FR2993487A1 - Procede de brasage d'un composant electronique sur un bus barre - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé de brasage d'un composant électronique (5) sur une portion de bus barre (3) de module électrique (1), caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles : - au moins un métal d'apport est disposé sur une face de la portion de bus barre (3), - le composant électronique (5) est disposé sur le métal d'apport, - des électrodes (13) sont amenées au contact du bus barre (3), de sorte à faire circuler un courant électrique dans le bus barre (3) sous le au moins un métal d'apport.

Description

Procédé de brasage d'un composant électronique sur un bus barre L'invention se rapporte à un procédé pour la brasure d'un composant sur un support métallique conducteur de type bus barre.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, il est connu de réaliser les circuits électroniques sous forme d'un ou plusieurs modules, organisés autour d'un bus barre ou barre omnibus. Le bus barre est un treillis métallique sur lequel sont placés les éléments électroniques, jouant souvent en parallèle les rôles de connecteur et de support physique.

Le bus barre véhicule les courants les plus importants des modules en ce qu'il est souvent relié directement à la source de courant. Il est en conséquence réalisé en métal conducteur tel que le cuivre, avec une section importante, pour en abaisser la résistance et donc diminuer les pertes et échauffements par effet joule. Les composants du module électronique sont le plus souvent fixés au bus barre 15 au moyen d'une soudure, d'un brasage ou d'un sertissage. Usuellement, le brasage se fait soit par refusion dans un four à vide soit par chauffage ponctuel. Lors d'une refusion les différents éléments sont mis en place, de la pâte ou poudre de brasure est mise au niveau des pattes ou raccords des éléments. Le module est alors chauffé dans son entièreté dans un four jusqu'à fusion de la brasure. Le module est 20 alors sorti du four et refroidi. La refusion au four implique un chauffage de tous les éléments, y compris ceux qui ne sont pas concernés par le brasage. Ce chauffage supplémentaire est donc coûteux en énergie, et potentiellement dommageable aux composants. De plus, le four doit être maintenu sous vide lors du chauffage, ce qui implique un cycle de descente et remontée 25 en pression à chaque fournée. Un four à vide et son fonctionnement sont de ce fait coûteux en temps et en énergie. Le chauffage ponctuel se fait usuellement par laser ou par circulation de courant entre deux électrodes. Le chauffage ponctuel est effectué directement et uniquement au niveau des pattes ou raccords des éléments à braser, où la brasure en pâte, poudre ou 30 sous forme de paillon aura été disposée. BRT0981 - CFR0525 Le document W02007/093710 au nom de la demanderesse divulgue par exemple l'application d'électrodes sur une patte d'un composant électronique pour une soudure par brasure de celui-ci sur une portion métallique d'une carte à circuit imprimé. Dans la configuration en carte à circuit imprimé, les composants sont brasés sur 5 un motif de lignes conductrices métalliques portées par un support isolant, généralement en résine. Aussi, les sites de brasures ne sont alors accessibles que depuis le dessus de la carte. Dès lors, les chauffages ponctuels, tels que développés dans ledit document W02007/093710 nécessitent qu'une patte du composant à braser soit accessible par le 10 dessus pour pouvoir y appliquer les électrodes. Ceci implique en particulier qu'au moins une patte du composant dépasse latéralement et aie assez de surface pour pouvoir être mise en contact avec les deux électrodes, dont la taille ne peut être indéfiniment réduite du fait des courants les parcourant, et sans que celles-ci ne se touchent. Cette patte dépassant latéralement est une source d'encombrement, ce qui limite 15 les possibilités de miniaturisation et déclenche des surcoûts. Afin de surmonter au moins partiellement les défauts précédemment mentionnés, l'invention a pour objet un procédé de brasage d'un composant électronique sur une portion de bus barre de module électrique, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles : 20 au moins un métal d'apport est disposé sur une face de la portion de bus barre, le composant électronique est disposé sur le métal d'apport, des électrodes sont amenées au contact du bus barre, de sorte à faire circuler un courant électrique dans le bus barre sous le au moins un métal d'apport. 25 Ce procédé permet de générer la chaleur pour le chauffage au niveau du bus barre, et non du composant. En particulier, le composant est ainsi soumis à une chaleur potentiellement moindre, ce qui permet d'éviter son endommagement. Le métal d'apport peut être par exemple sous forme d'une pâte à braser ou d'un paillon de brasure. 