WO1993008949A1

WO1993008949A1 - Installation de soudage a la vague

Info

Publication number: WO1993008949A1
Application number: PCT/FR1992/001006
Authority: WO
Inventors: Jacqueline Brizais
Original assignee: Jacqueline Brizais
Priority date: 1991-10-28
Filing date: 1992-10-28
Publication date: 1993-05-13

Abstract

L'invention concerne une installation de soudage à la vague munie d'un dispositif de contrôle de hauteur de vague. L'installation comprend une cuve (28) de liquide de soudage, un bac (32) disposé dans ladite cuve et muni d'un moins une buse de création d'une vague, des moyens propulseurs (52) pour provoquer le passage du liquide de soudure de ladite cuve dans ledit bac pour créer la vague et des moyens pour déplacer au-dessus de la buse une carte de circuit imprimé à souder. Elle comprend en outre un puits (70) ouvert à sa partie supérieure (72) et mis en communication avec ladite buse (36) par une conduite (76), de telle manière que ledit liquide de soudage remplisse ladite conduite et pénètre dans ledit puits, et des moyens (80) pour détecter le niveau (78) du liquide de soudage dans ledit puits.

Description

949 ,

INSTALLATION DE SOUDAGE A LA VAGUE

La présente invention a pour objet une installation de soudage à la vague et notamment un dispositif de contrôle de hauteur et de qualité de vague dans une telle installation.

Les installations de soudage à la vague sont bien connues maintenant. Elles comprennent essentiellement une enceinte allongée dans laquelle on déplace longitudinalement des cartes de circuit imprimé sur lesquelles des composants électroniques doivent être soudés. A l'intérieur de l'enceinte, on trouve un dispositif de création de vague qui sert à élaborer sur toute la largeur de la plaque de circuit imprimé une ou plusieurs vagues successives du liquide de soudure afin de réaliser le soudage des éléments de connexion des composants sur la carte. La machine de soudage à la vague comporte essentiellement un dispositif équipé d'une buse reliée à un bac d'alimentation en soudure liquide et qui permet de créer ou de former une vague qui vient lécher la face inférieure du circuit imprimé et les extrémités des éléments de connexion des composants qui font saillie dans cette face. Les cartes de circuit imprimé sont déplacées lentement devant la buse de formation de la vague de soudure liquide.

Le brevet français No. 2 572 969 décrit en particulier un dispositif pour le réglage de la génération d'une vague de soudure pour machine de soudage à la vague. Par ailleurs, il est connu que, pour obtenir une bonne qualité de soudage, il est nécessaire que la hauteur de la vague arrive entre les deux-tiers et les trois-quarts de l'épaisseur de la carte sur laquelle on veut souder les composants électroniques. L'épaisseur de la carte étant de l'ordre de 1,8 mm, on comprend que ce réglage est délicat. Certes, la carte est parfaitement positionnée par rapport au dispositif de création de vague à l'aide du convoyeur sur lequel la carte est montée mais le réglage effectif de hauteur de vague, le maintien constant de cette hauteur ainsi que le contrôle de la stabilité de cette vague durant les opérations successives de soudage sont critiques. Dans les installations connues jusqu'ici, le réglage de la hauteur de vague est effectué en commandant la vitesse de rotation de _M ,_non*n PCT/FR92/01006 93/08949

propulseurs, tels que des hélices qui entraînent la circulation du liquide de soudure entre une cuve de stockage et un bac de création de vague, c'est-à-dire le débit du liquide formant la vague. Le brevet français No. 8417448 décrit un tel dispositif de création de la vague. 5 On comprend qu'avec les techniques antérieures, en contrôlant de façon très précise dans une phase initiale la vitesse de rotation des propulseurs, on peut définir très précisément la hauteur de vague initiale mais cette hauteur risque d'être modifiée au cours de l'utilisation de la machine du fait par exemple de la modification de la vitesse de rotation 10 effective des propulseurs ou de certaines instabilités de circulation du liquide de soudure.

