuit imprimé 3 sur lequel a été préalablement déposée de la soudure 4. Selon l'invention, on déforme la soudure 4 afin de réaliser dans cette dernière des empreintes 6, 11a, 11b, 12a, 12b; 13a, 13bdestinées à recevoir et maintenir les composants dans le plan de la plaque 1 en vue d'obtenir un positionnement correct de ces derniers lors de l'opération de soudage.

Description

PROCEDE DE SOUDAGE EN SURFACE DE COMPOSANTS
L'invention concerne un procédé de soudage de composants en surface destiné notamment être utilise pour le soudage de composants électroniques tels que des boîtiers, SOT, SOD, ou analogues sur des plaques supports de circuit imprimé connues sous l'appellation anglaise "PCB" (Printed Circuit Board).
L'invention concerne également un outil pour la mise en oeuvre du procédé ainsi qu'une plaque obtenue par le procédé avant l'opera- tion de soudage des composants sur cette dernière.
La technique de montage des composants en surface couramment désignée par NOMS" (Composants Montés en Surface) présente un certain nombre de problèmes particuliers dont un nombre non négligeable ont trait a la soudure des composants sur la plaque.
On connait déja une première technique de soudage en surface de composants dite soudure a la vague, selon laquelle les composants sont fixés par collage sur la plaque a des emplacements de soudage déterminés avant l'apport de soudure. La soudure est déposée sur la totalité de la surface du circuit imprimé par un passage a la surface d'un bain de soudure de la plaque munie des composants.
Cette technique fonctionne correctement dans bien des cas, mais elle présente toutefois des inconvénients. En effet, outre le fait que l'opération de collage représente une opération coûteuse, il est peu aise d'épargner certaines zones du circuit si cela s'avère nécessaire. De plus, la quantité de soudure etant-difficile a doser par cette technique il en résulte d'une part des court-circuits a certains endroits et, d'autre part, selon la disposition des composants sur la plaque, des zones non couvertes par la soudure. Cela nécessite par conséquent un travail de contrôle visuel et, le cas échéant, des retouches manuelles.
On connatt aussi une seconde technique de soudage en surface de composants selon laquelle on dépose directement a la fabrication de la plaque un revêtement d'étain-plomb à des emplacements determines, les composants étant mis en place puis soudes lors d'opérations ultérieures.
Dans ce cas, ces revêtements sont des dépôts d1étain-plomb galvaniques qui du fait de leur grande instabilité nécessitent avant la mise en place et le soudage des composants une opération de stabilisation. Cette opération consiste en une surfusion d'homoge neisation de l'alliage afin, d'une part, d'éviter l'oxydation de celui-ci et, d'autre part, de faciliter l'opération de soudage.
Toutefois, on s'apercoit qu'après cette opération, la soudure se met en boule si bien que les composants simplement mis en place sur la soudure peuvent bouger une première fois au moment de la pose, puis éventuellement par la suite lors de secousses ou de vibrations engendrées pendant la phase de transport de la plaque sur le poste de soudage, et enfin au moment du soudage. Là encore, pour supprimer ces problèmes, on est conduit à utiliser un collage préalable des composants sur la plaque avant le soudage.
Pour pallier les problèmes évoqués plus haut, on utilise de façon courante de la pâte à souder. Celle-ci est déposée par sérigraphie ou à la seringue exactement aux endroits ou l'on désire réaliser le soudage des composants. Cette pâte a souder est relativement molle si bien que les composants peuvent être poses dessus et partiellement maintenus à la surface de la plaque. On procède alors à un chauffage (par exemple en phase vapeur) de la plaque munie de ses composants pour réaliser le soudage. Cette technique présente toutefois deux inconvénients majeurs.
D'une part, le conditionnement de la pate souder est relativement délicat, et la durée de conservation pendant laquelle elle peut être utilisée entre le moment ou la pate est déposée, et le chauffage est relativement courte (24 heures environ). Par conséquent, tous les composants doivent être déposés et éventuellement redressés pendant cette durée, ce qui nécessite une organisation draconienne de la fabrication.
D'autre part, la pâte a souder est composée de microbilles noyées dans un liant lesquelles peuvent se répandre sur la plaque au moment du chauffage et provoquer des court-circuits ou se glisser sous les composants, les microbilles étant alors très difficiles à déloger par un nettoyage classique.
