FR2802765A1 - Methode et dispositif de brasage de composants sur support fin - Google Patents

Methode et dispositif de brasage de composants sur support fin Download PDF

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Abstract

Dispositif et procédé de brasage de composants (15) sur circuit souple (17), les composants comportant des terminaisons à braser (1) positionnées sur des terminaisons (2) de pistes de connexion du circuit souple recouvertes de pâte à braser (3), le dispositif comprenant un laser (4) délivrant des spots de chaleur calibrés en intensité et durée sur les terminaisons à braser.

Description

METHODE ET DISPOSITIF DE BRASAGE DE COMPOSANTS SUR
SUPPORT FIN
L'invention concerne un dispositif de brasage de composants électroniques et/ou électriques sur circuits fins et plus particulièrement une méthode appropriée à
des circuits souples de faible tenue en température.
Les méthodes et dispositifs de report et de soudure/brasage de composants sur circuits rigides sont bien connues et, pour des composants à montage en surface, les techniques sont par exemple des techniques infrarouges ou des techniques de refonte de pâte à braser. Toutes ces techniques exposent le substrat à des températures relativement hautes pour activer la pâte à souder utilisée et ne sont pas adaptées aux circuits
souples usuels en matériau polyester.
Le document EP 0 804 990 A1 propose une technique de report et de brasage de composants à montage en surface adaptée aux substrats flexibles communément appelés circuits souples possédant une faible résistance à la température. Cette méthode comporte les étapes suivantes: - Placement sur un support d'un substrat flexible muni de pistes conductrices en surface, - placement d'un couvercle muni d'ouvertures sur le support de telle sorte que le substrat soit emprisonné entre le couvercle et le support pour former un assemblage de manutention et que les ouvertures laissent exposées les régions devant porter les composants à reporter, application de pâte à souder sur les parties des pistes conductrices devant recevoir les pattes ou les terminaisons des composants à souder ce soit avant placement du couvercle soit après placement du couvercle, placement des composants à souder en position de brasage sur le substrat, - application d'un premier chauffage de l'assemblage pour préchauffer la pâte à souder à une première température, - Chauffage supérieur de zones de l'assemblage pour ramollir la pâte à souder; et, - refroidissement de l'assemblage de façon à solidifier la pâte à souder pour qu'elle adhère fermement aux
terminaisons et aux pistes conductrices.
Dans ce document la méthode pour élever la pâte à souder à la première température est une méthode radiante, le support ainsi que le couvercle étant pourvus de surfaces réfléchissantes écartées du substrat afin d'éviter d'élever la température du substrat. Cette méthode radiante est basée sur un dispositif de chauffage à rampe de brûleurs à gaz. Le support et le couvercle peuvent être réalisés dans un matériau conducteur de la chaleur et résistant à la
chaleur pour dissiper la chaleur à l'écart du substrat.
Du fait du système de support et de couvercle, la chaleur de préchauffage est limitée vers 90 C au niveau du substrat alors que la chaleur obtenue normalement serait
de l'ordre de 250 à 370 C.
Cette technique est bien adaptée à des circuits souples ayant une température de ramollissement inférieure ou égale à la seconde température typiquement des polyesters ayant un retreint inférieur à 0,1% pour une température de 160 Celsius, toutefois une meilleure localisation et une plus grande précision dans le contrôle et la localisation de la température de fusion de la pâte est souhaitable pour obtenir une plus grande régularité des soudures. De plus l'usage d'un jet de gaz peut causer un
désalignement des composants à souder.
Par ailleurs, cette technique cause une grande déperdition de chaleur pour obtenir la première température et est tributaire de la vitesse de
déplacement du support sous les dispositifs radiants.
Le document DE 198 38 532 concerne pour sa part le positionnement et la soudure sur un substrat de billes de soudure en utilisant un gabarit de placement pour déposer les billes et un laser pour fondre les billes en position. La présente invention propose un procédé et un dispositif alternatif laser pour obtenir un soudage en des points localisés principalement sans dispositif complexe de préchauffage ou en combinaison avec un dispositif de préchauffage réduit, le dispositif selon la présente invention étant adapté à des circuits souples ne
supportant pas une température supérieure à 120 Celsius.
