WO1998049725A1 - Procede de realisation de billes de connexion sur des circuits ou des composants electroniques - Google Patents

Procede de realisation de billes de connexion sur des circuits ou des composants electroniques Download PDF

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WO1998049725A1
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balls
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Francis Bourrieres
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing and soldering electrical connection balls on reception areas for electrical connection of circuits or electronic components.
  • the present invention also relates to the device for implementing the method which is the subject of the invention. invention.
  • the second known technique consists in making the beads directly from reflow of 0 solder cream deposited by screen printing on the receiving areas of the component.
  • solder cream consists of approximately 50% by volume of metallic part and the rest of organic part or flux necessary to transfer the cream properly by screen printing giving it the appropriate rheology. After reflow, only the metallic part of the volume deposited in each opening of the stencil participated in the constitution of the ball by coalescence.
  • the desired dimensional requirements of the balls and the PAS between the balls lead to defining a maximum opening of the stencil and the thickness thereof.
  • Patent EP 0 753 988 describes a process for forming solder balls on a substrate. This method consists in using one or more stencils (10) provided with orifices (14) into which solder cream (18) is introduced. The bottom of the stencil holes is obstructed by a thin plate (12). The cream filling the orifices is melted to separate the metallic part, suitable for soldering, from the impurities (24) which rise to the surface. To prevent the weld plug formed from falling off when removing the plate (12), the upper end of the holes in the stencil is covered by another plate (26) and then the stencil is turned over.
  • the plate (12) can then be removed. After a further inversion, the orifices of the stencil are positioned above the parts to be welded. When the temperature rises, the solder plugs melt and settle on the area to be welded in the form of a ball.
  • US Pat. No. 5,346,118 describes a method of assembling by soldering electronic components and a method of forming solder balls on one or both components with a view to their assembly.
  • solder balls are produced from a stencil provided with conical or pyramidal orifices filled with soldering cream.
  • This patent gives a lot of information on the shape of the holes in the stencil and on the composition of the soldering cream, but imprecisely defines the process for producing the beads.
  • This patent US Pat. No. 5,346,118 describes a means for depositing enough solder paste on a substrate to form beads of sufficient size by reflow.
  • the inventor found a means allowing the release of the soldering cream by means of conical openings.
  • This patent shows a conventional and known screen printing which consists in: 1 ° - depositing the soldering cream by screen printing on a substrate; 2 ° - remove the stencil at room temperature and before reflow; 3 ° - carry out the reflow.
  • US Patent 5,658,827 describes a method for producing solder balls on a substrate by using a stencil.
  • the ball will naturally seek an equilibrium position and therefore will take a non-spherical position allowing it to balance the surface tensions exerted in this case in a non-symmetrical manner.
  • the balls should theoretically find their equilibrium position and adopt perfectly aligned positions and spherical shapes.
  • the second reflow is not sufficient in itself, the flow having been denatured and eliminated by cleaning, the result obtained will not be perfect both in terms of the alignment of the balls and their sphericity and / or their height or diameter.
  • the invention relates to a method for obtaining very regular balls and with excellent alignment along the axes "x" and "y” defining the plane on which they rest.
  • the method according to the invention for producing and soldering electrical connection balls, on reception areas for electrical connection of electronic components is essentially characterized in that:
  • a suitable rheology solder cream comprising metallic microbeads capable of agglomerating by coalescence and of brazing on the metallic reception area and a binder;
  • the stencil used for this purpose has a thickness and dimensions of opening and spacing between them determined according to the pitch of the balls to be produced and their desired diameter;
  • the stencil is held in place on the component and it is separated from the component during or after reflow but before solidification of the balls, the latter still being in the liquid state so that the balls in formation find themselves their position of equilibrium;
  • a minimum area of reception area placed opposite the molten alloy is sufficient to retain the molten alloy during removal of the stencil.
  • the ball or balls When removing the stencil, the ball or balls deform as a function of the stresses they undergo as a result of friction on the walls of the openings of the stencil as well as by the surface energy of these walls.
  • the stencil used by the invention being non-wettable and having a low surface energy, the beads remain attached to their receiving ranges.
  • the ball When the ball is released from the opening of the stencil where it was created, it can take its final place by itself perfectly in the center of the reception area and acquire a perfect spherical shape because the molten alloy does not undergoes more mechanical action, neither by the stencil, nor by the binder or flux residues because these are at this time in the liquid state and because they have a density significantly lower than the molten alloy.
  • FIG. 3 to 5 show an embodiment of the connection balls according to the method of the invention with a mold stencil
  • Figures 10 and 11 show by way of nonlimiting example a device for implementing the method of the invention.
  • Figure 1 is shown an operation for producing and soldering an electrical connection ball 1 on a metal receiving surface 2 of an electronic component 3 (not shown to simplify Figure 1 and Figure 2).
  • soldering cream with suitable rheology comprising metallic microbeads capable of agglomerating into a ball by hot coalescence during the reflow liquefying the microbeads and of brazing on the reception area 2 and a binder organic or flux which will be denatured by the reflow and which will have to be evacuated after this, when the ball (s) 1 are solidified by a cleaning operation.
  • Use is made of at least one stencil 4 having a thickness and dimensions of opening 5 and spacing between them determined according to the pitch of the balls to be produced and their desired diameter.
  • the openings 5 of the stencil are filled with soldering cream by means of a doctor blade 6 or equivalent (not shown in Figures 1-2).
  • the ball will naturally seek an equilibrium position and therefore will take a non-spherical position allowing it to balance the surface tensions as well as the stresses induced by the mold being exerted in this case not symmetrical.
  • the balls should theoretically find their equilibrium position and adopt perfectly aligned positions and spherical shapes.
  • the second reflow is not sufficient in itself, the flow having been denatured and eliminated by cleaning, the result obtained will not be perfect both in terms of the alignment of the balls and their sphericity and / or their height or diameter.
  • this two refusal process appears to be particularly complex.
