WO2002005999A1 - Procede de refusion ou de polymerisation a atmosphere conducto-convective et dispositif de mise en oeuvre - Google Patents

Procede de refusion ou de polymerisation a atmosphere conducto-convective et dispositif de mise en oeuvre Download PDF

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WO2002005999A1
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enclosure
remelting
gas
glue
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Francis Bourrieres
Clément KAISER
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Societe Novatec
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/008—Soldering within a furnace
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/40—Semiconductor devices

Definitions

  • solder cream is generally used to ensure the interconnection between the tabs of components and the printed circuit.
  • This solder cream is deposited by screen printing or with a syringe, then the CMS are placed on said solder cream and finally the solder cream must be brought to a sufficient temperature so that it melts, that is to say that it will pass to the liquid state; there follows a cooling phase allowing the solderings to solidify.
  • the solders ensuring the interconnection are produced.
  • the solder cream is composed of a metallic part representing approximately 88 to 91% of the mass but occupying approximately 50% of the volume.
  • this metal part is in the form of beads, the dimensions of which can vary from 10 to 20 ⁇ , 20 to 40 ⁇ , 40 to 80 ⁇ and 80 to 160 ⁇ , depending on the particle size class.
  • This alloy may contain lead, tin, silver in combination so as to form a so-called eutectic alloy.
  • eutectic alloy Currently, new generations of alloy called "lead-free" are emerging in order to meet environmental constraints. Several formulations incorporating tin and / or silver and / or copper and / or bismuth will be used.
  • the organic part occupying the rest of the volume represents 9 to 12% of the mass.
  • This organic part fulfills several functions and, in combination with the heat, leads the brazing process to its end, that is to say the production of a bonding alloy also called intermetallic, of optimum quality.
  • the thermal profile ie the curve representing the temperature as a function of time, constitutes the fundamental element in the production of the brazed joint. This thermal profile breaks down into three phases when the temperature rises and one phase when the temperature drops. At the rise, from room temperature, there is a first phase consisting in evaporating the light solvents contained in the organic part. This phase makes it possible to “dry” the soldering cream and to reinforce the influence of the adherent resins contained therein and thus to fix by bonding the connections of the component.
  • this first phase of rise temperature is limited to about 90 to 110 degrees depending on the nature of the solvents contained and a rate of rise between 1.5 degrees per second and 3.5 degrees per second.
  • the second phase generally marks a slight uphill landing.
  • This phase consists in activating in a sustained and effective manner the surface activators making it possible to deoxidize the metal surfaces to be brazed and thus making it possible to reduce the surface tensions in order to promote the wetting of these metal parts by the alloy which enters in fusion during phase number three. We therefore see that this phase two is very important, the thermal profile sets in motion two successive actions: chemical and physical.
  • the third phase consists in raising the temperature of the sites to be brazed to a value sufficient to pass the soldering cream from the solid state to the liquid state and then ensuring diffusion of the molten alloy in the ranges d 'Home.
  • Phase four is a cooling step, the speed of which is very important because it conditions the metallurgical structure of the brazed joint.
  • the thermal profile conditions the production of the solder.
  • the solders must be produced collectively in the same calorie generator.
  • the components to be interconnected are increasingly heterogeneous.
  • the ovens used in electronic assembly are in the form of a tunnel divided into several zones and crossed by a conveyor.
  • the card to be processed circulates on the conveyor, it is successively subject to the conditions prevailing in the different zones.
  • the setting of the temperature of each zone as well as the speed of passage of the card allows the card to undergo a thermal profile.
  • Patent JP 07 254781 describes an application for which an oven is used and which makes it possible to control the shape of the brazed joints between a component and a substrate.
  • the method described makes it possible to control the space between said component and said substrate, this space having a direct impact on the reliability of the brazed link but does not describe any means for carrying out the temperature cycles.
  • the vapor phase technology or so-called condensation method which uses the principle of change of state of a gas during its passage to the liquid state to release calories and cause the rise in temperature is a technique which is not used only in low production volumes because it does not lend itself well to placing on line and moreover this technique makes it possible to treat only the third phase of the thermal profile.
  • the most commonly used technology to date is forced convection of air or nitrogen. This technique consists of heating the gas and circulating it at a certain speed on the circuit.
  • the advantage of this process compared to infrared is that it makes it possible to level the thermal differences also called thermal amplitude between the largest masses and the small ones and thus it ensures a better homogeneity of temperature.
  • the infrared radiation generates significant temperature heterogeneities on the electronic card because the latter include components of very different thermal masses and emissivities. This is even more critical with the advent of components having the inputs / outputs in matrix form hidden under the body of the component and which therefore do not perceive infrared radiation.
  • the patent US Pat. No. 5,573,174 describes another type of oven constituted by individual watertight boxes which can each receive an electronic card to be processed. The thermal profile is obtained by injecting a gas such as air or nitrogen at a temperature which varies as a function of time in the box. To increase the heating performance, it is also mentioned the possibility of having radiant elements in the box.
  • This device aims to improve the control of the thermal profile on the card by allowing, for example, better control of the atmosphere prevailing in the box and above all by avoiding interaction phenomena between the different areas of a tunnel oven.
  • this type of oven offers more time and temperature flexibility than tunnel ovens, it does not improve the uniformity of temperatures on the cards because it uses the same heat transfer modes as tunnel ovens. ie convection and radiation, which as discussed below generate temperature heterogeneities.
  • each box can receive only one and the same card, it is necessary to provide a relatively complex referral system.
  • the solution consisting in immersing an electronic circuit in a liquid heated according to the desired thermal profile is advantageous from a thermal point of view since all the surfaces are enveloped by said heated liquid and the latter transfers its calories by conduction.
  • the rise in temperature of the components is ideal because it is directly controllable by the thermal profile undergone by the liquid.
  • the major drawback of such a solution is that the solder cream is washed when it comes into contact with the liquid, which makes this solution unthinkable.
  • the application of soldering or bonding of components on an electronic card generates, as was mentioned above, a certain number of constraints.
  • the heat transfer coefficient can vary in proportions from 1 to 5 depending on the arrangement of the components on the card and the gas flow generator. For example, a connection located below a component sees a much lower heat transfer coefficient than a small resistive pad which is placed in front of a hot gas injection nozzle.
  • a gas flow having a temperature that is too high compared to that of the card is a source of temperature heterogeneity on the electronic cards.
  • - reduce infrared radiation by reducing the emissivity and the temperature of the walls compared to that of the room to be heated for example a deviation of 300 ° C maximum associated with an emissivity of around 0.3 gives good results ).
  • the emissivities vary significantly on the card and consequently heating by infrared radiation constitutes a source of significant thermal amplitude on a card.
  • the second constraint linked to the application resides in the fact that the circulation speed of the gaseous fluid must be limited so as not to move the components during the temperature cycle (this speed must for example remain below 4 m / s) .
  • a third constraint of the application involves being able to provoke and control rapid temperature variations on the card (several degrees per second) in order, for example, to minimize the risks of sagging of the soldering cream during the first phase of implementation. temperature or to ensure a quality metallurgical structure thanks to efficient cooling of several degrees per second.
  • This constraint can be respected by combining:
  • a fourth and final constraint of the application is not to condense the flux vapors generated by the brazing operation on the walls of the oven to minimize the downtime necessary for cleaning the oven. Compliance with this constraint is ensured provided that the oven wall temperature is always higher than that of the gaseous fluid used.
  • the present invention aims to improve the efficiency of heat transfer by providing a global solution which will make it possible to use the advantages of each of the heating technologies while avoiding their drawbacks and taking into account the constraints of the application of brazing or polymerization. to solder or fix the components on an electronic card.
