Brevet FR2003802A1 — publié le 19691114

L'invention concerna des dispositifs pour la réalisation d« soudures tendres sur des couches métalliques très fines dans la technique des couches minces et épaisses. Alors qu'il y a une vingtaine d'années encore, dans le câblage 5 d'appareils électriques et électroniques, les connexions s'effectuaient par soudage de fils conducteurs de 0,4 à 1,0 mm d'épaisseur ou de diamètre, aujourd'hui les conducteurs des circuits imprimés usuels n'ont une épaisseur que de l'ordre de 0,035 mm. Dans les débuts de cette technique, des difficultés ont surgi du fait qu'au 10 cours du processus de soudage la bande conductrice se trouvait plus ou moins dissoute dans la couche de soudure en donnant lieu à des coupures de courant. On a introduit il est vrai assez rapidement des soudures spéciales fondant à des températures basses afin de maintenir les vitesses de dissolution du cuivre à des valeurs faibles 15 non dangereuses. Etant donné cependant que les vitesses de dissolution ont présenté des variations importantes selon les endroits d' un montage imprimé et qu'une uniformité de cette vitesse ne pouvait être atteinte'même par la mise en oeuvre de divers moyens de flux et de soudures spéciales, on devait se contenter d'un comproais &p-20 proximatif et accepter ces inconvénients tant que l'on évitait la dissolution totale ou presque totale du cuivre. Dans la technique des couches minces, les bandes conductrices métalliques sont souvent déposées par vaporisation des métaux sous vide avec utilisation de masques. Les épaisseurs des bandes conduc-25 trices sont de l'ordre du micron. Avec cette dimension, le danger de dissolution augmente dans une mesure extraordinaire ; il est pratiquement impossible de réaliser sur des bandes de ce genre des zones de soudage de qualité constante. L'invention a pour objet de permettre le soudage sur des ban-30 des conductrices de ce genre en évitant les dangers qui viennent d' être exposés. Dans les soudages auxquels se rapporte l'invention, au moins 1' un des éléments et plus souvent les deux éléments qui doivent être assemblés par soudage, sont habituellement pré-étamés avec un allia-35 ge de soudure. Les éléments sont assemblés par soudage sous l'influence de la chaleur, les couches de pré-étamage relativement é-paisses (20 à 40 microns) entrant en fusion et se solidifiant à 1' état assemblé sous pression après coupure de la source de chaleur. Dans un tel soudage, les éléments pré-étamés se trouvent approchés 40 l'un de l'autre d'un chemin qui correspond au maxiroara à l'épaisseur 69 07082 2 2003802 d® l'une ou à la somme des deux couches de pré-étamage. Sens la pratique, ce chemin se situe par exemple aux environs de 50 i» du chemin maximal possible. l'invention consiste en ce que ce mouvement de rapprochement 5 au cours du soudage des éléments à assembler est utilisé afin de provoquer au moment opportun la coupure ou interruption de la source de chaleur, moment où s'établit une diffusion mutuelle suffisante du métal dans la zone ou les zones de soudure, i cet effet, 1' invention prévoit à côté d'un dispositif pour la compression élas-10 tique des éléments à assembler et pour l'adduction de chaleur à la zone de soudage, des moyens (capteurs) qui, après enclenchement de la source de chaleur, sont sensibles au rapprochement des pièces qui se produit au commencement du processus de soudage et déterminent l'interruption de la source de chaleur. Grâce à cette dispo-15 sition, le processus de soudage se trouve instantanément interrompu à un moment où un soudage convenable s'est déjà produit sans que paisse être atteint un état dangereux pour la dissolution des bandes conductrices ou des pièces métalliques minces dans la soudure liquide. 