  • the final result obtained is only apparently satisfactory; in fact, on the one hand, the two successive thermal reflow cycles can be detrimental to the service life of the component, in particular if a chip is mounted on the substrate before the production of the beads and, on the other hand, two successive fusions are likely to increase the thickness of intermetallic between the ball and the receiving range, which can affect the mechanical strength of the ball on the reception range.
  • Figure 1 shows an offset of the stencil in the case of a pitch of 1 mm; in this case, the ball is well hung on the reception area.
  • Figure 2 shows an offset of the stencil of a value identical to Figure 1; but in this case, it is a step of 0.8 mm; the surface hanging on the beach is much smaller.
  • the misalignment between the stencil and the receiving surfaces of the component can result from a bad positioning of the stencil or be linked to the differential expansion between the stencil and the substrate during the heating generating the reflow.
  • these misalignments of the balls and these differences in height of the balls are generated by the mechanical stresses imposed on the one hand by the flux residues (represented at 7 in Figures 1/2 ) and on the other hand by the walls of the mold stencil, the constraints being shown diagrammatically by the arrows when the latter separates from the microbead alloy during the transition to the liquid state and which occupies in the opening 5 of the mold part of the cavity, which generates stresses during solidification, on the molten alloy.
  • a single operation of reflowing the cream by heating is carried out.
  • the stencil-mold 4 is held in place on the component and it is removed or separated from the component 3 during or after the remelting but before solidification of the balls, the latter being still in the liquid state so that they find their own position of equilibrium.
  • a minimum area of reception area 2 placed opposite the molten alloy is sufficient to retain the ball when removing the stencil.
  • FIG. 3 is shown the filling with the soldering cream of the openings 5 of the stencil 4 placed on the electronic component or substrate, the openings being opposite the metallic reception areas 2.
  • FIG. 4 shows diagrammatically the formation of the balls 1 by coalescence during the hot reflow, the stencil-mold 4 being in place.
  • Figure 5 shows schematically the removal of the stencil-mold 4 during or after remelting and before solidification of the balls 1.
  • the molten alloy in contact with the receiving area wettable metal takes the form of a sphere or a spherical cap because it is in this configuration that the surface tensions are reduced to the minimum; on the other hand if the slightest mechanical stress is applied to the molten alloy, it will take a random shape and solidify in this random shape.
  • oxides are present during remelting, they will also cause stresses which will deform the spherical cap, hence the need for flux to strip the surfaces.
  • the flux or binder which has been denatured is removed by cleaning.
  • FIG. 6 to 9 is shown another embodiment of the invention according to the method of the invention; use is made of a soldering cream as mentioned above which is deposited on the reception areas of the component by screen printing.
  • the first stencil 4 said to be thick is the one used in the previous case.
  • the second so-called transfer stencil 8 is a very fine stencil.
  • the thickness H1 of the first stencil and the dimensions of its openings are determined according to the PAS of the balls to be produced and their diameter.
  • the openings of the second stencil 8 are identical in shape to those of the first stencil 4 with which they overlap.
  • the second stencil 8 is removed. A hot reflow is made with the first stencil 4 remaining in place on the component.
  • the first stencil is removed before solidification, either after or during the melting, which is commonly called remelting during the liquid phase of the beads and cleaning of the denatured binder is carried out after the beads have solidified.
  • the first stencil 4 according to the invention is capable of withstanding the reflow temperature. It must be made of a material which cannot be soldered with the cream.
  • the first stencil is made of stainless metal, for example titanium or steel or a synthetic material, for example teflon.
  • the first stencil is made of stainless metal, for example stainless steel or titanium, or of a synthetic material, for example of teflon, or it can be made of a polyamide resin or of an epoxy resin, or of a non-wettable and non-solderable synthetic material loaded. glass fibers.
  • the stencil 4 can be of the same nature or of an equivalent nature to that of the substrate or component 3 to which it is applied.
  • the stencil 4 is made of a material having a low surface energy.
  • the second stencil 8 can be of any material traditionally used for the production of stencils, for example metal or polyester.
  • the second stencil has the function of allowing a transfer completely filling the openings of the first stencil by masking certain areas, if desired.
  • the ball in the liquid state deforms according to the stresses it undergoes due to friction on the walls of the cavity formed by the corresponding opening of the stencil- mold as well as by the surface energy of the walls, however, the stencil according to the invention not being wettable by the alloy in the liquid state, the ball remains attached to the reception area.
  • the method according to the invention allows for example the production of beads in the following configurations:
  • the JEDEC standard requires a respective height of balls of 0.60 and 0.50 mm with a tolerance of plus or minus 0.1.
  • Ts Upper tolerance
  • Ti Lower tolerance
  • ⁇ y Standard deviation
  • x Average of values
  • Cp process capability
  • the values of Cpk> 1.33 show that the process allows the dimension of the spherical caps to be well controlled.
  • the stencil 4 or stencil-mold or stencil of thickness is made of a non-wettable synthetic material of the epoxy resin or polymide or teflon resin loaded or not with glass fibers. Fiberglass provides rigidity to the stencil even in the smallest thicknesses.
  • the epoxy resin or the polymer resin has the advantage of being a product with low surface energy. The higher the surface energy of a material, the more a liquid will adhere to it and vice versa.
  • the surface energy of metals is relatively large, greater than 1000 millijoules per m2 while organic materials of the epoxy resin or polymide resin type have a surface energy of the order of 50 millijoules per m2, which allows a easy separation of the molten alloy and the stencil.
  • metallic materials can exhibit physical and chemical heterogeneities (cracks, oxidations) which can cause the molten alloy to become attached.
  • stencils made of materials of the above-mentioned type, epoxy resin or polymide is that the substrate used as the base of the components is generally of the same nature or equivalent, for example made of epoxy resin or polymide and that it has a coefficient of equal expansion or close to that of the stencil material.
  • This arrangement of the invention makes it possible, when the substrate and stencil assembly is subjected to the reflow temperature which is of the order of 220 ° centigrade, to avoid a problem of differential expansion generating misalignment which would not fail to occur. show if the substrate and stencil materials had different coefficients of expansion.