En outre, dans le cas où des composants sont montés sur la face inférieure de la carte, c'est-à-dire celle qui est tournée vers le dispositif de création de vague, il est particulièrement important de contrôler la 15 pression de la vague sur la face inférieure de la carte afin de chasser les bulles de gaz qui peuvent rester emprisonnées entre les composants et la face inférieure de la carte. En effet, la présence de bulles d'air ou d'azote ou de micro-bulles d'air ou d'azote risque d'altérer très sensiblement la qualité de la soudure obtenue. 20 II est également important d'assurer une grande stabilité à la vague en évitant la formation de vibrations ou de remous incontrôlés.

Pour remédier à ces inconvénients, un objet de la présente invention est de fournir une installation de soudage qui comprenne un dispositif de contrôle de hauteur de vague permettant à chaque instant

25 de contrôler la hauteur effective de la vague afin de la ramener à sa

. valeur de consigne.

Pour atteindre ce but, selon l'invention, l'installation de soudage à la vague comprenant une cuve de liquide de soudage, un bac disposé dans ladite cuve et muni d'au moins une buse de création d'une vague, 30 et des moyens pour provoquer le passage du liquide de soudure de ladite cuve dans ledit bac pour créer la vague et des moyens pour déplacer au-dessus de la buse une carte de circuit imprimé à souder, se caractérise en ce qu'il comprend un puits ouvert à sa partie supérieure et mis en communication avec ladite buse par une conduite de telle 35 manière que ledit liquide de soudage remplisse ladite conduite et pénètre dans ledit puits et des moyens pour détecter le niveau libre du liquide de soudage dans ledit puits.

Comme la carte de circuit imprimé recouvre la totalité de la vague formée par la buse, on comprend que la mesure de la hauteur de la surface libre du liquide de soudure dans le puits de détection donne non seulement une indication sur la hauteur de la vague mais également sur une éventuelle surpression exercée par celle-ci sur la face inférieure de la carte de circuit imprimé.

Selon un mode préféré de mise en oeuvre, les moyens de mise en circulation du liquide de soudure comportent un propulseur dont la vitesse de rotation est commandée en fonction de la mesure de hauteur fournie par les moyens de détection.

Avant d'introduire la carte de circuit imprimé dans l'installation de brasage ou de soudage à la vague, on procède à son dégazage. Pour cela, les cartes sont étuvées mais il reste toujours de l'humidité emprisonnée dans celles-ci, notamment dans les zones où doit être réalisée la soudure. La présence d'air humide lors de l'opération de soudage ou de brasage entraîne bien sûr des défauts (occlusions) dans la soudure et en particulier une fragilisation de celle-ci. En outre, l'environnement dans lequel est effectuée la soudure favorise l'oxydation du mélange étain/plomb, ce qui est évidemment défavorable. En outre, l'oxyde d'étain ou de plomb qui est ainsi formé a tendance à retomber dans le bac qui contient le liquide de soudure altérant ainsi la qualité de celui-ci et entraînant de fréquentes opérations de nettoyage.

Après l'opération de soudage ou de brasage à la vague, il est bien sûr nécessaire de procéder au contrôle des soudures ainsi réalisées. Actuellement, ce contrôle est effectué par inspection par vision directe. Ce contrôle est donc long et relativement aléatoire. On envisage dans certaines installations d'effectuer un contrôle par laser ou par rayon X. Ces solutions présentent l'inconvénient d'être lentes et chères. Il serait donc très intéressant de disposer d'une technique de soudage ou de brasage qui assure la réalisation de soudures correctes avec une probabilité suffisante pour permettre d'alléger les contrôles à effectuer. Pour remédier aux inconvénients des techniques connues, un autre objet de la présente invention est de fournir une installation de soudage à la vague du type mentionné ci-dessus qui permette durant l'opération même de soudage d'éviter tout phénomène d'oxydation tout en réalisation un dégazage très poussé des cartes de circuit imprimé avec leurs composants à souder, et qui permette en outre d'obtenir une vague plane et exempte de vibrations ou de remous.