L'invention a donc pour but principal de remédier aux inconve- nients de l'art antérieur sus-cités en fournissant un procédé de soudage en surface de composants selon lequel on assure un positionnement correct des composants sur la plaque sans avoir recours à une étape de collage préalable.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage en surface de composants présentant des points de connexion, sur au moins une face d'une plaque support de circuit imprimé à des emplacements déterminés sur laquelle a été préalablement déposé de la soudure dans des zones de soudage associées auxdits emplacements.
Conformément à l'invention, le procédé comprend les opérations suivantes consistant à
- déformer la soudure afin d'une part de réaliser dans cette dernière des empreintes ayant une configuration au moins complémen- taire à celle des points de connexion des composants qu'elles sont destinées à recevoir et d'autre part de maintenir les composants en position dans le plan de ladite plaque support ;
- mettre en place les points de connexion de chaque composant dans leur empreinte respective ; et
- soumettre ladite plaque support pourvue desdits composants à un chauffage pour souder chaque composant sur ledit circuit.
Ainsi, on obtient un positionnement rapide et correct des composants sur la plaque quel que soit le procédé d'apport de soudure utilise.
L'invention a également pour objet un outil pour mettre en oeuvre le procédé, cet outil comprenant une matrice dont la partie active présente une pluralité d'éléments en saillie ayant une configuration complémentaire a celle des empreintes.
Enfin, l'invention a pour objet, a titre de produit intermédiaire, une plaque support de circuit Imprimé qui est destinée recevoir une pluralité de composants comprend sur au moins l'une de ses faces un circuit en métal conducteur sur lequel a été préa- lablement déposée de la soudure en des zones déterminées formant des plots de soudage destines a coopérer avec les points de connexion des composants, plaque support dans laquelle les plots de soudage comprennent des empreintes ayant une configuration au moins complémentaire a celle des points de connexion des composants avec lesquels ils sont destinés a être connectés.
Les plaques peuvent être ainsi préparées a l'avance et être facilement stockées avant les opérations de mise en place et de soudage des composants. Cela est avantageux notamment dans le cas ou, au moment du soudage tous les composants ne sont pas immédiatement disponibles en stock ou encore si l'on désire vendre les plaques à titre de produit semi-fini à des personnes qui se chargeront de la mise en place et du soudage des composants.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront plus clairement au cours de la description qui suit d'un exemple de réalisation particulier donné à titre purement illustratif et non limitatif en liaison avec les dessins joints dans lesquels
- les figures la à le montrent des vues schématiques partielles d'une plaque support de circuit imprimé à différentes étapes successives du procédé de soudage en surface de composants selon l'invention ;;
- la figure 2 montre une vue de dessus d'une plaque support de circuit imprimé obtenue selon le procédé de l'invention avant l'opération de mise en place des composants
En se référant tout d'abord a la figure la, on voit un produit de départ constitué par une plaque support 1 en matière synthétique, par exemple en résine epoxy, comprenant à sa surface supérieure 2 des zones conductrices 3 en cuivre par exemple réalisant un circuit imprime dont seulement deux pistes ont été représentées. Ce circuit imprimé comprend, partiellement ou totalement selon le cas, un revêtement 4 d'un alliage de soudure déposé. préalablement à la mise en place des composants et ayant une épaisseur telle qu'aucun apport supplémentaire de soudure n'est nécessaire lors de l'opération ultérieure de soudage des composants.Le dépôt de l'alliage de soudure est de préférence réalisé à la fabrication de la plaque, le dépôt de la soudure pouvant se faire directement sur le cuivre 3, les parties ne devant pas recevoir de soudure étant protégées par un masque de résine ou un traitement galvanique approprié.
Bien entendu toute autre méthode de dépôt pourrait convenir. Par exemple, on peut utiliser un dépôt galvanique suivi d'une surfusion de stabilisation, ou bien un passage de la plaque sur une machine de soudure a la vague, ou encore un dépôt de pâte a souder par sérigra phie suivi d'un chauffage afin d'obtenir une couche de soudure homogène. On notera que cette dernière méthode est particulièrement avantageuse lorsque l'on désire déposer de la soudure à des endroits précis tout en épargnant certaines parties du circuit.
De préférence, la soudure utilisée est un alliage de soudure étain-plomb 60/40 permettant notamment d'obtenir une température de fusion inférieure à celle de l'étain pur, et diminuant ainsi les risques d'endommagement des composants avec des températures de soudage trop élevées susceptibles de fragiliser, voire de détruire ces derniers.
Comme il ressort de la figure la, les dépots de soudure 4 ont un aspect caractéristique en forme de goutte Si bien que les composants sont difficilement maintenus en position lorsqu'ils sont simplement posés comme cela est pratique dans les techniques classiques.