  • the technology which ensures the fastest and most homogeneous way in accordance with chemical and metallurgical requirements a rise and fall in temperature according to a well-defined thermal profile as independent as possible of the heterogeneity of the components present is definitely the best.
  • the invention consists in providing a means for increasing the efficiency or the speed of the transfer of calories by conduction by using all the surfaces present, by avoiding any phenomenon of washing the soldering cream or the glue and this in a quasi- independent of the electronic components present. It is essentially characterized in that the transfer of calories is obtained by forced convection and by conduction in an enclosure, in which an atmosphere prevails with a power of conduction greater than 0.04 Wm "1.
  • said atmosphere can be helium or a mixture of helium and air or nitrogen, in fact helium has thermal characteristics, in particular its calorific capacity and its thermal conductivity which are particularly advantageous for the application.
  • This gas also has the advantage of being one of the least dense there is, which will avoid any washing and dislocation phenomenon of the soldering cream. The molecular structure allows this gas to lodge in the smallest interstices which makes it possible to reach the most hidden areas, for example the connection points of a flip-chip while maintaining reasonable fluid speeds (less than 4 m / s).
  • helium has a heat transfer coefficient approximately 2.5 times higher than air under equivalent conditions, which associated with its good conductivity and its heat capacity, allows it to combine good temperature uniformity with a high heating and cooling efficiency while maintaining reasonable temperature differences between the fluid and the part, and, the walls of the furnace and the part, as well as a moderate gaseous fluid circulation speed.
  • laboratory tests have proved that it becomes significantly advantageous to use an atmosphere having a conduction power greater than 0.04W.m _1 . K "1 and a heat capacity greater than 1 ⁇ KJ.Kg K " 1 filling a sealed enclosure in which the electronic circuits to be soldered or polymerized are placed.
  • the walls of this enclosure are heated by an appropriate means integrated or independent of said enclosure, in such a case, if we neglect the heat transfer by infrared radiation we are in the presence of an energy transfer by conduction and by natural convection because there is no forced movement in the sealed enclosure.
  • the heated walls transmit the calories by conduction to the gas present in the enclosure and itself transfers them in turn to the electronic circuit to be brazed.
  • a thermal coupling is made between the heating surfaces and the circuit by means of the gas. Thanks to this coupling, it is not necessary to have a very large temperature difference between the part to be heated and the walls of the oven, in some cases a difference of less than 10 ° C is sufficient. Depending on the speed of temperature increase desired the walls of the enclosure containing the gas will be more or less heated.
  • Japanese patent JP61251413 uses gaseous helium because of its non-oxidizing and conductivity properties to effect the reflow of the soldering cream.
  • this has the consequence of generating an even greater heterogeneity of the temperatures as a function of the volume and the masses of the components present because there is a boundary layer forming a barrier. isotherm. Consequently, in this case, the opposite effect is obtained from what is sought, namely, an even greater heterogeneity of the temperatures linked to the heterogeneity of the components present on the electronic card. In such a situation, it is useless to seek to improve the heat transfer because it is to the detriment of the metallurgical quality of the brazings which will not have undergone the same thermal profiles.
  • Another form of implementation of the invention consists in heating the gas separately in an enclosure independent of the brazing enclosure.
  • the thermal profile of helium is closely associated with the thermal profile of the circuit to be brazed.
  • This arrangement makes it possible to subject the enclosure containing the circuits to be brazed to the same thermal profile as the circuits to be brazed, it suffices that the latter has a very low inertia so that the entire volume and the surfaces present are thermally coupled.
  • the gas heated in an independent enclosure is considered in this case as a vector or carrier of calories which is charged and discharged in a continuous circulatory flow.
  • the gas molecules are loaded with calories by conduction in contact with the hot zones of the heating enclosure and release their thermal loads by displacement of the boundary layer over all of the surfaces to be heated in the working enclosure.
  • This method makes it possible to exploit in an independent and controllable manner the thermal characteristics of the gas, namely its high conductivity and its high thermal capacity. In a certain way conduction and convection are added to provide the desired energy at the desired time. This scenario makes it possible to minimize the incidence of infrared radiation in the working enclosure.
  • the temperature of the gas controlled at the inlet of the working enclosure combined with its flow rate and its velocity provide a programmed rise in temperature of the surfaces present.
  • Cooling is a very important step in the process of forming the brazed joint, in particular it conditions the final metallurgical structure of the brazing.
  • the rise in temperature it is possible to use a gas directly cooled in contact with the thermally regulated walls of the working enclosure. Or an independent circuit with cooling enclosure which makes it possible to circulate the gas at temperature, velocity and controlled flow in order to capture by convection the calories directly in contact with the elements to be cooled.
  • the working enclosure can receive several circuits to undergo the reflow or polymerization cycle simultaneously.
  • the cycle time per circuit corresponds to 7.5 seconds.
  • a larger number of circuits would lead to even shorter cycle times.
  • the oven according to the invention therefore makes it possible, on a floor area approximately three times smaller, to reach productivity levels twice as high as current installations while ensuring a higher level of quality.
  • the gas or the gaseous mixture having a conduction power greater than 0.04 W.m “1 .K " 1 and a calorific capacity greater than 1 ⁇ KJ.Kg ⁇ C 1 can be used in a tunnel furnace comparable to the convective ovens of the prior art, in which the cards are scrolled which ensures continuous production.
  • a tunnel furnace comparable to the convective ovens of the prior art, in which the cards are scrolled which ensures continuous production.
  • the conveyor which passes through the enclosure may have a central part raised relative to the inlet and the outlet of said enclosure, so that the gas is naturally confined in the enclosure.
  • the cooling phase is carried out by injecting cold gas to avoid the phenomena of condensation of the flow sensors on the walls in this zone. It is for example possible to maintain a positive and controlled temperature difference between the walls of the cooling zone and the gas flow in this zone.
  • Figure 3 is shown by way of example a variant of the device for implementing the present invention.
  • Figure 4 is shown by way of example a variant of the present invention.
  • FIG. 1 shows in section a convective oven (2) in which the cards (1) to be soldered scroll through the conveyor (4) successively in the six zones of the oven.
  • Each zone of the oven consisting of two sets on either side of the conveyor each comprising a heating element (3), a device for setting in motion the fluid present in the oven and which can be air or nitrogen and a diffuser (37).
  • a thermal profile is generated on the card (1).
  • FIG. 2 represents a conductive-convective calorie generator according to the present invention.
  • the soldering cards (1) are placed in a rack composed of the part (6) and the part (7) which is adjustable in width according to the soldering cards, thanks to the adjustment system (8).
  • the enclosure (17) of the calorie generator is constituted by the bell (18) and by the part (16) on which the rack rests.
  • the brazing cycle is obtained according to the following range:
  • this module (14) can also be used as a heater if it is desired to obtain a more efficient rise in temperature.
  • the gas has a lower density than air, it will remain in the enclosure provided that it does not generate turbulence.
  • the conductivity of helium is approximately seven times higher than that of air and on the other hand, thanks to the shape of the part (6) of the rack, the cards are at a short distance from the hot wall.
  • the helium and its low viscosity by setting in motion the helium and its low viscosity, the formation of boundary layers around the zones to be heated on the card is avoided, which makes it possible both to increase the heating efficiency while reducing temperature differences on the map.
  • This arrangement is characterized in that it is composed of 3 independent modules:
  • the storage and processing module (19) of the circuits to be brazed consists of a sealed, autonomous enclosure, transportable and disconnectable from the heating modules.
  • This storage enclosure (19) can also remain permanently and in this case, the circuits to be treated are stored on an intermediate storage device and then brought collectively into the sealed chamber (19).