Pour atteindre ce but, l'installation de soudage à la vague, selon l'invention, qui comprend une enceinte munie d'une entrée et d'une sortie pour les cartes de circuit imprimé à souder, des moyens pour créer une vague de liquide de soudure et des moyens convoyeurs pour déplacer lesdites cartes entre ladite entrée et ladite sortie en passant au- dessus des moyens de formation de la vague de soudure, se caractérise en ce qu'en outre ladite enceinte est étanche et en ce que ladite installation comprend en outre des moyens pour créer dans ladite enceinte un vide au moins égal à 10^~1 mbar. On comprend qu'ainsi en maintenant dans l'enceinte de l'installation de soudage un vide relativement poussé durant la phase active de soudage, d'une part, on évite tout phénomène d'oxydation du liquide de soudage du fait de la teneur en oxygène nécessairement très réduite. D'autre part, le vide créé permet de parfaire le dégazage de la carte de circuit imprimé et des composants qui doivent être fixés sur celle-ci, ce dégazage ayant été initié préalablement lors de la face d'étuvage.

De plus le vide poussé créé dans l'enceinte permet de stabiliser la vague en évitant la formation de remous ou de vibrations. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, le vide créé dans l'enceinte est de préférence de l'ordre de 10~2 mbar.

Selon un premier mode de réalisation, l'enceinte étanche est fixe et reliée de façon étanche à la cuve et ce sont les moyens convoyeurs des cartes de circuit imprimé qui peuvent pivoter autour d'un axe horizontal.

Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens pour créer une vague de liquide soudure comprennent une cuve fixe ouverte à son extrémité supérieure contenant ledit liquide de soudage, l'enceinte est montée pivotante autour d'un axe horizontal perpendiculaire à la direction de déplacement des cartes dans l'enceinte et l'enceinte comporte une ouverture en regard de l'ouverture de ladite cuve, l'ouverture de l'enceinte étant entourée par une jupe tournée vers l'extérieur de celle-ci, l'extrémité libre de ladite jupe pénétrant dans le liquide de soudage contenu dans la cuve qu'elle que soit la position de ladite enceinte. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 est une vue de dessus d'une installation de soudage à la vague montrant l'implantation du dispositif de contrôle de hauteur de vague ;

- la figure 2 est une vue en coupe verticale selon la ligne II — II de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe partielle selon la ligne III de la figure 1 montrant en détails le dispositif de mesure de hauteur de vague ;

- la figure 4 est une vue de dessus montrant une variante de réalisation de l'installation de soudage ; - la figure 5 est une vue en coupe verticale de l'installation de la figure 4 ; et

- la figure 6 est un schéma montrant la régulation de la hauteur de vague.

En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2, on va décrire l'ensemble d'une installation de soudage à la vague selon un premier mode de réalisation. Cette installation se caractérise essentiellement en ce que son enceinte est étanche et en ce qu'on réalise un vide poussé à l'intérieur de cette enceinte durant la phase de soudage afin d'éviter d'une part l'oxydation des éléments conducteurs et d'autre part la présence de bulles de gaz lors de l'opération de soudage.

On va décrire rapidement l'ensemble de cette installation. L'enceinte étanche 10 de forme allongée comporte un sas d'entrée 12 et un sas de sortie 14. A l'intérieur de l'enceinte, on trouve des convoyeurs auxiliaires 16 et 18 et un convoyeur principal 20 qui permet de déplacer une carte de circuit imprimé 22 depuis l'entrée de l'enceinte jusqu'à sa sortie en passant au-dessus d'un ensemble de création de vague portant la référence générale 24. Pour permettre l'inclinaison ou la modification de l'inclinaison de la carte de circuit imprimé lors de l'opération de soudage, l'ensemble de l'enceinte 10 peut pivoter autour d'un axe horizontal 26. Comme on l'expliquera ultérieurement plus en détails, le dispositif de création de vague comporte une cuve fixe externe 28 remplie du liquide de soudure 30 et dans laquelle est montée un bac de création de vagues 32. Dans l'exemple considéré, le bac est associé à deux buses de création de vague 34 et 36. Pour maintenir l'étanchéité, l'enceinte 10 comporte une jupe 40 qui pénètre en permanence dans le liquide de soudure 30 contenu dans la cuve 28. En outre, pour créer un vide à l'intérieur de l'enceinte 10 lors de l'opération de soudage, cette enceinte est reliée par une canalisation 41 à une pompe à vide 42. Sur la figure 1, on a également représenté dans le bac 32 et la cuve 28 des propulseurs 44 et 46 pour le liquide de soudure entraînés par des moteurs 48 et 50.