  • Figures 10 and 11 is shown by way of non-limiting example a device for implementing the method of the invention.
  • the device comprises a molded stencil 4 and an upper stencil 8, as in the exemplary embodiment of FIGS. 6 to 9.
  • the stencil 4 is suspended on a mesh fabric of stainless steel wires 9 itself stretched over a rigid frame 9A preferably metal.
  • the whole is perfectly flat and undeformable; only the stencil 4 is deformed in the same plane by surface expansion when it is brought to temperature.
  • the circuit 3 which must receive the balls 1 is placed on a support 10 to compensate for the differences in height and to be located with precision.
  • the support 10 is itself placed on a plate 11 for handling the assembly in the screen printing machine and in the oven.
  • the frame 9A acting as a stencil holder, is connected to the plate 11 by an articulation 12.
  • the stencil 4 being suspended on the stainless steel mesh 9 of the frame 9A, it can be perfectly plated on the substrate during the screen printing and reflow phase of the soldering cream, which makes it possible to obtain that the alloy microbeads cannot migrate under the stencils 4 and 8 and this gives the certainty that the solder cream present in the openings of the stencil 4, always remains in contact with the reception areas to allow an exchange of calories and the attachment between the reception areas and the solder cream.
  • the alloy ball which will be formed will be surrounded by flux residues and will remain in the stencil. It is therefore important that the stencil of thickness 4 or stencil-mold is pressed on the substrate 3, while leaving a relative freedom of movement between the stencil and the substrate in the x, y plane in order to avoid any stress during the rise in temperature, in particular if it is not perfectly homogeneous over the entire surface.
  • the stainless steel mesh 9 stretched over the frame 9 allows this plating with freedom of movement.
  • This stainless steel mesh 9 is an elastic connection between the support frame 9A and the stencil of thickness 4 which therefore always remains flat and taut and does not curl.
  • this stainless steel mesh plays the role of thermal brake between the frame and the stencil thickness, that is to say that if the support frame which has a significant thermal mass is not at the same temperature as the stencil d 'thickness and the substrate, it will not thermally disturb the stencil thickness.
  • the stencil holder 9A is pressed onto the support 11.
  • the stencil 4 is under pressure on the circuit 3.
  • This assembly is oriented towards the reflow oven, an appropriate thermal profile makes it possible to bring the solder cream to the liquid state.
  • the part must be warmed up in a controlled manner to allow progressive evaporation of the solvents present in the soldering cream without boiling and that, on the other hand, the flux residues can rise to the surface, if these two points are not reached, the alloy will not remain in contact with the reception area and consequently, the alloy ball will remain hung in the stencil. Cooling should also be done in a controlled and gradual manner to avoid problems of settling.
  • a mechanical device not shown makes it possible to gradually separate the stencil holder 9A from the circuit support 3 by rotation around the joint 12. The balls are thus very gently separated from the stencil from front to back. After the end of the separation, the whole must still be kept in fusion for at least 5 seconds so that the last separated balls can reposition well and form.
  • the cleaning is carried out preferably after the separation of the circuit from its support. Each part is cleaned separately.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation et de brasage de billes (1) de connexion électrique sur des plages d'accueil (2) de raccordement électrique de circuits ou de composants électroniques (3). La présente invention concerne en outre le dispositif de mise en oeuvre dudit procédé. Le procédé selon l'invention se caractérise essentiellement en ce que: le remplissage des ouvertures du pochoir (4) au moyen d'un racle (6) ou équivalent et la refusion à chaud sont effectués avec le pochoir en place au-dessus du substrat; le pochoir (4) étant en place sur le composant (3) pendant la refusion est séparé du composant après la refusion mais avant solidification des billes (1), celles-ci étant encore en l'état liquide en sorte que les billes en formation trouvent leur position d'équilibre et leur forme sphérique rigoureusement identiques quelque soit leur nombre; après solidification des billes, un nettoyage du liant dénaturé est effectué.

Description

PROCEDE DE REALISAΗON DE BILLES DE CONNEXION SUR DES CIRCU-TS OU DES COMPOSANTS ELECTRONIQUES
La présente invention concerne un procédé de réalisation et de brasage de billes de connexion électrique sur des plages d'accueil de raccordement électrique de circuits ou de composants électroniques- La présente invention concerne également le 0 dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de 1 ' invention.
Il est connu de réaliser la connexion électrique des composants électroniques au moyen de billes métalliques- Une des techniques connues consiste à fabriquer les billes 5 puis à les poser sur les composants- Ces billes sont fabriquées séparément au diamètre voulu en un alliage par exemple d'étain et de plomb.
Elles sont prélevées par un dispositif mécanique puis trempées dans du flux et enfin, elles sont déposées sur les o plages d'accueil du composant.
Le passage dans un four assure le brasage. Ce procédé a l'avantage d'obtenir des billes parfaitement calibrées. Cependant, la réalisation de ces billes est coûteuse. Le prix est de l'ordre de un centime la bille. 5 En outre, l'opération s'effectue en deux temps : un temps de fabrication des billes et un temps de pose, ce qui accroît le coût du composant.
La deuxième technique connue consiste à réaliser directement les billes à partir de refusion de crème à 0 braser déposée par sérigraphie sur les plages d'accueil du composant .
Cette méthode est très productive quant à la mise en oeuvre et très intéressante quant au prix puisque de telles billes coûtent deux fois et demi moins cher que celles de la technique précédente. 5
Mais cette technique ne peut être utilisée que pour des billes de faible dimension. La crème à braser est constituée d ' environ 50% en volume de partie métallique et le reste de partie organique ou flux nécessaire pour transférer convenablement la crème par sérigraphie en lui donnant la rhéologie adaptée. Après refusion, seule la partie métallique du volume déposé dans chaque ouverture du pochoir a participé à la constitution de la bille par coalescence.
Les exigences dimensionnelles souhaitées des billes et le PAS entre les billes conduisent à définir une ouverture maximum du pochoir et l'épaisseur de celui-ci.