  • said chamber (19) can be adjusted in size by a mechanical device not shown.
  • a mechanical device not shown.
  • the separate treatment of heating and cooling in the independent modules (20) and (21) makes it possible to couple the thermal profile of the heated or cooled gas precisely with the desired thermal profile on the circuits to be treated.
  • an adjustment of the temperatures, flow rates and gas circulation speeds is carried out by a configurable regulation system not shown in the figure.
  • the heating and circulation module (20) is used for the temperature rise phases and neutralized during the descent.
  • the hot gas makes it possible to circulate the latter in the treatment module (19) through the hole (26).
  • the hot gas releases its calories by conduction and convection on contact with the circuits to be treated.
  • the gas cools in contact with the circuits, leaves again through the orifice (27) passing through a condenser (15) in order to capture the fumes then it returns again to the heater (22) for a new cycle.
  • the cooling and circulation module (21) is used for the temperature reduction phase and neutralized during the rise. It is composed of a source (24) allowing to modulate the cooling temperature according to the desired temperature. A member for setting in motion (25) the cold gas makes it possible to circulate the latter in the storage module (19) through the inlet (28). The gas captures calories on contact with the circuits to be cooled. The gas thus reheated feeds back through the outlet orifice (29) and again circulates through the cooler (24) passing beforehand by a condenser (35).
  • the independent heating (20) and cooling (21) modules are each equipped with vacuum pumps (31) and (33) with venting having the respective function of emptying the enclosure (19) of its air after loading circuits, transferring the hot or cold gas contained in the enclosure (19) in buffer tanks (30) or (32) after the phases end of heating and end of cooling and finally air filling at room temperature for the evacuation phase of the brazed circuits.
  • a high pressure gas storage cylinder (34) can supply the buffer tanks (32) and (30). Depending on the level of impurities accepted, the gas thus recycled may be kept for a shorter or longer period.
  • FIG 4 a tunnel tunnel oven according to the present invention is shown.
  • a conveyor (4) transporting the products to be heated (1) passes through the left and right.
  • the central part of the oven is raised relative to the inlet and the outlet so as to confine the gas the gaseous atmosphere (36), which has a density lower than that of air, in the enclosure.
  • the oven In its central part the oven is equipped with 5 heating zones consisting of a heating device (3), a device for setting in motion of the gas (5) and a diffuser (37).
  • the fumes extracted at the level of the last heating zone via the conduits (38) are cooled in the condenser (15) in order to purify the gas (36) and then to reinject it at the level of the heating zones through pipes (39) and at the cooling zone through (40).
  • containment devices of any known type at the inlet and at the outlet of the furnace.
  • the nature of the gas or the composition of the atmosphere (36) can be varied as a function of the area of the through tunnel oven and as a function of the required heat transfer efficiency.
  • the device according to the invention can advantageously use an atmosphere (36) operating under a pressure higher than atmospheric pressure and thus promoting the heat exchange process.
  • a gas or a gaseous mixture which in addition to the thermal characteristics superior to those of air is also an inert gas so as not to oxidize the surfaces to be brazed during the heating cycle.
  • the gas used may have reducing characteristics which will participate in the stripping of the surfaces.
  • the industrial advantages provided by the invention are twofold: technological and economic.
  • the process makes it possible to significantly increase the overall quality level of the soldering due to the tightening of the extreme thermal profiles of which an electronic card is the seat because of the heterogeneities of the components present.
  • This advantage is likely to simultaneously improve the reliability of the electronic systems as well as their lifespan.
  • the process makes it possible to significantly increase productivity by shortening the brazing times due to the improvement in heat transfers and jointly having much less bulky ovens.
  • the improvements provided by the present invention are particularly necessary for lead-free solder creams which require higher melting temperatures with productivity levels at least equivalent to creams of the Sn-Pb 63-37 types.
  • gases or gas mixtures have been tested and have given promising results.
  • gases can be used:
  • the thermal coupling produced by the gas or the mixture between the hot source and the part to be treated it is possible to control the thermal profile undergone by the electronic cards to be heated by following the thermal profile. undergoes through the gaseous atmosphere (36) prevailing in the enclosure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Abstract

L'invention concerne un moyen de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronic (1) en vue d'y fixer des composants utilisant un gaz (36) présentant un pouvoir de conduction supérieur à 0,04 W.m-1.K-1 et une capacité calorifique supérieure à 1,5KJ.Kg-1.K-1 circulant dans une enceinte, comme coupleur et vecteur thermique du fait de sa haute conductibilité thermique, et de sa haute capacité calorifique par rapport à tous les autres gaz habituellement utilisés. Ce procédé permet d'associer efficacement la conduction et la convection comme moyen de transfert thermique en neutralisant au maximum le rayonnement infrarouge. A paramétrage identique, ce procédé permet d'obtenir des vitesses de montée en température plus rapides qu'avec les autres gaz ainsi que des profils thermiques extrêmes très resserrés moins tributaires des variations de masse thermique.

Description

PROCEDE DE REFUSION OU DE POLYMERISATION A ATMOSPHERE CONDUCTO-CONVECTIVE ET DISPOSITIF DE MISE EN ŒUVRE
Pour le brasage des cartes électroniques équipées de composants montés en surface appelés CMS, il est généralement fait usage de crème à braser pour assurer l'interconnexion entre les pattes de composants et le circuit imprimé. Cette crème à braser est déposée par sérigraphie ou à la seringue, ensuite les CMS sont posés sur ladite crème à braser et enfin la crème à braser doit être portée à une température suffisante de façon à ce qu'elle refonde, c'est à dire qu'elle va passer à l'état liquide ; s'ensuit une phase de refroidissement permettant de solidifier les brasures. A l'issue de cette dernière étape les brasures assurant l'interconnexion sont réalisées.
La crème à braser est composée d'une partie métallique représentant environ 88 à 91 % de la masse mais occupant environ 50 % du volume. Généralement cette partie métallique se présente sous forme de billes dont les dimensions peuvent varier de 10 à 20 μ, 20 à 40 μ, 40 à 80 μ et 80 à 160 μ, selon la classe de granulométrie. Cet alliage peut contenir du plomb, de étain, de l'argent en combinaison de façon à former un alliage dit eutectique. Actuellement, de nouvelles générations d'alliage appelé « sans plomb » apparaissent afin de répondre à des contraintes environnementales. Plusieurs formulations intégrant de l'étain et/ou de l'argent et/ou du cuivre et/ou du bismuth vont être utilisées. La partie organique occupant le reste du volume représente quant à elle 9 à 12 % de la masse. Cette partie organique remplit plusieurs fonctions et permet en combinaison avec la chaleur de conduire le processus de brasage jusqu'à son terme, c'est à dire la réalisation d'un alliage de liaison appelé aussi intermétalliquβ, de qualité optimum. Le profil thermique, c'est à dire la courbe représentant la température en fonction du temps constitue l'élément fondamental dans la réalisation du joint brasé. Ce profil thermique se décompose en trois phases à la montée en température et une phase à la descente en température. A la montée, à partir de la température ambiante, il y a une première phase consistant à évaporer les solvants légers contenus dans la partie organique. Cette phase permet de « sécher » la crème à braser et de renforcer l'influence des résines adhérentes contenues dans celle-ci et ainsi de fixer par collage les connexions du composant. Généralement cette première phase de montée en température est limitée à environ 90 à 110 degrés selon la nature des solvants contenus et à une vitesse de montée se situant entre 1,5 degrés par seconde et 3,5 degrés par seconde. La deuxième phase marque généralement un palier en légère montée. Cette phase consiste à mettre en action d'une façon soutenue et efficace les activateurs de surface permettant de désoxyder les surfaces métalliques à braser et permettant ainsi de réduire les tensions de surfaces afin de favoriser le mouillage de ces parties métalliques par l'alliage qui entre en fusion lors de la phase numéro trois. Nous voyons donc que cette phase deux est très importante, le profil thermique met en mouvement deux actions successives : chimique et physique. La troisième phase consiste à élever la température des sites à braser à une valeur suffisante pour faire passer la crème à braser de l'état solide à l'état liquide et ensuite d'assurer une diffusion de l'alliage en fusion dans les plages d'accueil. A ce stade il s'agit d'une action métallurgique déterminante conditionnant la qualité de F intermétallique ainsi constitué. La phase quatre est une étape de refroidissement dont la vitesse est très importante car elle conditionne la structure métallurgique du joint brasé. Nous voyons donc que le profil thermique conditionne la réalisation des brasures. Or, sur les circuits électroniques actuels les brasures sont de plus en plus nombreuses, de ce fait les brasures doivent être réalisées collectivement dans le même générateur de calories. De même les composants à interconnecter sont de plus en plus hétérogènes. Il est aisé de comprendre que la qualité métallurgique d'une brasure devrait être indépendante du type de connexion ou du type de composant concerné. Or les élévations de températures en fonction du temps ne peuvent pas être les mêmes pour des connexions de surfaces identiques mais qui supportent des composants de tailles très différentes. Ainsi sur une même carte, nous pouvons avoir des composants dont le rapport de masse varie de un à mille. De même, chaque composant aura des comportements différents vis à vis du rayonnement infrarouge, certains CMS vont se rapprocher d'émissivités proches de 0,9 à 1 tandis que d'autres très brillants auront des émissivités proches de 0,2. Ces valeurs montrent à quel point nous encourrons le risque d'observer une multitude de profils thermiques très différents malgré la réalisation collective des brasures relatives à un même circuit du fait du passage dans le même générateur de calories.