En se référant maintenant à la figure 3, on va décrire un mode préféré de réalisation du dispositif de contrôle de hauteur de vague. Bien entendu, ce dispositif pourrait être prévu dans une installation de soudage à la vague d'un type différent de celui qui a été décrit précédemment et notamment dans laquelle il n'est pas fait un vide lors de l'opération de soudage.

Sur cette figure 3, on a représenté la cuve 28 avec le liquide de soudure 30 et le bac interne 32 d'où sort une des buses, par exemple la buse 36, de formation de vague. Sur cette figure, et sur un prolongement 50 du bac 32, on a représenté plus en détails le propulseur 44. Celui-ci comporte à son extrémité inférieure une hélice 52 montée dans un compartiment 54 qui fait communiquer l'intérieur du bac 32 avec l'intérieur de la cuve 28. On comprend que, par la mise en rotation de l'axe 56 du propulseur 44, on provoque le passage d'une quantité de liquide de soudure de la cuve à l'intérieur du bac 32 et donc dans la buse 36 de formation de vague. On comprend également que, en réglant la vitesse de rotation de l'axe 56, on définit le débit de liquide de soudure pénétrant dans le bac 32 et donc la buse 36. Sur la figure, on a représenté schématiquement une poulie 58 montée sur la deuxième extrémité de l'axe 56 qui est reliée cinématiquement à un moteur 60 à vitesse variable. Sur la figure 3, on a également représenté, disposée immédiatement au-dessus de la buse 36 de formation de vague, une carte 22 à circuit imprimé. Comme cela est bien connu la carte 22 est montée sur un cadre support 62. Le cadre support 62 est lui-même porté par le convoyeur principal 20 des figures 1 et 2. Comme le montre mieux la figure 3, la carte recouvre la totalité de la section de sortie 36a de la buse 36. En outre, on voit mieux sur cette figure que la position du convoyeur principal 20 définit la position de la carte 22 par rapport au bord 36a de la buse 36. Pour mesurer la hauteur de vague, l'intérieur de la buse 36 est relié à un puits de mesure 70 dont l'extrémité supérieure 72 est ouverte et dont le fond fermé 74 est raccordé à l'intérieur de la buse 36 par une canalisation en charge 76. On comprend aisément que la hauteur de la surface libre 78 du liquide de soudure dans le puits 70 correspond exactement à la hauteur de la vague tant que celle-ci n'est pas soumise à une pression du fait de la présence de la carte 22. On comprend donc qu'en détectant la position de la surface libre 78 du liquide de soudure dans le puits 70, on en déduit une information correspondant à la hauteur de vague ou à la pression qu'exerce la vague sur la carte de circuit imprimé. Pour détecter cette hauteur, le dispositif de mesure comporte un capteur de distance 80 qui mesure la hauteur de la surface libre 78 par rapport à une référence fixe et transmet un signal électrique à un circuit de commande 82, ce signal électrique étant représentatif de la hauteur de la surface 78. Le circuit de commande 82 commande la vitesse de rotation du moteur 60 et donc la vitesse de rotation du propulseur 52. On peut ainsi adapter en permanence la vitesse de rotation du propulseur et donc le débit d'entrée du liquide de soudure dans le bac 32 à la hauteur effective de vague afin de corriger les fluctuations éventuelles de celle-ci en cours d'opération de soudage. Le capteur de distance 80 est de préférence du type inductif puisque le liquide de soudure est métallique. Un tel capteur présente le double avantage d'être insensible à la température du liquide qui peut être de l'ordre de 230"C à 260^*C et d'être sans contact avec le liquide. Ce deuxième point est très important car, en cas de contact, le phénomène de capillarité fausserait la mesure. Avec un tel capteur, on peut mesurer des distances entre 7 et 14 mm avec une précision du centième de millimètre.