30 Le procédé peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. BRT0981 - CFR0525 Il comporte une étape préalable de fixation du bus barre en le maintenant au moyen de deux pinces. Il comporte une étape supplémentaire, préalable à celle d'établissement d'un courant électrique entre les électrodes, dans laquelle un piston est amené au contact du 5 composant électronique, de manière à le maintenir en position. Le piston et le composant électronique sont configurés de sorte que le contact entre le composant et le au moins un paillon se fait sur une surface étendue et plane. Au moins un paillon de compensation de dilatation est disposé sur le au moins un métal d'apport de façon à former un empilement. En particulier, l'empilement peut 10 être formé de couches alternatives de métal d'apport et de paillons de compensation de dilatation, l'empilement présentant des couches de métal d'apport au niveau de ses extrémités. Les électrodes sont placées à proximité de la surface du bus barre recouverte par le composant électronique. 15 Les électrodes sont placées sur la face opposée à celle sur laquelle le au moins un métal d'apport a été disposé, ou bien sur la face sur laquelle le métal d'apport a été disposé, de part et d'autre du composant . Aussi, en appliquant les électrodes du côté du bus barre opposé au composant, celles-ci risquent moins d'entrer en contact avec un autre composant. 20 Les électrodes comprennent des embouts réfractaires à leur extrémité mise au contact du bus barre. En particulier, les embouts réfractaires sont des pastilles de tungstène. Les électrodes comprennent des moyens de refroidissement. L'établissement du courant comprend une phase initiale de chauffage dans 25 laquelle le courant moyen augmente progressivement, et/ou une phase finale de refroidissement progressif, dans laquelle le courant moyen diminue progressivement. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description des figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique des principaux éléments impliqués dans 30 le procédé de brasage selon l'invention, BRT0981 - CFR0525 la figure 2 est une représentation schématique des étapes du procédé de brasage ; les figures 3 à 7 sont des vues schématiques du module électronique lors des différentes étapes du brasage, la figure 8 illustre un mode de réalisation alternatif du procédé selon l'invention. La figure 1 représente une portion d'un module 1 électronique de puissance, comprenant en particulier un bus barre 3, un composant 5 et des paillons 9, 11 10 métalliques, en cours d'assemblage. Le bus barre 3 est une lame métallique ou un ensemble de lames métalliques maintenues par un isolant électrique. La lame métallique est, en particulier, en cuivre. Les lames permettent un contact sélectif entre des bornes électriques, en particulier celles du composant 5, et celles d'une source d'alimentation (non représentée), ou d'un 15 autre module 1 électronique. Les lames métalliques peuvent être noyées dans le matériau isolant, par exemple par surmoulage, de façon à garantir la tenue mécanique du bus barre. Comme le bus barre 3 doit véhiculer des courants de puissance, de forte intensité, la lame métallique est d'une épaisseur de l'ordre de un demi à quelques 20 millimètres et d'une largeur de l'ordre du centimètre. Ces dimensions offrent une bonne conductivité avec une quantité minimale de métal. Le composant 5 est un composant électronique, plus particulièrement électronique de puissance, par exemple une puce électronique de puissance, ou tout autre composant dit monté en surface (Composant Monté en Surface, CMS). En 25 particulier, le composant 5 peut lui-même comporter un module électronique 1, généralement de taille inférieure. En particulier, le composant 5 est ici représenté schématiquement, ne requérant qu'une seule brasure sous la totalité de sa surface. Un composant 5 est en réalité pourvu d'une multitude de contacts requérant brasure, et de géométrie plus complexe. 