A un diamètre d'ouverture déterminé, il ne sera pas possible de dépasser une certaine valeur d'épaisseur de pochoir ; faute de quoi, le plot de crème à braser ne sera pas complètement démoulé du pochoir, une partie de la crème étant réentraînée par le pochoir. Après refusion, la bille sera plus petite.
Avec cette technique, il ne sera pas possible d'atteindre des tailles convenables de billes et surtout une parfaite régularité entre les billes car il y aura toujours entraînement de crème à braser sur le pochoir même si celui-ci a des dimensions adaptées.
Le brevet EP 0 753 988 décrit un procédé de formation de billes de soudure sur un substrat. Ce procédé consiste à utiliser un ou plusieurs pochoirs (10) pourvus d'orifices (14) dans lesquels est introduit de la crème à braser (18). Le fond des orifices du pochoir est obstrué par une fine plaque (12). La crème remplissant les orifices est fondue pour séparer la partie métallique, propre à la soudure, des impuretés (24) qui remontent à la surface. Pour éviter que le bouchon de soudure formé ne tombe en retirant la plaque (12), l'extrémité supérieure des orifices du pochoir est recouverte par une autre plaque (26) puis le pochoir est retourné.
La plaque (12) peut alors être retirée. Après un nouveau retournement, les orifices .du pochoir sont positionnés au- dessus des parties à souder. Par élévation de la température, les bouchons de soudure fondent et vont se déposer sur la zone à souder sous forme d'une bille.
Le brevet US 5 346 118 décrit un procédé d ' assemblage par soudure de composants électroniques et un procédé de formation de billes de soudure sur l'un ou les deux composants en vue de leur assemblage.
Les billes de soudure sont réalisées à partir d'un pochoir pourvu d'orifices coniques ou pyramidaux remplis de crème à braser.
Ce brevet donne de nombreuses informations sur la forme des orifices du pochoir et sur la composition de la crème à braser mais définit de manière imprécise le procédé de réalisation des billes.
Ce brevet US 5 346 118 décrit un moyen pour déposer suffisamment de crème à braser sur un substrat pour former des billes de taille suffisante par refusion. Dans ce brevet, l'inventeur a trouvé un moyen permettant le démoulage de la crème à braser grâce à des ouvertures coniques. Ce brevet montre une sérigraphie classique et connue qui consiste à : 1° - déposer de la crème à braser par sérigraphie sur un substrat ; 2° - enlever le pochoir à température ambiante et avant refusion ; 3° - réaliser la refusion.
L'originalité de ce brevet se limite aux trous coniques qui facilitent le démoulage mais augmentent la difficulté du remplissage d'où il doit résulter que les volumes de crème déposés ne sont pas nécessairement identiques.
Le brevet US 5 658 827 décrit une méthode pour réaliser des billes de soudure sur un substrat par utilisation d'un pochoir.
Dans ce brevet, la sepration du pochoir et du substrat s'effectue après refroidissement, ce qui rend nécessaire d'effectuer une deuxième refusion.
Si 1 ' on enlève le pochoir formant moule après la solidification de l'alliage qui suit la refusion, on constate que l'alignement des billes est imparfait suivant y" définissant le plan sur lequel elles reposent .
On observe également des variations de la hauteur et de forme des billes pouvant placer le résultat obtenu hors tolérance par rapport à la norme JEDEC.
Ces variations de hauteur ou de forme trop importantes et ces mésalignements ou mauvais alignements sont dus aux contraintes mécaniques imposées, d'une part par les résidus de flux lors de la solidification de l'alliage puisque à ce moment, le volume disponible dans le moule est partagé entre l'alliage et les résidus.
D'autre part, un décentrage, toujours possible, même très faible du pochoir-moule par rapport aux pastilles des plages d'accueil est de nature à créer un déséquilibre de la bille obtenue par refusion.
En effet, la bille va naturellement chercher une position d'équilibre et de ce fait, va prendre une position non sphérique lui permettant d'équilibrer les tensions de surface s ' exerçant dans ce cas de façon non symétrique.
Il est possible de remédier à ces défauts en effectuant après refusion, solidification et enlèvemment du pochoir-moule une deuxième refusion.
A condition que les résidus du flux dénaturé aient été éliminés, les billes ne subissant aucune contrainte extérieure liée au pochoir-moule qui est absent à ce stade du processus, les billes doivent théoriquement retrouver leur position d'équilibre et adopter des positions parfaitement alignées et des formes sphériques.
En fait, la deuxième refusion n'est pas suffisante en elle-même, le flux ayant été dénaturé et éliminé par nettoyage, le résultat obtenu ne sera pas parfait tant au niveau de l'alignement des billes que de leur sphéricité et/ou de leur hauteur ou diamètre.
Il est nécessaire, avant la deuxième refusion, d'ajouter un flux de brasage préalablement.
Par la suite, il sera nécessaire d'éliminer le flux dénaturé par un autre nettoyage. De ce fait, le procédé à deux refusions apparaît comme particulièrement complexe.
L'invention concerne un procédé permettant d'obtenir des billes très régulières et avec un alignement excellent suivant les axes "x" et "y" définissant le plan sur lequel elles reposent.
A cet effet, le procédé selon l'invention de réalisation et de brasage de billes de connexion électrique, sur des plages d'accueil de raccordement électrique de composants électroniques se caractérise essentiellement en ce que :
- il est fait usage d'une crème à braser de rhéologie adaptée comprenant des microbilles métalliques susceptibles de s ' agglomérer par coalescence et de se braser sur la plage d'accueil métallique et un liant ;
- ladite crème est déposée sur la ou les plages d'accueil par sérigraphie ;
- le pochoir utilisé à cet effet présente une épaisseur et des dimensions d'ouverture et d ' écarte ent entre elles déterminées en fonction du pas des billes à réaliser et de leur diamètre souhaité ;
- après remplissage des ouvertures du pochoir au moyen d ' une racle ou d'un dispositif distributeur de produit tel que décrit au brevet n° 96.12671, une refusion à chaud est réalisée ;
- pendant cette refusion, le pochoir est maintenu en place sur le composant et il est séparé du composant pendant ou après refusion mais avant solidification des billes, celles-ci étant encore à l'état liquide en sorte que les billes en formation trouvent d'elles-mêmes leur position d'équilibre ;
- un nettoyage du flux ou liant dénaturé est effectué après solidification des billes.