Généralement les fours utilisés en assemblage électronique se présentent sous forme d'un tunnel divisé en plusieurs zones et traversé par un convoyeur. Lorsque la carte à traiter circule sur le convoyeur, elle est successivement soumise aux conditions régnant dans les différentes zones. Le paramétrage de la température de chaque zone ainsi que la vitesse de passage de la carte permet de faire subir un profil thermique à la carte. Le brevet JP 07 254781 décrit une application pour laquelle un four est utilisé et qui permet de contrôler la forme des joints brasés entre un composant et un substrat. En particulier la méthode décrite permet de maîtriser l'espace entre le dit composant et le dit substrat, cet espace ayant un impact direct sur la fiabilité de la liaison brasée mais ne décrit aucun moyen pour réaliser les cycles de températures. Afin de traiter les problèmes de plus en plus cruciaux et préoccupants sur le plan qualitatif, induits par les contraintes thermiques, un certain nombre de réponses ont été apportées ces dernières années, Ces solutions visent précisément à proposer des moyens de minimiser le plus possible les écarts entre les profils thermiques extrêmes d'une même carte. Les fours à rayonnement infrarouge émis par des panneaux radiants ou des lampes à quartz, bien qu'il s'agisse d'un moyen de chauffe très efficace, ont été progressivement abandonnés car les variations d'émissivités ainsi que les différences d'exposition au rayonnement infrarouge des composants sont de nature à provoquer des différences de températures très importantes entre connexions, conduisant inexorablement à des variations qualitatives de brasures sur une même carte. La technologie phase vapeur ou méthode dite par condensation qui utilise le principe de changement d'état d'un gaz lors de son passage à l'état liquide pour libérer des calories et provoquer l'élévation de température est une technique qui n'est utilisée que dans des faibles volumes de production car elle se prête mal à la mise en ligne et de plus cette technique permet de traiter uniquement la troisième phase du profil thermique. La technologie la plus couramment utilisée à ce jour est la convection forcée d'air ou d'azote. Cette technique consiste à échauffer le gaz et à le faire circuler à une certaine vitesse sur le circuit. L'avantage de ce procédé par rapport à l'infrarouge est qu'il permet de niveler les écarts thermiques encore appelés amplitude thermique entre les plus grosses masses et les petites et ainsi il assure une meilleure homogénéité de température. Toutefois cette homogénéité n'est obtenue qu'au prix d'une vitesse de montée en température ne dépassant pas certaines valeurs, sinon l'écart entre grosses et petites masses s'accentue encore. De plus la vitesse de circulation des gaz ne peut pas dépasser certaines valeurs, typiquement de l'ordre de 4m/s, car ceci est de nature à provoquer des déplacements de composants sur le circuit électronique. Pour juguler ce dilemme il est nécessaire d'avoir des fours sous forme de tunnel à passage relativement long en fonction des volumes de production à assurer. Pour ces fours à convection, dans la zone de refusion, les températures nécessaires sont évidemment élevées et de ce fait il y a une production de rayonnement infrarouge, ce qui est de nature à provoquer un écart thermique en fonction de Fémissivité. Quant au refroidissement des brasures réalisées, ce problème est difficilement traité par la convection, en effet il est aisé de comprendre qu'il est plus facile d'homogénéiser des températures sur une période de temps relativement longue et c'est ce qui se passe dans la montée, or dans la descente, la nécessité métallurgique exige une baisse très rapide des températures or dans ce cas les connexions des gros composants subiront bien souvent une vitesse de descente trop faible par rapport aux petits ce qui provoque des différences de structures métallurgiques. Dans le brevet US4,832,249 A est décrit un four qui trouve son application dans le domaine du brasage des cartes électroniques. Par contre ce document suggère d'utiliser le rayonnement infrarouge comme moyen de chauffage, alors que le demandeur cherche précisément à éviter ce mode de chauffage. En effet, comme cela est expliqué dans la demande, le rayonnement infrarouge génère des hétérogénéités de température importantes sur la carte électronique car ces dernières comportent des composants de masses thermiques et d'émissivités très différentes. Ceci est encore plus critique avec l'avènement de composants présentant les entrées/sorties sous forme matricielle cachées sous le corps du composant et qui ne perçoivent donc pas le rayonnement infrarouge. Le brevet US5,573,174 décrit un autre type de four constitué par des caissons étanches individuels pouvant recevoir chacun une carte électronique à traiter. Le profil thermique est obtenu en injectant un gaz comme de l'air ou de l'azote à une température qui varie en fonction du temps dans le caisson. Pour augmenter la performance de chauffage, il est également évoqué la possibilité de disposer des éléments radiants dans le caisson. Ce dispositif vise à améliorer le contrôle du profil thermique sur la carte en permettant par exemple un meilleur contrôle de l'atmosphère régnant dans le caisson et surtout en évitant les phénomènes d'interactions entre les différentes zones d'un four tunnel. Bien que ce type de fours offre une souplesse temps température plus importante que les fours tunnel, il ne permet pas d'améliorer l'homogénéité des températures sur les cartes car il utilise les mêmes modes de transfert de calories que les fours tunnel, c'est à dire la convection et le rayonnement, qui comme cela est évoqué plus loin génèrent des hétérogénéités de température. De plus, comme chaque caisson ne peut recevoir qu'une seule et même carte, il est nécessaire de prévoir un système d'aiguillage relativement complexe.
Le transfert de calories par conduction est certainement le plus rapide et le plus efficace mais il est impossible de le réaliser correctement car un circuit sensiblement plan ne peut toucher une plaque chauffante régulièrement sur toute sa surface. Le circuit se déforme sous l'effet de la chaleur et au maximum il y aura trois points de contacts.