30 Les paillons métalliques sont ici de deux sortes : des paillons de brasure 9 et des paillons dits de compensation de dilatation 11. Les paillons de brasure 9 sont soit en BRT0981 - CFR0525 alliage à base d'étain à basse température de fusion (inférieure à 400°C) dans le cadre d'un brasage dit tendre (« soldering » en anglais), soit en alliage à base d'argent à température de fusion plus haute (supérieure à 400°C) dans le cadre d'un brasage dit dur (« brazing » en anglais). Les paillons de compensation de dilatation 11 sont composés 5 d'un métal absorbant par déformation les dilatations thermiques du composant 5 ou du bus barre 3 au cours de la vie de l'ensemble et améliorent donc la fiabilité de la brasure. Par exemple, le paillon peut être un alliage fer-nickel (Fe, Ni), ou cuivre-molybdène (Cu, Mo) de coefficient de dilatation thermique adapté aux matériaux du bus-barre 3 et du composant 5. En particulier, le paillon de compensation de dilatation 11 permet 10 d'améliorer significativement la fiabilité de l'assemblage. Ces paillons 9, 11 sont soit des feuilles soit des plaques de grains de métal agglomérés. Les paillons métalliques 9, 11 peuvent aussi comporter un flux de brasage, à l'état liquide ou en poudre, qui forme à l'échauffement lors de la brasure une atmosphère protectrice, par exemple antioxydante voire réductrice. 15 Les paillons métalliques 9, 11 sont en particulier arrangés en un empilement 7 alternatif de paillons de brasure 9 et de paillons de compensation de dilatation 11, les paillons métalliques supérieurs et inférieurs de l'empilement 7 étant des paillons de brasure 9. Dans l'exemple représenté, les paillons métalliques 9, 11 sont au nombre de trois, et comprennent dans l'ordre d'empilement en partant de la surface du bus barre, un 20 premier paillon de brasure 9, un paillon de compensation de dilatation 11 et un deuxième paillon de brasure 9. En figure 1 on peut aussi voir deux électrodes 13. Ces électrodes 13 servent à injecter du courant dans une portion du bus barre 3 afin de le chauffer par effet Joule et de provoquer la fusion des paillons de brasure 9, 11. Ces électrodes sont des barres 25 métalliques, par exemple de cuivre ou cuprotungstène (environ 75% Cu et 25% W), ou tout autre alliage métallique, de préférence avec une bonne conductivité et une température de fusion haute (supérieure à la température de brasage maximale appliquée, ici 700°C par exemple). Les électrodes 13 montrées en figure 1 sont pourvues à leur extrémité d'un 30 embout 15 réfractaires en métal à particulièrement haute température de fusion, ici sous forme d'une pastille de tungstène. Ces embouts 15 forment la surface des électrodes en BRT0981 - CFR0525 contact avec les pièces à braser et donc susceptible de se lier lors du chauffage auxdites pièces à braser. Une haute température de fusion diminue la probabilité d'un tel attachement indésirable. Les électrodes 13 peuvent en outre comporter des moyens de refroidissement, 5 par exemple sous forme d'une circulation de fluide caloporteur circulant dans les électrodes 13. En alternative ou en addition, une base portant les électrodes 13 peut aussi être refroidie par circulation de fluide caloporteur, les électrodes 13 étant à leur tour refroidies par conduction. 10 La figure 2 montre de façon schématique les différentes étapes du procédé de brasage 100, lesdites étapes 101, 103, 105, 107, 109 étant respectivement illustrées plus en détail dans les figures 3 à 7. En figure 3, le bus barre 3 est maintenu au moyen de deux pinces 17, situées de part et d'autre de l'emplacement que le composant 5 va occuper. Le pincement dudit bus 15 barre 3 par les pinces 17 est la première étape 101 du procédé de brasage 100 (figure 2). La deuxième étape 103 (figure 2) est représentée en figure 4. Cette deuxième étape 103 comprend essentiellement l'empilement des paillons métalliques 9, 11 et du composant 5 au niveau de l'emplacement final du composant 5, sur une première face d'une lame métallique du bus barre 3, ici la face supérieure. 20 A l'étape suivante 105, représentée en figure 5, un piston 19 est amené au contact du composant 5, de manière à exercer une force de maintien du composant 5, de manière à maintenir ledit composant 5 et les paillons 9, 11 en place. Le piston 19 et le composant 5 sont formés de sorte que le contact entre le composant 5 et le bus barre 3 se fait sur une surface étendue, de préférence plane, pour 25 améliorer la qualité de la brasure. En parallèle, les électrodes 13 sont apposées, toujours lors de la troisième étape 105, contre la face du bus barre 3 opposée à l'empilement 7 de paillons métalliques 9, 11 et du composant 5, ici la face inférieure. Les électrodes 13 sont placées environ à la périphérie de la surface que couvrent les paillons métalliques 9, 11 et la portion du 30 composant à braser sur le bus barre 3, de sorte que le courant produit entre les deux électrodes 13 chauffe principalement la portion de bus barre 3 située sous les paillons BRT0981 - CFR0525 métalliques 9, 11. L'écartement des électrodes 13 est par exemple de l'ordre de 0,5 à 5mm, voire jusqu'à lOmm. On exerce une pression sur les électrodes 13 afin d'assurer un bon contact électrique. La force exercée par les électrodes 13 sur le bus barre 3 est typiquement de l'ordre de 50daN à 200daN.