Comme le pochoir formant moule est enlevé lorsque les billes sont encore à l'état non solidifié, liquide, à ce stade même s'il y a un mauvais alignement du pochoir par rapport au circuit, cela n'empêche pas les billes de mouiller la plage d'accueil. Un minimum de surface de plage d'accueil placée en vis à vis de l'alliage en fusion suffit pour retenir l'alliage en fusion lors de l'enlèvement du pochoir.
Lors de l'enlèvement du pochoir, la ou les billes se déforment en fonction des contraintes qu'elles subissent suite aux frottements sur les parois des ouvertures du pochoir ainsi que par l'énergie de surface de ces parois. Toutefois, le pochoir mis en oeuvre par l'invention étant non mouillable et présentant une énergie de surface faible, les billes restent accrochées à leurs plages d'accueil.
Lorsque la bille est dégagée de l'ouverture du pochoir où elle a été créée, elle peut prendre d'elle-même sa place définitive parfaitement au centre de la plage d'accueil et acquérir une forme sphérique parfaite car l'alliage en fusion ne subit plus d'action mécanique, ni par le pochoir, ni par les résidus de liant ou flux car ceux-ci sont à ce moment-là à l'état liquide et car ils présentent une densité nettement inférieure à l'alliage en fusion.
De ce fait, ces résidus liquides n'offrent pas de résistance significative lors de mise en forme sphérique de 1 'alliage.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci- après de l'invention illustrée par les dessins joints dans lesquels :
- les figures 1-2 illustrent certains des problèmes qui se rencontrent dans la réalisation des billes par sérigraphie et auxquels 1 ' invention entend apporter une solution ;
- les figures 3 à 5 représentent un mode de réalisation des billes de connexion selon le procédé objet de l'invention avec un pochoir-moule ;
- les figures 6-9 représentent une autre forme de réalisation de billes de connexion selon le procédé objet de 1 ' invention ;
- les figures 10 et 11 représentent à titre d'exemple non limitatif un dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. A la figure 1 est représentée une opération de réalisation et de brasage d'une bille de connexion 1 électrique sur une plage d'accueil 2 métallique d'un composant électronique 3 (non représenté pour simplifier la figure 1 et la figure 2 ) .
Il est fait usage d'une crème à braser à rhéologie adaptée comprenant des microbilles métalliques susceptibles de s ' agglomérer en une bille par coalescence à chaud lors de la refusion liquéfiant les microbilles et de se braser sur la plage d ' accueil 2 et un liant organique ou flux qui sera dénaturé par la refusion et qui devra être évacué après celle-ci, lorsque la ou les billes 1 seront solidifiées par une opération de nettoyage.
Il est fait usage d'au moins un pochoir 4 présentant une épaisseur et des dimensions d'ouverture 5 et d'écartement entre elles déterminées en fonction du pas des billes à réaliser et de leur diamètre souhaité. Les ouvertures 5 du pochoir sont remplies de crème à braser au moyen d ' une racle 6 ou équivalent ( non représentée aux figures 1-2).
Après remplissage des ouvertures du pochoir, il est procédé à une refusion à chaud qui va générer la formation de la bille par liquéfaction et coalescence des microbilles et dénaturation du liant organique qui devra être nettoyé. S'il y a défaut d'alignement entre le pochoir 4 et les plages d'accueil 2 du composant électronique 3, la surface d'attache de la bille 1 avec la surface d'accueil 2 va être très faible.
Cela peut générer un arrachement des billes lors de l'enlèvement du pochoir, si cette séparation est faite après solidification.
Si l'on enlève le pochoir formant moule après la solidification de l'alliage qui suit la refusion, on constate que 1 ' alignement des billes est imparfait suivant les axes "x" et "y" définissant le plan sur lequel elles reposent . On observe également des variations de la hauteur et de forme des billes pouvant placer le résultat obtenu hors tolérance par rapport à la norme JEDEC.
Ces variations de hauteur ou de forme trop importantes et ces mésalignements ou mauvais alignements sont dus aux contraintes mécaniques imposées, d'une part par les résidus de flux lors de la solidification de l'alliage puisque à ce moment, le volume disponible dans le moule est partagé entre l'alliage et les résidus. D'autre part', un décentrage, toujours possible, même très faible du pochoir-moule par rapport aux pastilles des plages d'accueil est de nature à créer un déséquilibre de la bille obtenue par refusion.
En effet, la bille va naturellement chercher une position d'équilibre et de ce fait, va prendre une position non sphérique lui permettant d'équilibrer les tensions de surface ainsi que les contraintes induites par le moule s 'exerçant dans ce cas de façon non symétrique.
Il est possible de remédier à ces défauts en effectuant après refusion solidification et enlèvement du pochoir-moule une deuxième refusion.
A condition que les résidus du flux dénaturé aient été éliminés, les billes ne subissant aucune contrainte extérieure liée au pochoir-moule qui est absent à ce stade du processus, les billes doivent théoriquement retrouver leur position d'équilibre et adopter des positions parfaitement alignées et des formes sphériques.
En fait, la deuxième refusion n'est pas suffisante en elle-même, le flux ayant été dénaturé et éliminé par nettoyage, le résultat obtenu ne sera pas parfait tant au niveau de l'alignement des billes que de leur sphéricité et/ou de leur hauteur ou diamètre.
Il est nécessaire, avant la deuxième refusion, d'ajouter un flux de brasage préalablement.
Par la suite, il sera nécessaire d'éliminer le flux dénaturé par un autre nettoyage.
De ce fait, ce procédé à deux refusions apparaît comme particulièrement complexe. Le résultat final obtenu n'est d'ailleurs satisfaisant qu'en apparence ; en fait, d'une part, les deux cycles thermiques successifs de refusion peuvent être préjudiciables à la durée de vie du composant, en particulier si une puce est montée sur le substrat avant la réalisation des billes et d'autre part, deux fusions successives sont de nature à accroître l'épaisseur d ' intermétallique entre la bille et la plage d'accueil, ce qui peut affecter la résistance mécanique de la bille sur la plage d'accueil.