Ce contrôle de hauteur de vague permet de régler la pression du liquide de soudure sur la face inférieure de la carte de circuit imprimé 22, ce qui permet d'éliminer la présence éventuelle de bulles d'air. Il faut toutefois noter que, dans le cas de l'installation décrite en liaison avec les figures 1 et 2, le fait que l'enceinte 10 soit maintenue sous un vide poussé permet déjà de régler le problème de dégazage de la carte de circuit imprimé. On comprend également que ce système de détection permet, par commande du propulseur 52, d'adapter le niveau de la vague par rapport à la position de la carte 22 de telle manière que la hauteur de vague soit maintenue entre deux-tiers et trois-quarts de l'épaisseur de la carte à circuit imprimé comme cela a été expliqué précédemment. La figure 6 illustre la régulation de la hauteur de vague du liquide de soudure. Sur cette figure, on a représenté schématiquement l'enceinte étanche 10, la buse de création de vague 36, le puits de mesure 70, le détecteur analogique 80, le propulseur 52 et le moteur d'entraînement 60. Ce dernier est relié au propulseur 52 par un accouplement magnétique 81. Le moteur 60 est associé à un détecteur tachymetrique 83.

La sortie analogique du détecteur de niveau 80 est reliée à une entrée d'un circuit soustracteur 85 dont l'autre entrée reçoit le signal analogique C de consigne de hauteur de vague. La sortie du circuit 85 délivre un signal analogique d'erreur qui est appliqué à l'entrée 87 du

• circuit électronique de régulation 89. La sortie 91 du circuit 89 commande l'alimentation du moteur 60 et l'entrée 93 est reliée à la sortie du détecteur tachymetrique 83 pour réguler la vitesse de rotation du moteur. Le circuit 89 convertit le signal d'erreur délivré par le circuit 85 en un signal de commande du moteur 60 afin d'asservir la hauteur de vague à la valeur de consigne C.

Pour obtenir une régulation du niveau de vague ou plus précisément de la pression exercée par la vague sur la face du circuit imprimé tourné vers la vague, il est d'une part nécessaire de maintenir la carte parfaitement plane. Cela peut être obtenu à l'aide d'éléments mécaniques connus appelés chariot de soudage. Il faut également procéder au réglage de la référence de position de la carte par rapport à la buse de formation de vague.

Avec cette technique, on peut obtenir un réglage de la hauteur de vague à 0,1 mm près et en conséquence de la pression sur la carte. En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on va décrire un deuxième mode de réalisation de l'installation.

Selon ce mode de réalisation, l'enceinte étanche 80 est fixe et montée sur la cuve 82 également fixe contenant le liquide de soudure 84. Dans le fond 86 est ménagée une ouverture 88 faisant communiquer l'intérieur de l'enceinte 80 avec la cuve 82. Un joint d'étanchéité 90 est interposé entre le fond de l'enceinte et la périphérie de la cuve. L'enceinte 80 est munie d'un convoyeur longitudinal 92 qui s'étend de la porte d'isolement d'entrée 94 à la porte d'isolement de sortie 96. Comme dans le cas du premier mode de réalisation, le convoyeur 92 passe au-dessus d'un dispositif de création de vague constitué par un bac 98 comportant deux buses 100 et 102 de création de vague.

Egalement comme dans le cas du mode de réalisation des figures

1 et 2, l'enceinte 90 est reliée à une pompe à vide 104 par une conduite

106 munie d'une électrovanne 108. De même une réserve de gaz inerte, par exemple de l'azote, non représentée, est reliée à l'enceinte 80 par une deuxième électrovanne 110.

L'entraînement du convoyeur 92 est réalisé par un premier moteur 112 associé à une transmission 114. Le moteur 112 est solidaire d'une plate-forme 120, elle-même solidaire de la partie immobile du convoyeur. Le convoyeur 92 peut pivoter autour de l'axe horizontal afin de régler l'inclinaison du convoyeur 92 et donc celle de la carte de circuit imprimé au-dessus des buses 100 et 102 de formation de vagues de soudure.