Dans ce but la présente invention propose un dispositif de soudure de composant par brasage, les composants comportant des terminaisons à braser positionnées sur des terminaisons de pistes de connexion du circuit souple recouvertes de pâte à braser, le dispositif étant basé sur l'utilisation d'un laser infrarouge délivrant des spots de chaleur calibrés en intensité et durée sur les
terminaisons à braser.
Avantageusement les spots de chaleur calibrés sont
réalisés par un laser à diode.
Dans un premier mode de réalisation la position et la surface du spot sont modifiables par un organe de focalisation et de positionnement orientable ceci permet d'effectuer la soudure de plusieurs composants séquentiellement. Dans un mode de réalisation particulier, le faisceau laser créant le spot peut être piloté en focalisation pendant le tir pour en premier lieu irradier une zone large de la terminaison puis être focalisé pour élever la température au point de fusion de la pâte. Le faisceau laser peut aussi être piloté en puissance, ce qui permet par une puissance faible de préchauffer la terminaison puis d'effectuer la soudure par une augmentation de la puissance. le laser peut être fixe et le dispositif piloté apte à diriger le faisceau du laser selon deux axes perpendiculaires. De plus le dispositif peut comporter en regard d'au moins un laser une pluralité de guides de lumière suivis de moyens de focalisation en regard d'une
pluralité de terminaisons à braser.
En mode de réalisation particulier, le circuit souple est disposé sur un support, le support pouvant comporter une partie poreuse permettant le plaquage du circuit souple
sur le support par un dispositif de succion.
Un dispositif complémentaire de préchauffage peut être prévu dans le but de diminuer les chocs thermiques subis par le substrat et les composants et éviter tout désalignement des composants par rapport au substrat lors
de la fonte de la pâte.
L'invention peut aussi avantageusement comprendre l'utilisation d'un organe de maintien et d'appui local des composants sur le circuit souple. Cet organe de maintien peut comporter une actionneur et une palette
d'appui et de maintien du composant.
Selon un mode particulier de l'invention, un élément de peigne forme masque comportant des trous de passage du faisceau en combinaison avec un élargissement du faisceau
permet le soudage simultané de plusieurs éléments.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description d'un mode de réalisation non limitatif de
l'invention qui va suivre en référence avec les figures qui représentent: - En figure 1, une vue de côté schématique d'un dispositif selon l'invention, - En figure 2, un exemple de circuit avec composants en position, En figure 3, un dispositif de soudures multiples selon un mode de réalisation de l'invention, - En figure 4, une partie du dispositif de la figure 1 vu en perspective, En figure 5, une vue schématique d'un système de pilotage du dispositif, En figure 6, une schématique en perspective d'un connecteur avec masque selon un mode de réalisation
de l'invention.
Comme dans les techniques traditionnelles, le dispositif de brasage utilise un procédé basé sur l'application de pâte à souder (3) sur des parties (2) de pistes conductrices devant recevoir les pattes ou les terminaisons (1, 101, 102) de composants à souder et à connecter électriquement. Pour cela comme visible en figures 1 et 4, le circuit souple peut être positionné sur un support (13) servant à la manipulation du circuit souple et permettant son transport au poste de brasage des composants. Le support peut comporter des zones de matière poreuse (14) permettant à un dispositif d'aspiration de plaquer le circuit souple par succion sur le support, ce préférablement dans les zones destinées à
recevoir les composants.
Les composants (15, 16) sont ensuite placés avec leurs terminaison de brasage (1, 101, 102) sur les terminaisons (2) de pistes recouvertes de pâte à braser (3) par un bras de placement ou tout autre dispositif traditionnel. Dans le cas de composants tels que des contacts électriques (15), ces derniers peuvent soit être munis d'une bande porteuse (20) comme visible en figure 3 soit
être disposés unitairement.