La figure 1 montre un décentrage du pochoir dans le cas d'un pas de 1 mm ; dans ce cas, la bille est bien accrochée sur la plage d ' accueil .
La figure 2 montre un décentrage du pochoir d ' une valeur identique à la figure 1 ; mais dans ce cas, il s'agit d'un pas de 0,8 mm ; la surface accrochée sur la plage est beaucoup plus réduite.
Le défaut d'alignement entre le pochoir et les surfaces d'accueil du composant peut résulter d'un mauvais positionnement du pochoir ou être lié à la dilatation différentielle entre le pochoir et le substrat lors du chauffage générant la refusion.
En tout état de cause, si le pochoir 4 est enlevé après la refusion de la crème qui forme la bille et la solidification de celle-ci, il a été observé un alignement imparfait des billes et des variations de forme et de hauteur de celles-ci.
Indépendamment d'un défaut d'alignement du pochoir, ces défauts d'alignement des billes et ces différences de hauteur des billes sont générés par les contraintes mécaniques imposées d'une part par les résidus de flux (représenté en 7 aux figures 1/2) et d'autre part par les parois du pochoir-moule, les contraintes étant schématisées par les flèches lorsque ce dernier se sépare de l'alliage de microbilles lors du passage à l'état liquide et qui occupe dans l'ouverture 5 du moule une partie de la cavité, ce qui y génère des contraintes lors de la solidification, sur l'alliage en fusion. Ces contraintes peuvent empêcher la réalisation d'une bille parfaitement sphérique et/ou la décentrer par rapport à la pastille 2 ou plage d'accueil puisque la bille se refroidissant dans le pochoir formant moule va chercher naturellement une position d'équilibre et va de ce fait, prendre une forme non sphérique lui permettant de faire globalement équilibre aux contraintes de surface s 'exerçant d ' une façon non symétrique .
Lors du refroidissement, les billes seront figées dans cet état.
Selon le procédé objet de l'invention après remplissage des ouvertures du pochoir, une seule opération de refusion de la crème par chauffage est réalisée. Pendant cette opération, le pochoir-moule 4 est maintenu en place sur le composant et il est enlevé ou séparé du composant 3 pendant ou après la refusion mais avant solidification des billes, celles-ci étant encore à l'état liquide en sorte qu'elles trouvent d'elles-mêmes leur position d'équilibre.
A ce stade du processus opératoire, même s'il y a un mauvais alignement du pochoir par rapport aux plages d'accueil, cela n'empêche pas les billes formées mais encore à l'état liquide de mouiller la plage d'accueil. Un minimum de surface de plage d'accueil 2 placé en vis à vis de l'alliage en fusion suffit pour retenir la bille lors de l'enlèvement du pochoir.
En figure 3 est représenté le remplissage par la crème à braser des ouvertures 5 du pochoir 4 posé sur le composant électronique ou substrat, les ouvertures étant en vis à vis des plages d'accueil métalliques 2.
La figure 4 schématise la formation des billes 1 par coalescence lors de la refusion à chaud, le pochoir- moule 4 étant en place.
La figure 5 schématise l'enlèvement du pochoir- moule 4 pendant ou après refusion et avant solidification des billes 1. L'alliage en fusion en contact avec la plage d'accueil métallique mouillable prend la forme d'une sphère ou d'une calotte sphérique car c'est dans cette configuration que les tensions superficielles sont réduites au minimum ; par contre si la moindre contrainte mécanique est appliquée sur l'alliage en fusion, il prendra une forme aléatoire et se solidifiera dans cette forme aléatoire.
Si des oxydes sont présents lors de la refusion, ils provoqueront également des contraintes qui déformeront la calotte sphérique, d'où la nécessité du flux pour décaper les surfaces.
Après solidification, le flux ou liant qui a été dénaturé est enlevé par nettoyage.
Aux figures 6 à 9 est représentée une autre forme de réalisation de l'invention selon le procédé objet de l'invention ; il est fait usage d'une crème à braser comme mentionné précédemment qui est déposée sur les plages d'accueil du composant par sérigraphie.
Sont utilisés pour cela un premier et un deuxième pochoir superposés et dont les ouvertures sont superposées . Le premier pochoir 4 dit d'épaisseur est celui utilisé dans le cas précédent.
Le deuxième pochoir 8 dit de transfert est un pochoir très fin.
L'épaisseur Hl du premier pochoir et les dimensions de ses ouvertures sont déterminées en fonction du PAS des billes à réaliser et de leur diamètre.
Les ouvertures du deuxième pochoir 8 sont de forme identique à celles du premier pochoir 4 avec lesquelles elles se superposent.
Après remplissage des ouvertures par la crème au moyen d'une racle, le deuxième pochoir 8 est enlevé. Une refusion à chaud est réalisé le premier pochoir 4 restant en place sur le composant.
Puis les billes étant formées par coalescence des particules d'alliage métallique de la crème, le premier pochoir est enlevé avant solidification, soit après ou pendant la fusion, qui est communément appelée refusion au cours de la phase liquide des billes et un nettoyage du liant dénaturé est réalisé après solidification des billes.
Les billes en position d'équilibre trouvent d'elles-mêmes leur position d'équilibre et leur forme sphérique rigoureusement identique quelque soit leur nombre.
Le premier pochoir 4 selon 1 ' invention est de nature a résister à la température de refusion. Il doit être réalisé en un matériau non brasable par la crème. Avantageusement, le premier pochoir est en métal inoxydable par exemple en titane ou en acier ou en un matériau synthétique, par exemple du téflon.
Avantageusement, le premier pochoir est en métal inoxydable par exemple acier inoxydable ou titane ou en un matérieu synthétique par exemple du téflon ou il peut être réalisé en une résine polyamide ou en une résine époxy ou en un matériau de synthèse non mouillable et non brasable chargé de fibres de verre.