La solution consistant à plonger un circuit électronique dans un liquide chauffé selon le profil thermique désiré est intéressante sur le plan thermique car toutes les surfaces sont enveloppées par ledit liquide chauffé et celui-ci transfère ses calories par conduction. La montée en température des composants est idéale car elle est directement maîtrisable par le profil thermique subit par le liquide. L'inconvénient majeur d'une telle solution est que la crème à braser est lavée lors de la mise en contact avec le liquide, ce qui rend cette solution inenvisageable. L'application brasage ou collage de composants sur une carte électronique génère comme cela a été évoqué précédemment un certain nombre de contraintes.
La première de ces contraintes est sans aucun doute d'assurer une bonne homogénéité de température durant tout le profil thermique et quel que soit le type de carte électronique. Plusieurs paramètres concourent au respect de cette contrainte :
- la mise en mouvement du fluide gazeux selon un écoulement turbulent pour générer un flux convectif le plus uniforme possible sur la carte et limiter au maximum la formation d'une couche limite quelle que soit la géométrie et la disposition des composants. De façon théorique ceci est respecté si le coefficient de transfert thermique est le plus élevé et le plus homogène possible.
- limiter l'écart de température entre le fluide gazeux et la pièce à chauffer. En effet, en plus des hétérogénéités liées aux différences de masses thermiques m x c (m étant la masse des différents composants et c étant la capacité calorifique correspondante), le flux d'énergie convective n'est pas transmis uniformément sur la carte. Le coefficient de transfert thermique peut varier dans des proportions de 1 à 5 selon la disposition des composants sur la carte et le générateur de flux gazeux. Par exemple, une connexion qui se situe en dessous d'un composant voit un coefficient de transfert thermique beaucoup plus faible qu'un petit pavé résistif qui est placé devant une buse d'injection de gaz chaud. Par conséquent un flux gazeux présentant une température trop élevée par rapport à celle de la carte (par exemple un écart supérieur à 300°C) est une source d'hétérogénéité de température sur les cartes électroniques. - réduire le rayonnement infrarouge en diminuant l'émissivité et la température des parois par rapport à celle de la pièce à chauffer (par exemple un écart de 300°C maximum associé à une émissivité de l'ordre de 0,3 donne de bons résultats). En effet comme cela a été dit précédemment les émissivités varient de façon importante sur la carte et par conséquent le chauffage par rayonnement infrarouge constitue une source d'amplitude thermique importante sur une carte.
- maximiser le chauffage par conduction thermique dans le fluide de façon à niveler les écarts de températures entre les différentes zones de la carte.
La deuxième contrainte liée à l'application réside dans le fait qu'il faut limiter la vitesse de circulation du fluide gazeux pour ne pas déplacer les composants durant le cycle de température (cette vitesse devra par exemple rester en dessous de 4 m/s).
Une troisième contrainte de l'application implique de pouvoir provoquer et contrôler des variations rapides de température sur la carte (plusieurs degrés par seconde) afin par exemple de minimiser les risques d'affaissement de la crème à braser lors de la première phase de mise en température ou encore pour assurer une structure métallurgique de qualité grâce à un refroidissement efficace de plusieurs degrés par seconde. Cette contrainte peut être respectée en combinant :
- un niveau de convection important par le biais d'un coefficient de transfert élevé tout en maintenant la différence de température entre le fluide et la carte à un niveau satisfaisant (inférieur à 300°C), - un niveau de conduction important dans le fluide gazeux tout en maintenant la différence de température entre la paroi et la carte à un niveau satisfaisant (inférieur à 300°C). Une quatrième et dernière contrainte de l'application est de ne pas condenser les vapeurs de flux générées par l'opération de brasage sur les parois du four pour minimiser les temps d'arrêt nécessaires au nettoyage du four. Le respect de cette contrainte est assuré à condition de vérifier que la température de paroi du four soit toujours supérieure à celle du fluide gazeux utilisé.
La présente invention vise à améliorer l'efficacité du transfert thermique en apportant une solution globale qui va permettre d'utiliser les avantages de chacune des technologies de chauffage en évitant leurs inconvénients et en tenant compte des contraintes de l'application de brasage ou de polymérisation en vue de braser ou de fixer les composants sur une carte électronique.
La technologie qui permet d'assurer le plus rapidement et de la façon la plus homogène en accord avec les exigences chimiques et métallurgiques une montée et une descente en température selon un profil thermique bien défini la plus indépendante possible de l'hétérogénéité des composants en présence est assurément la meilleure. L'invention consiste à donner un moyen pour augmenter l'efficacité ou la vitesse du transfert de calories par conduction en utilisant toutes les surfaces en présence, en évitant tout phénomène de lavage de la crème à braser ou de la colle et ceci de façon quasi indépendante des composants électroniques en présence. Elle se caractérise essentiellement en ce que le transfert de calories est obtenu par convection forcée et par conduction dans une enceinte, dans laquelle règne une atmosphère à pouvoir de conduction supérieur à 0,04 W.m"1. K"1 et à capacité calorifique supérieure à l,5KJ.Kg"1.K"1, permettant ainsi un couplage thermique efficace entre les cartes électroniques et la source de température, A titre d'exemple non limitatif, ladite atmosphère peut être de l'hélium ou un mélange d'hélium et d'air ou d'azote, en effet l'hélium présente des caractéristiques thermiques notamment sa capacité calorifique et sa conductibilité thermique particulièrement intéressantes pour l'application. Ce gaz présente aussi l'avantage d'être l'un des moins dense qui soit, ce qui va éviter tout phénomène de lavage et de dislocation de la crème à braser. La structure moléculaire permet à ce gaz de se loger dans les moindres interstices ce qui permet d'atteindre les zones les plus cachées, par exemple les points de connexion d'un flip-chip tout en maintenant des vitesses de fluides raisonnables (inférieures à 4 m/s). Pour des valeurs égales à deux fois celle de l'air ou de l'azote en ce qui concerne la conductivité et la capacité calorifique, des expérimentations en laboratoire montrent que l'efficacité du transfert thermique est amélioré de façon significative. L'atmosphère ainsi constituée joue et assure un rôle de vecteur de calories entre la source de température et la carte électronique à braser en permettant un couplage thermique efficace qui permet d'augmenter simultanément la vitesse du transfert thermique tout en diminuant l'amplitude thermique liée à l'hétérogénéité des composants présents sur la carte.