L'application séquentielle de spots de chaleur calibrés en durée, puissance et surface sur les zones de terminaison des composants localisées sur la pâte à souder est réalisée par le dispositif laser (4) qui peut être un laser infrarouge pulsé. Préférentiellement le laser est un laser à diodes. L'application de spots de chaleur peut être constituée de tirs laser de durée comprise entre 1 à 5 secondes, la puissance du tir pouvant être réglée entre 5 et 30 Watts, la surface du spot pouvant être réglée entre 0,5mm2 et quelques mm2 de
façon à souder une terminaison de contact jusqu'à 4x5mm.
Le laser peut aussi être modulé en puissance pour
effectuer un préchauffage local avant l'étape de soudure.
Le spot laser peut aussi être élargi et conformé en bande sensiblement rectangulaire ce qui permet à l'aide d'un élément de peigne formant masque (50), recouvrant les zones à protéger du faisceau et possédant des ouvertures (51) au niveau des zones comportant les connexions, de souder simultanément plusieurs connexions. Notamment dans le cas de contacts électriques, le peigne peut être une partie intégrante d'un boîtier de connecteur (52) représenté en figure 6 recevant les contacts (15). Dans le cas de l'utilisation d'un organe séparé de maintien et d'appui local des composants sur le circuit souple, cet organe (5) visible en figure 1 peut être constitué d'un actionneur (6) muni au moins d'une palette (7) d'appui sur le composant. L'actionneur peut comporter plusieurs palettes. Ces palettes, en nombre correspondant au nombre de composants à souder, appuient sur les composants de façon à améliorer le contact thermique entre la terminaison à braser (1), la pâte (3) et la terminaison (2) de la piste. La palette peut être réalisée à l'extrémité d'un bras articulé sur un bâti (6) lui même monté en porte à faux et susceptible de venir en appui par rotation sur un plan de référence pour limiter le mouvement de la palette et la force d'appui et garder ainsi la terminaison de brasage plane par rapport à la
terminaison de piste.
Le laser (4) peut être orientable et appliquer des spots de chaleur séquentiellement sur les terminaisons à braser des composants, un dispositif piloté (8) muni d'éléments de focalisation (9) et de moyens de direction (10) du spot étant disposé en regard du laser pour focaliser le tir sur chacune des terminaisons. Le dispositif piloté (8) est dans ce cas apte à diriger le faisceau du laser selon deux axes perpendiculaires. Lors du tir laser, la chaleur reçue par la terminaison à braser diffuse au travers de la pâte à souder vers la terminaison de piste, la température du substrat du circuit souple restant limitée. En variante, le dispositif peut comporter une pluralité de guides de lumière (11) suivis de moyens de focalisation (12) en regard d'une pluralité de terminaisons à braser. Cette disposition convient pour effectuer simultanément plusieurs soudures et, dans ce cas, les moyens de focalisation (12) peuvent être fixes dirigés vers chaque terminaison et réglés pour optimiser la surface du spot désiré. Cette méthode est utilisable notamment pour la soudure de contacts électriques en extrémité de circuit souple, les contacts pouvant dans ce cas rester solidaires de leur bande porteuse (20). Des contacts munis de terminaison de brasage de section différentes en fonction de l'intensité de courant qu'ils doivent supporter peuvent ainsi être soudés simultanément. Pour optimiser le puissance des spots et augmenter le nombre de soudures simultanées, plusieurs lasers peuvent être utilisés, chacun étant couplé avec une pluralité de
guides de lumière.
1l Le circuit souple (17) peut être maintenu sur un support (13) de transport soit de façon traditionnelle par des pions (21, 22) de centrage et, avantageusement, le support peut comporter une partie poreuse (14) permettant le plaquage du circuit souple sur le support par un dispositif de succion afin d'augmenter la précision de positionnement des terminaisons de pistes par rapport au
spot laser.
Pour limiter les chocs thermiques, un dispositif complémentaire de préchauffage tel que dans l'art antérieur est utilisable. En variante ce dispositif de préchauffage peut utiliser des lampes infrarouges elles
mêmes pilotées en intensité et durée.
Le spot peut être piloté en focalisation pendant le tir pour en premier lieu irradier une zone large de la terminaison de façon à préchauffer et sécher la pâte puis
être focalisé pour effectuer la soudure.