Le pochoir 4 peut être de même nature ou de nature équivalente à celle du substrat ou composant 3 sur lequel il s ' applique.
De préférence, le pochoir 4 est réalisé en un matériau présentant une faible énergie de surface.
Le deuxième pochoir 8 peut être en tous matériaux traditionnellement utilisés pour la réalisation de pochoirs par exemple en métal ou polyester.
Le deuxième pochoir a pour fonction de permettre un transfert remplissant complètement les ouvertures du premier pochoir en masquant certaines zones, si cela est souhaité.
Lors de l'enlèvement (fig. 5-9) du pochoir, la bille à l'état liquide se déforme en fonction des contraintes qu'elle subit suite aux frottements sur les parois de la cavité formée par l'ouverture correspondante du pochoir-moule ainsi que par l'énergie de surface de parois, toutefois, le pochoir selon l'invention n'étant pas mouillable par l'alliage à l'état liquide, la bille reste accrochée à la plage d'accueil.
Lorsque la bille est dégagée de l'ouverture du pochoir où elle a été créée, elle prend spontanément sa place définitive parfaitemant au centre de la plage d'accueil et elle acquiert une forme sphérique parfaite car l'alliage en fusion ne subit plus d'action mécanique, ni par le pochoir, ni par les résidus de flux car ceux-ci sont alors à l'état liquide et a une densité nettement inférieure à l'alliage en fusion.
De ce fait, ces résidus n'offrent pas de résistance significative lors de la mise en forme définitive de la sphère d'alliage.
Selon le procédé objet de l'invention, des exemples de hauteur de billes ont été obtenus comme suit :
Le procédé selon 1 ' invention permet par exemple la réalisation de billes dans les configurations suivantes :
Figure imgf000015_0001
Pour les pas de 1,27 et de 1 mm, la norme JEDEC impose une hauteur respective de billes de 0,60 et 0,50 mm avec une tolérance de plus ou moins 0,1.
En prenant en compte ces contraintes, une analyse statistique sur 125 pièces réalisées suivant l'invention nous donne les résultats suivants :
Figure imgf000015_0002
Ts : Tolérance supérieure, Ti : Tolérance inférieure, <y : Ecart type, x : Moyenne des valeurs, Cp : capabilité du procédé,
Cpk: centrage de la capabilité du procédé.
Comme on peut le constater, les valeurs de Cpk > 1,33 montrent que le procédé permet de bien maîtriser la dimension des calottes sphériques. Selon l'invention, le pochoir 4 ou pochoir-moule ou pochoir d'épaisseur est réalisé en un matériau de synthèse non mouillable de type résine epoxy ou résine polymide ou téflon chargée ou non de fibres de verre. La fibre de verre permet de donner de la rigidité au pochoir même dans les plus faibles épaisseurs.
La résine epoxy ou la résine polymide présente 1 ' avantage d'être un produit à faible énergie de surface. Plus l'énergie de surface d'un matériau est importante, plus un liquide va y adhérer et inversement.
Il est important lors de la séparation du pochoir 4 et de l'alliage en fusion pour ne pas réentraîner l'alliage que le pochoir présente l'énergie de surface la plus faible possible.
L'énergie de surface des métaux est relativement importante, supérieure à 1000 millijoules au m2 alors que les matériaux organiques du type résine epoxy ou résine polymide présentent une énergie de surface de l'ordre de 50 milli- joules par m2 , ce qu permet une séparation aisée de l'alliage en fusion et du pochoir.
De plus, les matériaux métalliques peuvent présenter des hétérogénéités physiques et chimiques (fissures, oxydations) qui peuvent provoquer un accrochage de l'alliage en fusion.
Un autre avantage des pochoirs en matériaux du type sus-mentionné, résine epoxy ou polymide, est que le substrat utilisé comme base des composants est généralement de même nature ou équivalente, par exemple en résine epoxy ou polymide et qu'il présente un coefficient de dilatation égal ou voisin de celui du matériau du pochoir.
Cette disposition de l'invention permet, lorsque l'ensemble substrat et pochoir est soumis à la température de refusion qui est de l'ordre de 220° centigrades, d'éviter un problème de dilatation différentielle génératrice de désalignement qui ne manquerait pas de se présenter si les matériaux du substrat et du pochoir avaient des coefficients de dilatation différents.
Au figures 10 et 11 est représenté à titre d'exemple non limitatif un dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
Le dispositif comprend un pochoir moulé 4 et un pochoir supérieur 8, comme dans l'exemple de réalisation des figures 6 à 9. Le pochoir 4 est suspendu sur une toile en maille de fils en inox 9 elle-même tendue sur un cadre 9A rigide de préférence en métal.
L'ensemble est parfaitement plan et indéformable ; seul le pochoir 4 se déforme dans le même plan par dilatation surfacique lorsqu'il est porté en température.
Tout autre type de maille élastique souple résistant à la température de refusion peut être utilisé.
Le circuit 3 qui doit recevoir les billes 1 est placé sur un support 10 pour compenser les différences de hauteur et être localisé avec précision.
Le support 10 est lui-même placé sur une plaque 11 de manutention de l'ensemble dans la machine à sérigraphie et dans le four.
Le cadre 9A, faisant fonction de porte-pochoir est relié à la plaque 11 par une articulation 12.
Le pochoir 4 étant suspendu sur la maille inox 9 du cadre 9A, il peut être parfaitement plaqué sur le substrat durant la phase de sérigraphie et de refusion de la crème à braser, ce qui permet d'obtenir que les microbilles d'alliage ne puissent migrer sous les pochoirs 4 et 8 et ce qui donne la certitude que la crème à braser présente dans les ouvertures du pochoir 4, reste toujours en contact avec les plages d ' accueil pour permettre un échange de calories et l'accrochage entre les plages d'accueil et la crème à braser.