La conductibilité thermique de l'hélium λ est de 0,43 W/m°K, sa capacité thermique massique à pression constante est de 5,2 Kj/kg. Comparé à l'air pour lequel λ=0,024 et capacité thermique est égale à 0,718, la conductibilité thermique de l'hélium est multipliée par 5,83 et la capacité thermique est multipliée par 7,24. Par conséquent l'hélium permet de répondre à toutes les contraintes imposées pour la fixation de composants sur une carte électronique que ce soit par brasage ou par collage. En effet l'hélium présente un coefficient de transfert thermique environ 2,5 fois supérieur à l'air dans des conditions équivalentes, ce qui associé à sa bonne conductibilité et à sa capacité calorifique, lui permet de combiner une bonne homogénéité de température à une efficacité de chauffage et de refroidissement importante tout en conservant des écarts de température raisonnables entre le fluide et la pièce, et, les parois du four et la pièce, ainsi qu'une vitesse de circulation de fluide gazeux modérée. Selon l'invention des essais en laboratoire ont prouvé qu'il devient significativement intéressant d'utiliser une atmosphère présentant un pouvoir de conduction supérieur à 0,04W.m_1. K"1 et une capacité calorifique supérieure à l^KJ.Kg K"1 remplissant une enceinte étanche dans laquelle sont placés les circuits électroniques à braser ou à polymériser. Les parois de cette enceinte sont chauffées par un moyen approprié intégré ou indépendant à ladite enceinte, dans un tel cas de figure, si nous négligeons le transfert calorifique par rayonnement infrarouge nous sommes en présence d'un transfert énergétique par conduction et par convection naturelle car il n'y a aucun mouvement forcé dans l'enceinte étanche. Ainsi les parois chauffées transmettent les calories par conduction au gaz présent dans l'enceinte et lui-même les transfère à son tour au circuit électronique à braser. Un couplage thermique est réalisé entre les surfaces chauffantes et le circuit par l'intermédiaire du gaz. Grâce à ce couplage, il n'est pas nécessaire d'avoir une différence de température très importante entre la pièce à chauffer et les parois du four, dans certains cas une différence de moins de 10°C est suffisante. En fonction de la vitesse de montée en température désirée les parois de l'enceinte contenant le gaz seront plus ou moins chauffées. Pour augmenter la vitesse de montée de la masse il suffit de déplacer la couche limite du gaz entourant toutes les surfaces de la masse. Ce déplacement de couche limite pourra se faire par exemple avec un ventilateur ou des venturis de mise en mouvement du gaz ou du mélange interne à l'enceinte. Pour une même température de paroi d'enceinte des essais en laboratoire ont montré une augmentation de vitesse de montée en température de 20 % en régime statique par rapport à l'air et une augmentation de 40 % en régime dynamique en utilisant un mélange gazeux d'air et d'hélium. Dans ces mêmes conditions, il a été constaté une diminution de l'amplitude thermique liée aux hétérogénéités des composants sur la carte électronique en régime dynamique par rapport à un régime statique, c'est-à-dire chaque fois que l'on évite la formation d'une couche limite. Le brevet Japonais JP61251413 utilise de l'hélium gazeux à cause de ses propriétés non oxydante et de conductivité pour effectuer la refusion de la crème à braser. Dans cette application, il n'y a aucune convection de l'atmosphère, ceci a pour conséquence de générer une hétérogénéité encore plus importante des températures en fonction du volume et des masses des composants en présence car il se produit une couche limite formant une barrière isotherme. Par conséquent, il est obtenu dans ce cas là l'effet inverse de ce qui est recherché à savoir, une hétérogénéité encore plus importante des températures liée à l'hétérogénéité des composants en présence sur la carte électronique. Dans une telle situation, il ne sert à rien de chercher à améliorer le transfert thermique car c'est au détriment de la qualité métallurgique des brasures qui n'auront pas subies les mêmes profils thermiques.
Une autre forme de mise en œuvre de l'invention consiste à chauffer séparément le gaz dans une enceinte indépendante de l'enceinte de brasage. Dans ce cas, le profil thermique de l'hélium est étroitement associé au profil thermique du circuit à braser. Cette disposition permet de faire subir à l'enceinte contenant les circuits à braser le même profil thermique que les circuits à braser, il suffît que celle-ci possède une inertie très faible pour que la totalité du volume et des surfaces en présence soient thermiquement couplés. Le gaz chauffé dans une enceinte indépendante est considéré dans ce cas comme un vecteur ou porteur de calories qui se charge et se décharge dans un flux circulatoire continue. Les molécules de gaz se chargent en calories par conduction au contact des zones chaudes de l'enceinte de chauffe et libèrent leurs charges thermiques par déplacement de la couche limite sur la totalité des surfaces à chauffer dans l'enceinte de travail. Cette méthode permet d'exploiter d'une façon indépendante et maîtrisable les caractéristiques thermiques du gaz, à savoir sa haute conductibilité et sa haute capacité thermique. D'une certaine façon conduction et convection sont additionnées pour fournir l'énergie désirée au moment voulu. Ce cas de figure permet de minimiser l'incidence du rayonnement infrarouge dans l'enceinte de travail. La température du gaz contrôlée à l'entrée de l'enceinte de travail combiné au débit de celui-ci et à sa vélocité procurent une élévation de température programmée des surfaces en présence. Il est notable de constater que ces deux propriétés conduction et capacité thermique utilisées dans ces conditions de mise en œuvre permettent de minimiser de façon significative par rapport à l'air les effets induits par les variations de masse thermique liées aux hétérogénéités de composants sur une carte. De ce fait, la corrélation entre le profil thermique reçu par une carte et le profil thermique subit par le gaz devient beaucoup plus précis qu'avec l'air ou tout autre gaz inerte ou non.
Compte tenu du prix du gaz utilisé par rapport à l'azote, une autre caractéristique du dispositif selon l'invention permet de le faire fonctionner en circuit fermé recyclable. Après chaque cycle thermique le gaz encore chaud est prélevé par aspiration en passant au préalable par un condenseur de fumées et est stocké dans une réserve permettant sa réutilisation au prochain cycle. Cette caractéristique s'applique aux deux formes de mise en œuvre de l'invention précédemment citées.
Le refroidissement constitue une étape très importante dans le processus de formation du joint brasé, elle conditionne notamment la structure métallurgique finale de la brasure. De même que pour la montée en température, il pourra être utilisé un gaz directement refroidi au contact des parois thermiquement régulées de F enceinte de travail. Ou bien un circuit indépendant avec enceinte de refroidissement qui permet de faire circuler le gaz à température, vélocité et débit contrôlé afin de capter par convection les calories directement au contact des éléments à refroidir.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enceinte de travail peut recevoir plusieurs circuits pour subir le cycle de refusion ou de polymérisation simultanément. Ainsi, si le cycle de refusion dure 150 secondes et que l'enceinte peut recevoir vingt circuits, le temps de cycle par circuit correspond à 7,5 secondes. Evidemment un nombre plus important de circuits conduirait à des temps de cycle encore plus faibles. De façon alternative, il est également envisageable de multiplier le nombre d'enceintes. Le four selon l'invention, permet donc sur une surface au sol environ trois fois plus petite, d'atteindre des niveaux de productivité deux fois supérieurs aux installations actuelles tout en assurant un niveau de qualité supérieur.
Selon une autre caractéristique de l'invention le gaz ou le mélange gazeux présentant un pouvoir de conduction supérieur à 0,04W.m"1.K"1 et une capacité calorifique supérieure à l^KJ.Kg ïC1 peut être utilisé dans un four tunnel comparable aux fours convectifs de Fart antérieur, dans lequel les cartes défilent ce qui permet d'assurer une production en continu. Evidemment il faudra prévoir des dispositifs de confinement à l'entrée et à la sortie du four pour isoler l'intérieur du four avec le milieu extérieur. Ce confinement pourra être réalisé, soit avec des sas d'entrée ou de sortie, soit avec des rideaux de flux gazeux, soit encore par des chicanes selon le niveau de confinement que l'on souhaite obtenir.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible d'améliorer de façon significative la conductibilité et la capacité calorifique du gaz utilisé qui dans ce cas pourrait être de l'air ou de l'azote en faisant préalablement barboter dans de l'eau ledit gaz afin de le charger en humidité relative.
Selon un mode de réalisation particulièrement inventif et dans la mesure où le gaz utilisé présente une densité nettement inférieure à l'air (comme l'hélium pur ou en mélange par exemple), il peut être judicieux que le convoyeur qui traverse l'enceinte présente une partie centrale surélevée par rapport à l'entrée et à la sortie de la dite enceinte, de sorte que le gaz soit naturellement confiné dans l'enceinte.
Naturellement, dans le cas du four tunnel à défilement, il est tout de même judicieux de prévoir un système d'extraction et de condensation des fumées en particulier dans la zone du pic de refusion en vue d'un recyclage. De façon préférentielle, la phase de refroidissement est réalisée par injection de gaz froid pour éviter les phénomènes de condensation des capteurs de flux sur les parois dans cette zone. On peut par exemple maintenir un écart de température positif et contrôlé entre les parois de la zone de refroidissement et le flux gazeux dans cette zone. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture des dessins et de leurs descriptions données à titre d'exemples non limitatifs.