20 Un autre avantage de l'invention réside dans l'uniformité ab solue des soudures. L'expérience a montré que le besoin de chaleur varie d'un endroit de soudage à l'autre parce que, dans le cas de ■ couches épaisses pré-étamées par exemple, la couche de pré-étamage n'a absolument pas uns épaisseur unif orme ou que les surfaces à eoa-25 der ne sont pas égales. Pour des caractéristiques données de la source de chaleur, les temps d'échauffement nécessaires sur couche épaisse présentent des écarts allant jusqu'à 30 et même jusqu'à 60 fl> dans le cas de couches minces, de sorte que les réglages constants du temps ou de la température de soudage ne peuvent jamais 30 conduire à une qualité uniforme de la soudure. Le progrès technique réalisé par l'invention se manifeste |ga- * le ment dans le cas par exemple de soudage sur des couches métalliques vaporisées les plus fines ou les plus minces, en or par exemple. En cas de soudage sur or, l'or se dissout dans la soudure avec 35 une rapidité tell^que le soudage même se trouve interrompu. Avec les moyens de l'invention, on peut souder sur des couches d'or d'épaisseur n'excédant pas une fraction de micron avec des soudures normales à base de zinc et de plomb sans qu'il se manifeste de dissolutions dangereuses. Ceci tient au fait que l'assemblage par sou-40 dage sous pression s'effectue par suite d'une diffusion intervenant 69 07082 2003802 dans une certaine mesure déjà en deçà du point de fusion, donc à des températures oîi une dissolution dangereuse n'est pas encore pos sible, même dans le cas de couches métalliques vaporisées les plus minces. 5 Pour la détection du début du mouvement d'approche qui inter vient par suite des phénomènes de diffusion déjà à une température inférieure au point de fusion de la soudure, on peut faire app-^1 à un capteur approprié, par exemple à un palpeur du genre à cadran. Comme moyen pour l'interruption de la source de chaleur après com-10 mencement d'une réduction de la distance des pièces ou éléments à souder, il est prévu un dispositif à fonctionnement photoélectrique, capacitif ou inductif, qui, en fonction des indications du capteur, délivre un signal à un dispositif connecté à la suite et adapté à provoquer l'interruption de la source de chaleur. On peut 15 faire intervenir par exemple un dispositif qui libère ou qui coupe un faisceau de lumière sous l'action du capteur et assure ainsi 1' interruption de la source de chaleur, le dispositif de détection du mouvement d'approche peut également coopérer avec la lame métallique mobile d'un condensateur à air dont le mouvement provoque 1' 20 interruption de la source de chaleur par variation de capacité. Etant donné que les chemins que les pièces ou éléments ont à parcourir lors de leur assemblage par soudage peuvent être très petits et que la pression ne peut naturellement pas être augmentée arbitrairement, il peut se produire dans la réponse du capteur, pai 25 exemple dans le palpeur, une certaine traînée qu'il est facile de surmonter par la mise en oeuvre d'un ronfleur faisant office de générateur de vibrations, par exemple d'un moteur de sonnette. lorsque pendant 1'échauffement, on fait marcher simultanément un tel vibreur, on exclut les moindres freinages ou traînées et 1' 30 on obtient une détection absolument précise du commencement du soudage. Il peut être avantageux de monter en parallèle avec le vi- i breur une horloge électronique ou un compteur de fréquence afin d'\ obtenir un contrôle de la dispersion des temps effectifs de souda-; ge. 35 les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique d'un appareil donné à ti-1 tre d'exemple pour mise en oeuvre du nouveau procédé selon l'inven-40 tion ; * BAD ORlGiiHAL 69 07082 4 2003802 la figure 2 est une vue de détail, partie en coupe, illustrant schématiquement l'exécution d'un soudage ; les figures 3 d'une part, et 4A, et 4B d'autre part, illustrent deux autres exemples de réalisation d'un tel appareil. 