Selon l'invention, au contraire, on vient déformer simultanément la soudure 4 à l'aide d'un outil 5 partiellement représenté à la figure lb - qui sera décrit ci-après - à des emplacements prédéterminés du circuit imprime 3 afin de réaliser dans la soudure 4 des empreintes 6 dont la configuration est sensiblement complémentaire a celle des points de connexion ou d'un groupement de points de connexion d'un composant qu'elles sont destinées a recevoir.Dans l'exemple représente, il s'agit d'une résistance 7 ayant deux bornes de connexion 7a, 7b (figure lc). Bien entendu, cela peut être réalisé en vue de la mise en place d'autres composants tels que des boîtiers SOT (small outline transistor) ou SOD (small outllne diode) ou encore pour d'autres composants qui ne sont pas des composants typiquement "CES" tels que des quartz à fils, trimmers, connecteurs ou analogues.
On définit le terme empreinte par la forme Imprimée dans la soudure 4 associée à une partie en saillie de l'outil 5. L'outil 5 a, de preference, la forme d'une matrice et est monté sur une presse hydraulique ou analogue d'une capacité variant en fonction du nombre d'empreintes que l'on désire obtenir simultanément. A titre d'exemple, pour une plaque destinée a recevoir quelque dizaines de composants standards, on utilise une presse développant une force de 500 kg environ. Lorsqu'on applique la force (dans le sens indiqué par la flèche F), l'outil 5 pénètre sensiblement sur les trois quarts de la hauteur de la soudure formant ainsi un siège 8 et des parois de retenue 9 pour le composant 7 tandis qu'en même temps, une partie de la soudure est repoussée vers l'extérieur.
On notera à ce propos que l'angle de dépouille de la matrice donne une configuration des parois de retenue 9 s'évasant vers l'exterieur, facilitant ainsi le centrage des composants lors de leur mise en place.
Comme il ressort des figures lc et ld, la dimension de l'empreinte 6 est ici sensiblement supérieure à celle du contour du composant 7 qu'elle recoit et de préférence on laisse subsister un jeu qui correspond sensiblement à la précision de pose d'un robot servant à la mise en place des composants, soit 0,1 mm environ sur la largeur et sur la longueur du composant.
La matrice montrée partiellement à la figure lb comprend une pluralité de parties actives réalisant les empreintes dans la soudure, dont seulement une partie active 10 a été représentée à la figure lb. Cette partie active 10 présente un élément en saillie ayant la configuration d'un bossage, complémentaire à celle de la résistance 7 à souder. La matrice, de préférence en acier, est réalisée avantageusement par usinage chimique à partir d'un masque correspondant à l'agencement et à la configuration des composants destinés à être soudes sur la plaque 1. On notera que le masque peut être facilement obtenu à partir du Lay-out de la plaque 1 sur des installations de type CAO, lesquelles comportent des bibliothèques dans lesquelles sont enregistrées les formes des composants couramment utilises. Cette méthode présente un avantage considérable sur un usinage traditionnel de la matrice, notamment dans le cas ou la plaque 1 comprend une densité élevée de composants.
En se référant maintenant à la figure 2, on voit une vue partielle d'une plaque 1 ne portant encore aucun composant et constituant un produit Intermédiaire selon l'invention. En effet, la plaque 1 comprend une pluralité d'empreintes réalisées comme cela a ete décrit precedemnent. On remarquera que pour déformer la soudure en vue de la mise en place d'un composant on peut utiliser un outil comportant différentes formes de parties actives. Sur la figure 2, on a représenté en trait mixte le contour d'un exemple de -réali- sation de parties actives pour différents composants.
En effet, pour faciliter la mise en place sur la plaque 1 d'un composant comprenant une pluralité de points de connexion en forme de broches par exemple, on peut utiliser un outil avec une partie active 6, iia, iib ayant une configuration associée à la totalité des broches de connexion de ce composant ou bien un outil comprenant une partie active 12a, 12b ayant une configuration associée à un sous-ensemble de broches de connexion Juxtaposées de ce composant.
Selon une autre variante, on peut aussi associer à chaque partie active i3a, 13b un point à une broche de connexion d'un composant.
Des empreintes associées à des composants différents sont obtenues au moyen de parties actives distinctes, notamment si l'outil est réalisé à partir du lay-out. Cependant, pour éviter de multiplier les parties en saillie disjointes de l'outil, qui pourraient le rendre plus fragile, on peut définir une partie active 14 unique pour définir simultanément des points de connexion d'au moins deux composants distincts.