En figure 1, est représenté un four convectif de Fart antérieur. En figure 2, est présenté à titre d'exemple un dispositif de mise en œuvre de la présente invention.
En figure 3 est représenté à titre d'exemple une variante du dispositif de mise en œuvre de la présente invention.
En figure 4 est représentée à titre d'exemple une variante de la présente invention.
La figure 1 montre en coupe un four convectif (2) dans lequel les cartes (1) à braser défilent grâce au convoyeur (4) successivement dans les six zones du four. Chaque zone du four étant constituée de deux ensembles de part et d'autre du convoyeur comprenant chacun un élément chauffant (3), un dispositif de mise en mouvement du fluide présent dans le four et qui peut être de l'air ou de l'azote et un diffuseur (37). En réglant les températures de consignes de chaque élément chauffant et en contrôlant la vitesse de défilement du convoyeur, on génère un profil thermique sur la carte (1). Par contre, il est aisé de comprendre que deux zones successives vont avoir une influence mutuelle de l'une sur l'autre et par conséquent sur le produit à traiter. La figure 2 représente un générateur de calories conducto-convectif selon la présente invention. Les cartes à braser (1) sont disposées dans un rack composé de la partie (6) et de la partie (7) qui est ajustable en largeur en fonction des cartes à braser, grâce au système de réglage (8).
L'enceinte (17) du générateur de calories est constituée par la cloche (18) et par la pièce (16) sur laquelle repose le rack. Le cycle de brasage est obtenu selon la gaimne suivante :
- mise en place des cartes (1) dans le rack,
- fermeture de l'enceinte pour la montée de la pièce (16) en contact avec (18) selon la direction F, - chauffage du rack selon un cycle de température contrôlé. Ceci pourra être obtenu par des résistances chauffantes disposées sur le rack. En même temps que le rack monte en température, le gaz contenu dans l'enceinte et dans le circuit (13) est mis en mouvement selon le sens A par le dispositif (12).
- refroidissement des cartes par la suppression du chauffage du rack et par la poursuite de la circulation du gaz dans (13). Si l'efficacité de refroidissement n'est pas suffisante, il est envisageable de placer un module (14) de refroidissement du gaz sur le circuit (13). Il est à noter que ce module (14) peut également être utilisé comme réchauffeur si on désire obtenir une montée en température plus efficace.
- arrêt de la mise en mouvement du gaz,
- ouverture de l'enceinte par la descente de la partie (16). Si le gaz a une densité plus faible que l'air, il restera dans l'enceinte à condition de ne pas générer de turbulences.
De façon alternative et pour être certain de ne pas avoir de fuite de gaz, il est également envisageable de vider l'enceinte avant son ouverture et de remplacer le gaz par de l'air et inversement lors de la fermeture de l'enceinte.
- évacuation des cartes traitées et remplacement par des cartes à braser ou à polymériser.
Lors de la circulation du gaz, les orifices (9), (10) et (11) permettent le passage du gaz et son réchauffement au contact de (6) et (7) et ainsi de transmettre les calories à la fois par conduction et par convection aux cartes (1). Cette disposition permet d'obtenir un niveau de conduction extrêmement important car celui-ci est directement proportionnel à ^(ΔT) avec :
- λ étant la conductibilité du gaz,
- e étant la distance entre la paroi chaude et le corps à chauffer,
- ΔT étant la différence de température entre la paroi chaude et le corps à chauffer.
En effet, nous avons vu précédemment à titre d'exemple que la conductibilité de l'hélium est environ sept fois supérieure à celle de l'air et d'autre part, grâce à la forme de la partie (6) du rack, les cartes sont à une distance faible de la paroi chaude. De plus, de par la mise en mouvement de l'hélium et de sa faible viscosité, on évite la formation de couches limites autour des zones à chauffer sur la carte, ce qui permet à la fois d'augmenter l'efficacité du chauffage tout en réduisant les écarts de température sur la carte. De façon, alternative et par souci de simplification, il est envisageable de chauffer les parois (18) au lieu de chauffer le rack composé de (6) et de (7). Pour éviter les phénomènes de condensation de vapeurs sur le rack et les parois et ainsi l'encrassement de ces parties, on pourra disposer un condenseur (15) sur la conduite (13) et ainsi récupérer les résidus de flux dans le condenseur. En même temps, il faut que les températures du rack et de l'enceinte soient toujours supérieures à celle du gaz. En ce qui concerne le rack celui-ci est toujours à une température plus élevée puisque c'est la source chaude. Quant à l'enceinte , il est aisé de la maintenir à une température supérieure à celle du fluide, par exemple, par le biais de résistances chauffantes. En figure 3 est représenté une autre version de mise en œuvre du four conducto-convectif selon l'invention.
Cette disposition est caractérisée en ce qu'elle est composée de 3 modules indépendants :
- une enceinte de stockage (19) des circuits à braser ou à polymériser, - un module indépendant de chauffe et de circulation (20) de gaz pour les phases de montée en température des circuits à traiter,
- un module indépendant de refroidissement et de circulation (21) de gaz pour les phases de refroidissement des circuits à traiter,
Le module de stockage et de traitement (19) des circuits à braser est constitué par une enceinte étanche, autonome, transportable et déconnectable des modules de chauffe
(20) et de refroidissement (21). Cette enceinte de stockage (19) peut aussi rester à demeure et dans ce cas, les circuits à traiter sont stockés sur un dispositif de rangement intermédiaire puis amenés collectivement dans la chambre étanche (19).
Afin d'adapter le volume de traitement de la chambre (19) aux nécessités de la production à effectuer, ladite chambre (19) peut être ajustée en dimension par un dispositif mécanique non représenté. Ainsi il est possible de disposer d'un four à géométrie variable adaptable à tous les volumes de production. Le traitement séparé de la chauffe et du refroidissement dans les modules indépendants (20) et (21) permet de coupler d'une façon précise le profil thermique du gaz chauffé ou refroidi au profil thermique souhaité sur les circuits à traiter. En fonction du volume de production à réaliser et des temps de cycle désirés, un ajustement des températures, des débits et des vitesses de circulation du gaz sont effectués par un système de régulation paramétrable non représenté sur la figure. Le module de chauffe et de circulation (20) est utilisé pour les phases de montée en température et neutralisé dans la descente. Il est composé d'une source (22) permettant de moduler la température de chauffe du gaz ou du mélange selon la température désirée. Un organe de mise en mouvement (23) du gaz chaud permet de faire circuler celui-ci dans le module de traitement (19) à travers le trou (26). Le gaz chaud libère ses calories par conduction et convection au contact des circuits à traiter. Le gaz refroidit au contact des circuits, repart au travers de l'orifice (27) en passant par un condenseur (15) afin de capter les fumées puis il retourne à nouveau dans le réchauffeur (22) pour un nouveau cycle.