5 Conformément à la forme de réalisation donnée à la figure 1, un capteur ou palpeur à cadran 1, connu en soi, est fixé, au moyen d'un support 12 monté ajustable en hauteur par une commande micrométrique, à une colonnette 3 portée par un socle 2. le support 12 porte un dispositif approprié 14 qui produit des 10 vibrations ; pendant la conduite du soudage, ces vibrations agissent sur le capteur par l'intermédiaire du support , et éliminent les traînées du mécanisme d'affichage de ce capteur. les circuits imprimés en couche mince ou épaisse à souder 5 sont, pour l'exécution du soudage, disposés au-dessus d'une ouver-15 ture 7 d'un plateau de travail 6. Comme source de chaleur, on utilise une lampe à halogène 4 comportant un miroir parabolique doré dont le foyer est focalisé sur l'emplacement de soudage. Le brasage des microcomposants 8 (représentés à échelle très agrandie) se fait de façon que, soit le conducteur, soit la surface 20 de soudage du composant, soit les deux, soient pré-étamés. Le pré-étamage 9 du composant 8 à souder, et, le cas échéant, le pré-éta-mage 10 du circuit imprimé 5» sont portés à des températures faibles, supérieures de quelques degrés au point de fusion. L'épais- • seur de chacune des couches de pré-étamage 9, 10 est d'environ 15 25 à 40 microns. Les éléments pré-étamés 8 et 5 sont disposés l'un au-dessus de l'autre, à l'emplacement de soudage, et sont comprimés 1' un avec l'autre au moyen du plongeur sous charge élastique 11 du capteur, jusqu'à ce que le cadran de ce dernier affiche environ 300 à 500 microns. On note très exactement ce chiffre et on chauffe le 30 film seulement par en-dessous, par exemple avec la lampe à halogène 4 commandée en tension et en temps, et focalisée sur l'emplacement de soudage. Dans le même instant où les couches de pré-étamage atteignent une température proche de la température de fusion ou à peine supé-35 rieure et dans le même instant également où le soudage prend place par un phénomène de diffusion et où les couches de pré-étamage se soudent l'une à l'autre, le capteur traduit par une modification d' environ 20 microns de la valeur affichée initialement le mouvement d'approche qui a eu lieu entre les éléments 8 et 5. Ce mouvement 40 correspond à une augmentation de la distance x.des composants, 8 vis- . BAD ORIGINAL 69 07082 5 2003802 à-ris da capteur, on da bord Inférieur du eapport 12. far assujettissement à cet affichage, la lampe à halogène, ou toute autre source de chaleur, est débranchée automatiquement, par exemple par interruption d'un rayon lumineux, ce grâce à quoi un élément au sélé-5 nium dans un relais de commande usuel interrompt le flux de la lampe à halogène. Les mouvements d'affichage du capteur à cadran ou d' un autre capteur approprié semblable peuvent aussi piloter une armature mobile dans un condensateur à air, ce grâce à quoi il s'ensuit une modification des caractéristiques du condensateur comaan-10 dant une interruption instantanée de l'alimentation de la source de chaleur. Il est possible d'utiliser de manière connue ce mouvement pour interruption de la source de chaleur par un dispositif à induction. L'invention n'est nullement limitée à l'utilisation d'une lampe à halogène focalisée, qui n'est donnée qu'à titre d'exemple de 15 aise en oeuvre. D'autres types de moyens de chauffage peuvent Stre utilisés. De tels exemples sont schématiquement mis en évidence sur l«s figures 3 d'une part et 4A et 4B d'autre part. Ces modes de mise en oeuvre présentent aussi une très grande sécurité pour le brasage d* 20 éléments intégrés sur des circuits imprimés,, pour lesquels des paquets de souvent cinq ou plus (Plat-Pack) peuvent être soudés ensemble en une seule fois. La figure 3 contre l'utilisation comme é-lément de transfert de chaleur d1 une lame ou bande de chauffage é-lastique 20 en forme de U, dont les hranches sont pressées légère-25 ment sur les éléments à souder en raison de pliures élastiques latérales 22. La bande de chauffage 20 est fixée à un support 28 qui, au moyen d'un engrenage à vis sans fin est réglable en hauteur sur la colonnette 3 sous la commande d'un bouton de blocage 26. La bande de chauffage est chauffée par un courant à basse ten-30 