L'étape suivante 107 est alors l'injection du courant entre les électrodes 13. La figure 6 est un graphe montrant l'intensité I du courant au cours du temps. Le courant est envoyé sous forme d'impulsions. Dans le procédé, les impulsions de courant sont des créneaux : le courant augmente quasi instantanément, puis reste à un plateau à une valeur prédéfinie d'une durée 21T. Cette durée 21T comparée à la période T du signal permet de définir un taux de saturation a comme étant le quotient des deux, un taux de saturation de 0 signifiant une absence de courant, et un taux de 1 signifiant une émission continue de courant. La valeur maximale b peut être choisie d'environ 1000 à 5000 ampères, la durée d'impulsion 21T entre 5ms et 20ms, avec une période T double de 10 à 40ms (a vaut donc environ 0,5). De façon connue en soi, le courant passera préférentiellement dans le busbar et non dans le paillon, car le busbar a une conductivité très élevée par rapport à celle du paillon de brasure. Par exemple, la conductivité du paillon est six fois plus faible que celle du busbar.

Une première période C du chauffage est caractérisée par des impulsions à valeur maximale croissante jusqu'à atteindre une valeur maximale h. Ces impulsions conduisent à une élévation progressive de la température. La durée du train d'impulsion et la vitesse de croissance des impulsions sera donc choisie assez courte pour amener la partie de module 1 considérée à la température de brasage, sans toutefois qu'une quantité de chaleur trop importante ne soit communiquée alentour par conduction dans le métal, en particulier du bus barre 3. Une augmentation trop rapide de la température peut entrainer des différentiels de dilation qui peuvent détruire le composant. En outre, cette augmentation progressive de la température peut activer un flux qui permet un décapage de la surface. Un tel flux 30 peut être présent dans le paillon ou à une surface du paillon. Dans le cas où le métal BRT0981 - CFR0525 d'apport est de la pâte à braser, le flux peut être compris dans la pâte à braser. Cette première phase C est facultative. Une deuxième étape D, suivant immédiatement la première C est caractérisée par des impulsions constantes, à une valeur maximale b d'intensité. Ces impulsions 5 constantes permettent de maintenir la température suffisante au niveau de la portion de bus barre sous l'empilement 7 de paillons 9, 11. Par conduction, la chaleur générée au niveau de la portion de bus barre 3 entre les électrodes 13 atteint les paillons métalliques 9, 11 empilés sur celle-ci. La chaleur est alors communiquée aux paillons métalliques 9, 11, qui fondent et diffusent 10 partiellement dans les métaux à braser du bus barre 3 et du composant 5. Une dernière phase E se caractérise par des impulsions d'amplitude décroissante, à partir de h. Avec une valeur maximale qui diminue progressivement, la période finale E permet de ralentir le refroidissement de la portion de module 1 considérée. Cette phase 15 finale E de refroidissement ralenti permet une meilleure diffusion du métal des paillons de brasure 9 dans les pièces 3, 5 à braser, ce qui contribue à renforcer la brasure, tout en diminuant les contraintes qu'un refroidissement brutal fait subir aux matériaux. Si la géométrie des pièces 3, 5 à braser assure sans intervention extérieure un refroidissement assez lent, cette phase E peut être omise, au profit d'un simple 20 refroidissement sans apport de courant. La durée du refroidissement est par exemple de l'ordre de 0,2 à 2 secondes. Durant toutes ces phases C, D, le piston 19 maintient le composant 5 en position sur le bus-barre 3. De manière générale, le nombre d'impulsions, leur intensité, leur fréquence et 25 leur forme peuvent être ajustés pour répondre au mieux aux besoins du brasage. L'étape suivante 109 est le retrait des électrodes 13, des pinces 17 et du piston 19. Le brasage est alors terminée. A ce stade du brasage, les paillons métalliques 9, 11 ont fondu, une partie de la brasure ayant migré dans les pièces à braser 3, 5 par diffusion et formation d'une couche d'intermétalliques.