Le module de refroidissement et de circulation (21) est utilisé pour la phase de descente en température et neutralisé dans la montée. Il est composé d'une source (24) permettant de moduler la température de refroidissement selon la température désirée. Un organe de mise en mouvement (25) du gaz froid permet de faire circuler celui-ci dans le module de stockage (19) à travers l'entrée (28). Le gaz capte les calories au contact des circuits à refroidir. Le gaz ainsi réchauffé repaît par l'orifice de sortie (29) et circule de nouveau à travers le refroidisseur (24) en passant au préalable par un condenseur (35). Afin d'automatiser l'ensemble du four conducto-convectif les modules indépendants de chauffe (20) et de refroidissement (21) sont chacun d'eux équipés de pompes à vide (31) et (33) avec mise à l'air libre ayant comme fonction respective de vider l'enceinte (19) de son air après son chargement de circuits, de transférer le gaz chaud ou froid contenu dans l'enceinte (19) dans des réservoirs tampon (30) ou (32) après les phases de fin de chauffe et de fin de refroidissement et enfin de remplissage d'air à température ambiante pour la phase d'évacuation des circuits brasés. Une bouteille de stockage de gaz à haute pression (34) peut alimenter les réservoirs tampon (32) et (30). Selon le niveau d'impuretés acceptées, le gaz ainsi recyclé pourra être conservé plus ou moins longtemps.
En figure 4, est représenté un four tunnel à passage selon la présente invention. Un convoyeur (4) transportant les produits à chauffer (1) traverse le four de gauche à droite. La partie centrale du four est surélevée par rapport à l'entrée et la sortie de sorte à confiner le gaz l'atmosphère gazeuse (36), qui a une densité inférieure à celle de l'air, dans l'enceinte.
Dans sa partie centrale le four est équipé de 5 zones de chauffe constituées d'un dispositif de chauffage (3), d'un dispositif de mise en mouvement du gaz (5) et d'un diffuseur (37). Les fumées extraites au niveau de la dernière zone de chauffage par le biais des conduites (38) sont refroidies dans le condenseur (15) en vue d'épurer le gaz (36) puis de le réinjecter au niveau des zones de chauffage par le biais des conduites (39) et au niveau de la zone de refroidissement par le biais de (40). Au niveau de la zone de refroidissement il est également disposé un dispositif de mise en mouvement du gaz (41) et un diffuseur (42). Pour éviter des pertes importantes de gaz, il est envisageable de placer des dispositifs de confinement de tout type connus à l'entrée et à la sortie du four.
Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut faire varier la nature du gaz ou la composition de l'atmosphère (36) en fonction de la zone du four tunnel à passage et en fonction de l'efficacité de transfert thermique nécessaire. D'une façon générale, il peut être judicieux d'adapter des atmosphères différentes en fonction de la zone à traiter du profil thermique. Par exemple, il est envisageable dans le cas du four de la figure 4 d'injecter un mélange présentant un pouvoir de conduction et une capacité calorifique supérieure au niveau du pic de refusion alors que l'entrée du four ne nécessitera pas le même gaz qui pourra par exemple être de l'air ou de l'azote à ce niveau.
Selon une autre caractéristique, le dispositif selon l'invention peut avantageusement utiliser une atmosphère (36) fonctionner sous une pression supérieure à la pression atmosphérique et ainsi favoriser le processus d'échanges thermiques.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est judicieux de sélectionner un gaz ou un mélange gazeux qui en plus des caractéristiques thermiques supérieures à celles de l'air soit également un gaz inerte de sorte à ne pas oxyder les surfaces à braser durant le cycle de chauffage. Eventuellement le gaz utilisé pourra présenter des caractères réducteurs ce qui participera au décapages des surfaces.
Les avantages industriels procurés par l'invention sont de deux ordres : technologiques et économiques. Sur le plan technologique, le procédé permet d'élever d'une façon significative le niveau de qualité global des brasures du fait du resserrement des profils thermiques extrêmes dont une carte électronique est le siège à cause des hétérogénéités de composants en présence. Cet avantage est de nature à améliorer simultanément la fiabilité des systèmes électroniques ainsi que leur durée de vie.
Sur le plan économique, le procédé permet d'augmenter de façon significative la productivité en raccourcissant les temps de brasage du fait de l'amélioration des transferts thermiques et de disposer conjointement de fours beaucoup moins encombrants. Les améliorations apportées par la présente invention, sont particulièrement nécessaires pour les crèmes à braser sans plomb qui nécessitent des températures de fusion supérieures avec des niveaux de productivité au moins équivalents aux crèmes de types Sn-Pb 63-37.
Plusieurs gaz ou mélanges gazeux ont été testés et ont donnés des résultats prometteurs. A titre d'exemple non limitatifs les gaz suivants peuvent être utilisés :
- l'hélium,
- l'hélium mélangé à de l'air,
- l'hélium mélangé à de l'azote, - l'hydrogène mélangé à de l'azote dans des proportions non explosives
- l'hélium mélangé à de l'argon,
Selon une autre caractéristique de la présente invention et grâce au couplage thermique réalisé par le gaz ou le mélange entre la source chaude et la pièce à traiter, il est possible de contrôler le profil thermique subit par les cartes électroniques à chauffer en suivant le profil thermique subit par l'atmosphère gazeuse (36) régnant dans l'enceinte.

Claims

Revendications :
1) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants caractérisé en ce que le profil thermique nécessaire à l'opération de refusion ou de polymérisation soit obtenu par transfert de calories par convection forcée et par conduction dans une enceinte dans laquelle règne une atmosphère à pouvoir de conduction supérieur à 0,04 W.m^.K"1 et à capacité calorifique supérieure à 1,5 KJoule.Kg K"1, assurant un rôle de vecteur de calories entre la source de température et la carte électronique à braser et permettant ainsi un couplage thermique efficace qui permet d'augmenter simultanément la vitesse du transfert thermique tout en diminuant l'amplitude thermique liée à l'hétérogénéité des composants présents sur la carte.
2) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est inerte pour éviter les phénomènes d'oxydation.
3) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est de l'hélium.
4) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est un mélange d'air et d'hélium. 5) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est un mélange d'azote et d'hélium.
6) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est un mélange d'air et d'hydrogène.
7) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est un mélange d'azote et d'hydrogène.
8) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère utilisée est constitué par de l'azote ou de l'air saturé en humidité. 9) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le contrôle du profil thermique subit par les cartes électroniques est assuré par le suivi du profil thermique subit par l'atmosphère régnant dans l'enceinte. 10) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon la revendication 1, et une ou plusieurs revendications suivantes caractérisé en ce que la nature du gaz ou la composition de l'atmosphère (36) varie en fonction de la zone à traiter du profil thermique et en fonction de l'efficacité de transfert thermique nécessaire. 11) Procédé de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle, selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'atmosphère (36) est sous une pression supérieure à la pression atmosphérique.
12) Dispositif de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants caractérisé en ce qu'il associe une enceinte (17), (19) dans laquelle règne une atmosphère gazeuse ayant un pouvoir conducteur supérieur à 0,04W.m"1.K"1 et une capacité calorifique supérieure à l^KJ.Ï g^.I 1, à un moyen de mise en mouvement (5), (12), (23), (25) de ladite atmosphère.
13) Dispositif de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants selon la revendication
12 caractérisé en ce que l'enceinte est traversée par un convoyeur (4) sur lequel les cartes défilent en continu,
14) Dispositif de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants selon les revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le convoyeur (4) qui traverse l'enceinte présente une partie centrale surélevée par rapport à l'entrée et à la sortie de la dite enceinte, de sorte que si le gaz ou le mélange gazeux (36) présent dans ladite enceinte est plus léger que l'air, il y soit confiné.
15) Dispositif de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants selon les revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'atmosphère (36) vecteur de calories par convection et conduction est chauffée et refroidie par une mise en température des parois constitutives de l'enceinte (17), (19) ou du four tunnel à passage.
16) Dispositif de refusion de crème à braser ou de polymérisation de colle sur une carte électronique en vue d'y fixer des composants selon les revendications 12 à 14, caractérisé en ce que l'atmosphère (36) vecteur de calories par convection et conduction est chauffée et refroidie dans des modules indépendants de chauffage avec circulation (20) et de refroidissement avec circulation (21).
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