sion. Le capteur 1 est, de façon semblable à ce qui a été décrit en référence à la figure 1, porté par un support 12 monté mobile en hauteur sur la colonnette 3* Le support 12 est également pourvu d' un vibreur ou ronfleur non représenté, lequel peut aussi être disposé sur le support 28. Le capteur 1 palpe la bande de chauffage 20 35 an point le plus profond de celle-ci au-dessus de sa zone de contact avec les composants 8 et 5 à souder. Au moment du soudage, la distance x qui sépare la zone de soudage 24 de la bande de chauffage . vis-à-vis du support 28 ou bien du capteur, augmente ; le capteur indique en conséquence cette augmentation de distance, ou en d'au-40 très mots, la durée du soudage jusqu'à la fin de celui-ci dans des BAD ORIGiHAt 69 07082 6 2003802 o-oBditioaa qui restent conetanugsnt semblables, ët à c# eo®sht il provoque l'interruption da chauffage de soudage. Le bouton de commande 26 rend possible, grâce à cm engrenage à vis sans fin, le réglage de la précontrainte suivant laquelle la bande élastique est 5 appliquée aux éléments à souder. Le matériau de la bande de chauffage est de préférence un alliage qui n'est pas soudable ou qui est difficilement étamable, par exemple un alliage au nickel-chrome contenant du béryllium, et qui présente une élasticité ne variant pratiquement pas lorsque la tem-10 pé rature augmente. Il y a aussi d'autres alliages semblables convenables, qui ne se laissent pas ou qui se laissent difficilement étara® r. La disposition représentée sur les figures 4JL et 4-B, qui sont deux vues orthogonales 1'un» par rapport à l'autre représentées par-15 tiellesent en coupe, set en évidence l'utilisation comme organe de soudage d'une bande métallique 36 chauffée électriquement ; cette bande 36 n'est pas construite d* manière à présenter par elle-même de l'élasticité, mis au contraire est portée par un dispositif de support qui est sous charge élastique. Ce dispositif se compose d'un 20. logement cylindrique 30 dans lequel une pièce métallique 32 en forme de piston est montée mobile de bas en haut avec le minimum de frottement grâce à un roulement à billes non représenté. Sur la face inférieure du piston 32 est fixé un élément en porcelaine 34 qui, à sa surface inférieure, porte l'organe de soudage 36 ; ce dernier a 25 une forme de gouttière et est réalisé à l'aide de l'alliage décrit ci-dessus pour la bande de chauffage métallique ; cet organe de soudage est, durent le soudage, chauffé par l'intermédiaire de conducteurs électriques 38, 39« La bande de chauffage 36 est fixée à la partie inférieure dt la pièce en porcelaine 34 avec interposition d' 30 un volume libre 44, de sorte que, durant le soudage, il n'y a qu'une quantité minimale de chaleur qui est transmise à la pièce 34 et que la bande métallique se refroidit rapidement après interruption du flux de chaleur. Le piston 32 se tient sous une charge ou une précontrainte élastique réglable par l'intermédiaire d'un "ressort 37, 35 dont la précontrainte est réglable par une tête de vissage 40. Le plongeur 42 du capteur 1 peut entrer en contact avec la surface supérieure du piston 32. Comme pour la forme de réalisation décrite en référence à la figure 3» l'organe de soudage proprement dit 30 est porté par un support 28 réglable en hauteur grâce à un bouton de 40 blocage 26 et le capteur 1 est porté par un support 12 qui, comme 69 07082 2003802 précédemment, est réglable en hauteur sur la colonnette 3. Pour l'exécution d'un soudage, le circuit imprimé 5 est placé sur la plaque de base 2 du bâti, après quoi les composants à souder 8 et l'organe de soudage 36 sont amenés à l'emplacement de soudage. 