Dans le cas contraire, si la crème et l'alliage qu'elle contient n'est pas en contact avec la plage d'accueil correspondante, la bille d'alliage qui sera formée sera entourée de résidus de flux et restera dans le pochoir. Il est donc important que le pochoir d'épaisseur 4 ou pochoir-moule soit plaqué sur le substrat 3, tout en laissant une liberté de mouvement relatif entre le pochoir et le substrat dans le plan x, y afin d'éviter toute contrainte lors de la montée en température, en particulier si celle-ci n'est pas parfaitement homogène sur toute la surface. La maille inox 9 tendue sur le cadre 9 permet ce plaquage avec liberté de mouvement.
Cette maille inox 9 est une liaison élastique entre le cadre support 9A et le pochoir d'épaisseur 4 qui reste donc toujours plan et tendu et ne se gondole pas. De plus, cette maille inox joue le rôle de frein thermique entre le cadre et le pochoir d'épaisseur, c'est à dire que si le cadre support qui a une masse thermique importante n'est pas à la même température que le pochoir d'épaisseur et le substrat, il ne va pas perturber thermiquement le pochoir d'épaisseur.
Toute autre liaison élastique résistant à ces températures peut fonctionner.
Lors de l'opération de transfert de la crème à braser par sérigraphie, le porte pochoir 9A est plaqué sur le support 11. A ce stade et par simple gravité, le pochoir 4 est en pression sur le circuit 3.
Cet ensemble est orienté vers le four de refusion, un profil thermique approprié permet de porter à l'état liquide la crème à braser. La mise en température de la pièce doit se faire de façon contrôlée afin de permettre une évaporation progressive des solvants présents dans la crème à braser sans entrer en ébullition et que d'autre part, les résidus de flux puissent remonter en surface, si ces deux points ne sont pas atteints, l'alliage ne restera pas en contact avec la plage d'accueil et par conséquent, la bille d'alliage restera accrochée dans le pochoir. Le refroidissement devra également se faire de façon contrôlée et progressive afin d'éviter les problèmes de retassures.
Lorsque la brasure est encore à l'état liquide, un dispositif mécanique non représenté permet de séparer progressivement le porte pochoir 9A du support circuit 3 par rotation autour de l'articulation 12. Les billes sont ainsi séparées du pochoir d'une façon très douce de l'avant vers l'arrière. Après la fin de la séparation, l'ensemble doit encore être maintenu en fusion au moins 5 secondes de façon à ce que les dernières billes séparées puissent bien se repositionner et se former.
Il s'ensuit enfin le refroidissement et le nettoyage. Le nettoyage s'effectue de préférence après la séparation du circuit de son support. Chacune des parties est nettoyée séparément .

Claims

REVENDICATIONS : 1. Procédé de réalisation et de brasage de billes
(1) de connexion électrique sur des plages d'accueil (2) de raccordement électrique de circuits ou de composants électroniques (3), utilisant au moins un pochoir non mouillable par la crème en fusion et une crème de brasage déposée par sérigraphie, caractérisé en ce que :
- le remplissage des ouvertures du pochoir (4) au moyen d'une racle l(6) ou équivalent et la refusion à chaud sont effectués avec le pochoir en place au-dessus du substrat ; - le pochoir (4) étant en place sur le composant (3) pendant la refusion est séparé du composant après la refusion mais avant solidification des billes (1), celles-ci étant encore en l'état liquide en sorte que les billes en formation trouvent leur position d'équilibre et leur forme sphérique 5 rigoureusement identiques quelque soit leur nombre ;
- après solidification des billes, un nettoyage du liant dénaturé est effectué.
2. Procédé de réalisation et de brasage de billes
(1) de connexion électrique sur des plages d'accueil (2) de o raccordement électrique de circuits ou de composants électroniques (3) selon la revendication 1 caractérisé en ce que :
- il est fait usage d'un premier et d'un deuxième pochoir ;
- le premier pochoir (4) est un pochoir d'épaisseur, il 5 présente une épaisseur et des dimensions d'ouvertures déterminées en fonction du pas des billes à réaliser et de leur diamètre ;
- le deuxième pochoir (8) dit de transfert est un pochoir très fin dont les ouvertures sont identiques à celles du 0 premier pochoir avec lesquelles elles se superposent ;
- après remplissage des ouvertures du pochoir (4) au moyen d'une racle et enlèvement du pochoir (8), une refusion à chaud est réalisée ;
- le pochoir ( 4 ) étant en place sur le composant ( 3 ) pendant 5 la refusion est séparé du composant après la refusion mais avant solidification des billes (1), celles-ci étant encore en l'état liquide en sorte que les billes en formation trouvent leur position d'équilibre et leur forme sphérique rigoureusement identiques quelque soit leur nombre ; - après solidification des billes, un nettoyage du liant dénaturé est effectué.
3. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comportant un pochoir d'épaisseur (4) de sérigraphie caractérisé en ce que ledit pochoir est de même nature ou de nature équivalente à celle du substrat ou composant (3) sur lequel il s'applique.
4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comportant un pochoir (4) de sérigraphie caractérisé en ce que ledit pochoir est réalisé en un matériau présentant une faible énergie de surface.
5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 comportant un pochoir de sérigraphie caractérisé en ce que ledit pochoir est réalisé en un matériau de synthèse non mouillable chargé de fibres de verre.
6. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir (4) est réalisé en résine epoxy.
7. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir (4) est réalisé en résine polyamide.
8. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir (4) est réalisé en téflon.
9. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir ( 4 ) est réalisé en métal inoxydable.
10. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir ( 4 ) est réalisé en acier inoxydable.
11. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le pochoir ( 4 ) est réalisé en titane.
12. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pochoir (4) est suspendu sur une toile en maille de fils en métal inoxydable (9) tendue sur un cadre rigide (9A).
13. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pochoir (4) est suspendu sur une toile en maille résistant à la température de refusion.
14. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 12 caractérisé en ce que le circuit
(3) posé sur le tissu en maille inox (9) est placé sur un support (10) sous la maille inox.
15. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 12 caractérisé en ce que le support (10) est placé sur une plaque (11) de manutention reliée au cadre (9A) avec maille inox (9) par une articulation (12).
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