Un dispositif de contrôle du processus de brasage est associé au dispositif de tir laser. Ce dispositif est constitué principalement d'un calculateur (120) gérant le calibrage des spots en durée et en puissance par un bloc de puissance (121) alimentant le laser (4) et éventuellement un bloc (122) de commande d'un dispositif de réglage de focalisation (9, 10). La durée de chaque spot est déterminée de façon à être adaptée à élever la température soit sur chaque terminaison soit sur une pluralité de terminaisons en fonction des dimensions du composant à souder. Le spot peut être défocalisé puis focalisé pour augmenter progressivement la température de soudure. Le calculateur comporte aussi une sortie de pilotage de moteurs (123) gérant le positionnement du laser et
éventuellement le déplacement du support de circuit.
Ce dispositif permet notamment par rapport à l'art antérieur outre d'effectuer des brasures sur des circuits ayant une tenue en température encore plus réduite, de supprimer le couvercle de dissipation de chaleur ou de le remplacer par un simple masque. Par ailleurs, ce dispositif permet de part son action locale un placement de composants supplémentaire entre plusieurs tirs laser, le dispositif étant ainsi adaptable à un poste automatique de report et placement de composants, l'opération de soudure étant alors combinée avec
l'opération de placement.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1 - Dispositif de brasage de composant, les composants (15, 16) comportant des terminaisons à braser positionnées sur des terminaisons (2) de pistes de connexion d'un circuit souple (17) recouvertes de pâte à braser (3), caractérisé en ce que le dispositif comprend un laser infrarouge (4) délivrant des spots de chaleur calibrés en intensité et durée sur les terminaisons à
braser.
2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les spots de chaleur calibrés sont réalisés par un
laser à diode.
3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2
caractérisé en ce que la position et la surface du spot de chaleur sont modifiables un dispositif piloté (8) comprenant un organe de focalisation et de positionnement
(8) orientable.
4 - Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le spot est piloté en focalisation pendant le tir pour en premier lieu irradier une zone large de la terminaison puis être focalisé pour élever la température
au point de fusion de la pâte.
- Dispositif selon l'une des revendications
précédentes caractérisé en ce que le laser est mobile.
6 - Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4
caractérisé en ce que le laser (4) est fixe et le dispositif piloté (8) est apte à diriger le faisceau du
laser selon deux axes perpendiculaires.
7 - Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que une pluralité de guides (11) de lumière suivis de moyens de focalisation (12) en regard d'une pluralité de terminaisons à braser sont disposés en regard d'au moins
un laser (4).
8 - Dispositif selon l'une des revendications
précédentes caractérisé en ce que le laser est modulé en puissance.
9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce que le circuit souple est disposé sur un support (13) comportant une partie poreuse (14) permettant le plaquage du circuit souple sur le
support par un dispositif de succion.
10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un
dispositif complémentaire de préchauffage.
11 - Dispositif selon l'une des revendications
précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un organe (5) de maintien et d'appui local des composants sur le
circuit souple.
12 - Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'organe (5) de maintien comporte un actionneur (6) et une palette (7) d'appui et de maintien du composant.
13 - Dispositif selon l'une des revendications
précédentes caractérisé en ce que le faisceau laser est étalé et en ce qu'un élément de peigne formant masque (50) est muni de trous (51) de passage du faisceau pour permettre le soudage de plusieurs terminaisons simultanément et la protection de zones du circuit souple. 14 - Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que l'élément de peigne est partie intégrante d'un boîtier de connecteur (52), les terminaisons étant des
terminaisons de contact du connecteur.
- Procédé de soudure de composants sur circuit souple caractérisé en ce qu'il comporte une étape de placement de composant, les composants (15, 16) ayant des terminaisons (1, 101, 102) de brasage reposant par l'intermédiaire de pâte à braser (3) sur des terminaisons (2) de pistes de circuit souple, une étape de mise en pression des terminaisons à braser sur la pâte à braser et une étape de brasage des terminaisons à braser sur les terminaisons de piste par tir laser par un dispositif
selon l'une des revendications précédentes.
16 - Procédé selon la revendication 15 caractérisé en ce que les composants sont solidaire d'une bande (20)
découpée postérieurement à l'étape de brasage.
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