5 Dans cette position, les éléments à souder sont pressés 1'un contre l'autre avec la pression nécessaire, par _ réglage approprié de la précontrainte du ressort 37 qui est commandée par une tête de vissage, et/ou par réglage de la position en hauteur du support 28, et le plongeur 42 du capteur 1 est appliqué sur le piston 32. Après mise 10 en oeuvre du flux de chauffage délivré par les conducteurs 38, 39 et en raison du mouvement de rapprochement des éléments 5j 8 lors du processus de soudage en cours ou bien lors de la diffusion du métal de soudage qui prend naissance déjà en deçà du point de fusion le plongeur 42 entre en action sur le capteur, par suite de l'aug-15 mentation de la distance x, et provoque l'interruption du flux de soudage par l'intermédiaire des dispositifs décrits ci-dessua. 69 07082 8 2003802 MSTEHDICAHOHS 1) Dispositif pour le soudage d'éléments pré-étamés avec des couches métalliques, par exemple de circuits imprimés à conducteurs étamés, caractérisé en ce q.ue sont prévus des dispositifs pour presser ensemble de manière élastique les éléments à souder les uns cort- 5 tre les autres et pour appliquer de la chaleur à l'emplacement de soudage, et en ce que sont en outre prévus des dispositifs q.ui, a-près mise en oeuvre de la source de chaleur, sont sensibles au début de la diminution de distance entre les dits éléments, lors du soudage en cours, et provoquent l'interruption de cette source de 10 chaleur. 2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' un dispositif photoélectrique, capacitif ou inductif, est prévu comme moyen assurant l'interruption de la source de chaleur après le début d'une diminution de distance des éléments à souder, lequel 15 dispositif, sensible aux indications d'un capteur, envoie un signal à un dispositif connecté à la suite, au moyen duquel la source de chaleur est mise hors'circuit. 3) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que un dispositif est prévu qui, lors de la réponse du dispositif assu- 20 rant l'enregistrement du mouvement de rapprochement des éléments à souder, libère ou interrompt un rayon lumineux, et, par là, provoque l'interruption de la source de chaleur. 4) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif pour l'enregistrement du mouvement de rapprochement 25 des éléments à souder coopère avec l'armature métallique mobile ou pivotante d'un condensateur à air, dont le mouvement provoque, par une modification des caractéristiques du condensateur, l'interruption de la source de chaleur. 5) Dispositif suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 4» 30 caractérisé en ce que le dispositif prévu pour l'affichage de la diminution de .distance qui a lieu entre les éléments à souder, est un capteur, par exemple un palpeur à cadran, et en ce que ce dispositif est lié à un vibreur ou ronfleur qui est en action pendant le soudage. 35 6) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes, pour le soudage en particulier de pièces avec plusieurs éléments assemblés ou plusieurs, éléments alignés, caractérisé en ce 69 07082 9 2003802 qti« on utilise comas source de chaleur pour le soudage une bande métallique élastique ou montée élastiquement qui est susceptible d' être chauffée électriquement et de résister à la chaleur, et qui applique aux éléments à souder une faible pression, et en ce que le 5 mouvement de la dite bande lors de la diminution de distance des dits éléments se transmet au dispositif de palpage. 7) Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la bande élastique est pliée en forme de ïï, et en ce que ses branches comportent latéralement des pliures. 10 8) Dispositif pour le soudage d'éléments pré-étamés à des cou ches métallique», par exemple de circuits imprimés à conducteurs pré-étamés, en particulier suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sont prévus des dispositifs pour presser ensemble élastiquement les éléments à souder, des dis-15 positifs pour diriger de la chaleur sur l'emplacement de soudage, des dispositifs qui après mise en oeuvre de la source de chaleur sont sensibles au début d'une diminution de distance entre les éléments lors de la conduite du soudage, et des moyens qui indiquent le temps qui s'écoule entre le début du chauffage de soudage et le 20 début de la dite diminution de distance.