Pour commander ce pivotement, il est prévu un deuxième moteur 122 monté sur la plate-forme 120. Le moteur 122 entraîne une came 123 qui coopère avec un rail 126 solidaire du fond de l'enceinte 80. En commandant la rotation de l'arbre du moteur 122 et donc la position de la came 124, on règle avec une grande précision l'inclinaison du convoyeur 92. L'installation est également munie d'un dispositif de détection de hauteur de vague identique à celui qui est représenté sur les figures 3 et 6. On a seulement symbolisé par 70 le puits de mesure.

Le fonctionnement de l'installation de soudage et/ou de brasage selon les figures 4 et 5 est exactement identique à celui du mode de réalisation des figures 1 et 2. Seul le mode de réglage initial de l'inclinaison du convoyeur diffère.

Il va également de soi que le détecteur de niveau peut être monté sur le bas d'une installation de soudage à la vague dans laquelle l'enceinte est fixe et c'est le convoyeur qui peut pivoter à l'intérieur de l'enceinte.

Claims

REVENDICATIONS

1. Installation de soudage à la vague comprenant une enceinte externe, une cuve de liquide de soudage, un bac disposé dans ladite cuve et muni d'au moins une buse de création d'une vague, des moyens propulseurs pour provoquer le passage du liquide de soudure de ladite cuve dans ledit bac pour créer la vague et des moyens convoyeurs pour déplacer au-dessus de la buse une carte de circuit imprimé à souder, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un puits (70) ouvert à sa partie supérieure (72) et mis en communication avec ladite buse (36) par une conduite (76) de telle manière que ledit liquide de soudage remplisse ladite conduite et pénètre dans ledit puits, et des moyens (80) pour détecter le niveau (78) libre du liquide de soudage dans ledit puits.

2. Installation de soudage selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens (44, 52) pour provoquer le passage du liquide de soudure comportent des moyens (60) de commande de débit contrôlés en fonction de ladite mesure de hauteur de la surface libre dans ledit puits (70).

3. Installation de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de détection du niveau comprennent un capteur inductif (80) monté en regard de l'extrémité ouverte (72) dudit puits (70).

4. Installation de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite enceinte (10, 80) est étanche et en ce que ladite installation comprend en outre des moyens (64, 104) pour créer dans ladite enceinte une pression au plus égale à 10"¹ m bar.

5. Installation de soudage selon la revendication 4, caractérisée en ce que la pression créée dans ladite enceinte est de l'ordre de 10^~2 mbar.

6. Installation de soudage à la vague selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que lesdits moyens pour créer une vague de liquide de soudure comprennent une cuve fixe (40) ouverte à sa partie supérieure contenant ledit liquide (41), en ce que ladite enceinte (10) est montée pivotante autour d'un axe horizontal (34) perpendiculaire à la direction de déplacement desdites cartes dans ladite enceinte, en ce que ladite enceinte comporte une ouverture en regard de l'ouverture de ladite cuve, l'ouverture de ladite enceinte étant entourée par une jupe (58) faisant saillie vers l'extérieur de ladite enceinte, l'extrémité libre de ladite jupe pénétrant dans le liquide de soudure (41) contenu dans ladite cuve (40) quelle que soit la position de ladite enceinte.

7. Installation de soudage à la vague selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que ladite enceinte (80) est fixe, en ce que lesdits moyens pour créer une vague de liquide de soudure comprennent une cuve fixe (82) ouverte à sa partie supérieure, en ce que ladite enceinte (80) comporte une ouverture en regard de l'ouverture de ladite cuve et en ce que ladite enceinte est reliée de façon étanche (90) à ladite cuve.

8. Installation de soudage à la vague selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens convoyeurs (92) peuvent pivoter autour d'un axe horizontal perpendiculaire à la direction de déplacement des cartes de circuit imprimé.