Une fois l'opération de déformation de la soudure terminez, on procède à un nettoyage de la plaque par brossage. La plaque est alors transportée sur le poste suivant ou l'on procède à la mise en place des composants. Cette opération peut être réalisée de façon connue à l'aide d'un robot de manipulation approprie; Bien entendu, la plaque peut également être stockée telle quelle à titre de produit intermédiaire et utilisée ultérieurement, par exemple dans l'attente de la disponibilité en stock de tous les composants a souder.
Quand les composants ont été mis en place (figures ic, id) on procède alors a l'opération de chauffage afin de réaliser le soudage des points de connexion des composants sur le circuit imprime 3.
Pour ce faire, on introduit une ou plusieurs plaques préparées comme décrit precèdemment, par exemple, dans un four a rayonnement infrarouge à une temperature sensiblement supérieure a la température de fusion de l'alliage, soit dans l'exemple décrit a une température de 2400 environ pendant quelques secondes. On peut aussi utiliser un chauffage de la soudure en présence d'une vapeur chaude (soudage en phase vapeur), cette dernière méthode présentant l'avantage de conduire à une uniformité de chauffage. Dans ce cas on choisira un solvant ayant une température de vaporisation correspondant à la température de chauffage à laquelle on souhaite travailler.
On remarquera de manière avantageuse que, quelle que soit la forme des empreintes adoptées, les points de connexion des composants ont une importante surface de contact avec la soudure (figures id, le) si bien que, lors du chauffage, la soudure monte facilement par capillarité le long de ces derniers et on garantit ainsi une meilleure soudure.

Claims (11)

REVENDICATIONS
1. Procédé de soudage en surface de composants présentant des points de connexion, sur au moins une face (2) d'une plaque support (1) de circuit imprimé (3) à des emplacements déterminés, sur laquelle a été préalablement déposée de la soudure (4) dans des zones de soudage associées auxdits emplacements, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes consistant à
- déformer la soudure (4) afin d'une part de réaliser dans cette dernière des empreintes (6, 11a, 11b, 11b,1 2a, 12b, 13a, 13b) ayant une configuration au moins complémentaire à celle des points de connexion des composants qu'elles sont destinées a recevoir et d'autre part de maintenir les composants en position dans le plan de ladite plaque support (1);;
- mettre en place les points de connexion de chaque composant dans leur empreinte respective (6, ixia, iib, 12a, 12b, 13a i3b); et
- soumettre ladite plaque support (1) pourvue desdits composants à un chauffage pour souder chaque composant sur ledit circuit (3).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de déformation de la soudure (4) est réalisée de sorte qu'à chaque empreinte (13a, 13b) corresponde un seul et unique point de connexion pour au moins un composant considéré.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération de déformation de la soudure (4) est réalisée de sorte qu'a chaque empreinte (i2a > 12b) corresponde une pluralité de points de connexion juxtaposes pour au moins un composant considéré.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que l'opération de déformation de la soudure (4) est réalisée de sorte que l'empreinte (6, ixia, 11b) définisse au moins partiellement le contour d'un composant considéré.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications precedentes, caractérisé en ce que l'opération de chauffage est réalisée en introduisant la plaque support (1) pourvue de ses composants dans un four a rayonnement infrarouge.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que l'opération de chauffage est réalisée en soumettant la plaque support (1) munie de ses composants à un milieu comprenant une vapeur chaude.
7. Outil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice (5) dont la partie active (10) présente en relief une pluralité d'éléments en saillie ayant une configuration complementaire à celle des empreintes (6, ixia, iib, 12a, i2b, 13a, 13b).
8. A titre de produit intermédiaire, une plaque support (1) de circuit imprime qui est destinée à recevoir une pluralité de composants et qui comprend sur au moins l'une de ses faces (2) un circuit en métal conducteur (3) sur lequel a été préalablement déposée de la soudure (4) en des zones déterminées formant des plots de soudage destines à coopérer avec les points de connexion des composants, caractérisée en ce que les plots de soudage comprennent des empreintes (6, 11a, 11b, 12a, i2b, 13a, 13b) ayant une configuration complémentaire à celles des points de connexion des composants avec lesquels ils sont destinés à être connectes.
9. Plaque support selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'à chaque empreinte (13a, 13b) correspond un seul et unique point de connexion pour au moins un composant considéré.
10. Plaque support selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce qu'à chaque empreinte (12a, i2b) correspond une pluralité de points de connexion Juxtaposés pour au moins un composant considéré.
11. Plaque support selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que l'empreinte (6, lla, 11b) définit au moins partiellement le contour d'un composant considéré.
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Citations (5)

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Title
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