30 La première étape C de chauffage progressif et la dernière E de refroidissement progressif se font de manière générale en variant l'intensité moyenne du courant I BRT0981 - CFR0525 parcourant le bus-barre 3. Cette variation progressive est ici faite par modulation de l'amplitude des impulsions. En parallèle ou en alternative, la variation peut se faire par modulation de la largeur des impulsions (Pulse Width Modulation PWM). La figure 8 illustre un mode de réalisation alternatif du procédé de brasage 100 5 selon l'invention. La figure 8 est analogue à la figure 5, ne se différenciant de celle-ci que par la position des électrodes 13. Dans le mode de réalisation alternatif, il est en effet prévu de mettre les électrodes 13 en contact avec le bus-barre 3 par le côté portant le composant 5, et sur lequel ont été placés les paillons 9, 11 formant l'empilement 7, de part-et- 10 d'autre dudit composant 5. Le courant parcourt ainsi la portion de bus barre 3 située sous le composant 5 et l'échauffe. Dans le cadre d'un véhicule électrique, le module 1 peut par exemple être un module de commande du moteur électrique. Dans ce cas, le composant 5 est alors 15 typiquement une puce électronique de puissance, pour alimenter le moteur. Du fait que les électrodes 13 ne sont pas en contact direct avec le composant 5, celui-ci n'est pas parcouru par le courant I lors du brasage. En conséquence, le composant 5 ne risque pas de subir de dommages du fait dudit courant. Aussi, la chaleur produite par effet Joule l'est sur toute la portion du bus barre 3 20 entre les électrodes 13. Contrairement au brasage par laser, où seul le point d'impact du rayon laser est chauffé, la source de chaleur n'est pas ponctuelle, ce qui signifie que des températures locales moins importantes doivent être atteintes. Le procédé permet d'obtenir des températures plus homogènes dans le bus barre 3. On contrôle mieux la zone d'échauffement et on dégrade donc moins les matériaux environnant la brasure.

25 L'invention a été décrite pour un paillon de brasure. Cependant, le métal d'apport pourrait être différent, par exemple une pâte à braser. BRT0981 - CFR0525

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1) Procédé de brasage d'un composant électronique (5) sur une portion de bus barre (3) de module électrique (1), caractérisé en ce qu'il comporte des étapes dans lesquelles : au moins un métal d'apport (9) est disposé sur une face de la portion de bus barre (3), le composant électronique (5) est disposé sur le métal d'apport (9), des électrodes (13) sont amenées au contact du bus barre (3), de sorte à faire circuler un courant électrique dans le bus barre (3) sous le au moins un métal d'apport (9).
2. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable de fixation du bus barre (3) en le maintenant au moyen de deux pinces (17).
3. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire, préalable à celle d'établissement d'un courant électrique entre les électrodes (13), dans laquelle un piston (19) est amené au contact du composant électronique (5), de manière à le maintenir en position.
4. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le piston (19) et le composant électronique (5) sont configurés de sorte que le contact entre le composant (5) et le bus barre (3) se fait sur une surface étendue et plane.
5. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un paillon de compensation de dilatation (11) est disposé sur le au moins un métal d'apport (9) de façon à former un empilement (7).
6. 6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'empilement (7) est formé de couches alternatives de métal d'apport (9) et de paillons de compensation de BRT0981 - CFR0525dilatation (11), l'empilement (7) présentant des couches de métal d'apport (9) au niveau de ses extrémités.
7. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (13) sont placées à proximité de la surface du bus barre (3) recouverte par le composant électronique (5).
8. 8) Procédé selon la revendication 7 dans lequel les électrodes (13) sont placées sur la face opposée à celle sur laquelle le au moins un métal d'apport (9) a été disposé.
9. 9) Procédé selon la revendication 7 dans lequel les électrodes (13) sont placées sur la face sur laquelle le métal d'apport (9) a été disposé, de part et d'autre du composant (5).
10. 10)Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (13) comprennent des embouts réfractaires (15) à leur extrémité mise au contact du bus barre.
11. 11)Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les embouts réfractaires (15) sont des pastilles de tungstène.
12. 12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (13) comprennent des moyens de refroidissement.
13. 13)Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'établissement du courant comprend une phase initiale de chauffage (C) dans laquelle le courant moyen augmente progressivement. BRT0981 - CFR0525
14. 14)Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'établissement du courant comprend une phase (E) finale de refroidissement progressif, dans laquelle le courant moyen diminue progressivement. BRT0981 - CFR0525