Brevet FR2064188A1 — publié le 19710716

Dans les différents arts de conditionnement, les techniques d'assemblage par reflux de soudure trouvent de nombreuses applications. L'une de ces appli «cations consiste à coupler un conducteur de circuit électronique à un panneau de circuits imprimés. Afin de réaliser cette opération, le con-5 ducteur ou le fil est d'abord recouvert d'une mince couche dB soudure. On laisse cette dernière durcir, puis, lorsque le moment arrive de coupler le circuit électronique au panneau de circuit imprimé, on met le conducteur en contact avec un point de connexion approprié sur le panneau. On expose ensuite le conducteur à unB température dépassant le point de fusion de la 10 soudure, provoquant ainsi le reflux de cette dernière. On laisse ensuite le conducteur refroidir et la soudure durcir, établissant ainsi un couplage entre le circuit électronique et le panneau de circuit imprimé. Dans l'exemple ci-dessus, seue le conducteur du circuit électronique était recouvert de soudure. Toutefois, dans une application réelle, le panneau de circuits 15 imprimés serait lui aussi recouvert d'une couche de soudure. Dans une opération d'assemblage par reflux de soudure, la première étape consiste, comme on l'a mentionné ci-dessus, à recouvrir l'élément à assembler de soudure. L'élément, par exemple un fil, peut Stre initialement recouvert de soudure en employant l'une ou l'autre de deux méthodes bien connues, à 20 savoir, le plaquage électrolytique ou l'application thermique. Les techniques d'application thermique de la couche de soudure, qui sont les plus employées, exigent que la soudure entre en fusion à un moment donné lors de l'application de la couche. Des exemples de ce type de procédé sont la technique dite d'immersion et la technique dite de vague. La technique 25 d'immersion consiste simplement à plonger le matériau dans un bain de soudure en fusion, ce qui a pour résultat de faire adhérer à sa surface une mince couche de soudure en fusion. La technique dite de vague consiste à faire passer l'élément à travers un jet de soudure en fusion, ce qui a également pour résultat de faire adhérer une couche de soudure en fusion à sa surface. 30 Lorsque la soudure en fusion durcit, l'élément est prSt à subir l'opération de reflux de soudure. L'autre méthode bien connue d'application d'une couche de soudure sur un élément est la technique du plaquage électrolytique. L'élément est placé dans un bain de sels d'étain et de plomb, utilisé comme cathode pendant un 35 certain temps, puis retiré du bain. Ceci a pour effet de plaquer une couche de soudure sur la surface de l'élément. Les techniques d'application thermique et électrolytique de soudure ont toutes deux des avantages et des inconvénients. Par exemple, les techniques thermiques ne permettent pas de commander l'épaisseur de la couche de 40 soudure appliquée sur l'élément. Lors du conditionnement d'éléments de circuits 70 32150 2 2064188 miniaturisés, les tolérances deviennent critlquesj un excès de soudure peut facilement provoquer des court-circuits. Il n'existe aucune façon de commander de façon commode l'épaisseur de la couche appliquée sur l'élément lorsqu'on utilise une méthode thermique d'application de soudure. Un autre inconvénient 5 de cette méthode est que la soudure a tendance à s'accumuler sur les zflnes de dimensions importantes et à se retirer des zônes de faibles dimensions. Dans le cas, par exemple, d'une bande conductrice de panneau de circuits imprimés ayant approximativement la forme d'un sablier, la soudure, si elle est appliquée selon un procédé thermique sur une telle bande conductrice, sera 10 très épaisse sur les parties les plus larges de la bande et au contraire très mince ou même inexistante sur la partie centrale du "sablier". Un inconvénient supplémentaire de la méthode d'application thermique est l'effet dit "de couronne". La soudure, lorsqu'elle se solidifie a en effet tendance à adopter une forme de profil convexe sur les zfines sur lesquelles elle est 15 déposée. Au lieu d'être complètement plate, la couche de soudure adopte une forme hémisphérique sur la zfine qu'elle recouvre. La technique d'application de soudure par plaquage êlectrolytique ne présente pas les inconvénients mentionnés ci^dessus. La soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique ne forme pas de "couronne," mais recouvre 20 d'une couche d'épaisseur uniforme la zone sur laquelle elle est appliquée. De plus, elle n'a pas tendance à s'accumuler dans les zones de dimensions importantes et à se retirer des zones plus petites. Elle recouvre toutes les "zones, grandes ou petites, d'une façon uniforme. En outre, son épaisseur peut être commandée avec une grande précision. Les dépôts excessifs dB soudu* 25 re sur un élément de circuit peuvent être facilement évités en commandant de façon adéquate le temps de plaquage de la soudure. En raison des avantages qu'elle présente, et qui ont été mentionnés ci»dessus, la technique de plaquage êlectrolytique de soudure a suscité un grand intérêt dans l'industrie du conditionnement électronique lors de son 30 lancement il y a une douzaine d'années. La soudure appliquée selon cette technique semblait convenir idéalement aux circuits miniaturisés qui sont très largement utilisés dans le matériel moderne. Toutefois, l'intérêt suscité par ce procédé n'a duré que peu de temps en raison du principal inconvénient qu'il présente: contrairement à ce qui se passe dans le cas de la soudure 35 appliquée selon un procédé thermique, l'intervalle de temps entre le moment où la soudure appliquée selon un procédé êlectrolytique est initialement déposée sur l'élément et le moment où elle fait l'objet d'un reflux lors de l'opération finale d'assemblage, est extrêmement court. La soudure appli» quée selon la méthode êlectrolytique ne se prête à des applications de reflux 40 de soudure, que pendant une période de temps relativement courte. Le reflux 70 32150 3 2064188 doit obligatoirement avoir lieu moins d'une semaine après l'application initiale de la soudure si l'on veut être certain que l'assemblage sera satisfaisant. Après une semaine environ, la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique, lorsqu'elle est soumise à une température dépassant sa tempéra-5 ture de fusion, perd sa mouillabilité et ne constitue plus un assemblage satisfaisant. Dans le cas d'une application de soudure selon la méthode thermique, l'intervalle de temps mentionné ci-dessus sst beaucoup plus grand et varie entrB six mois et un an. De ce fait, un élément de circuit peut §tre fabriqué en grandes quantités, recouvert de soudure par des procédés 10 thermiques, et stocké jusqu'à ce que l'on soit prêt à l'utiliser. L'élément peut alors être rapidement assemblé à l'emplacement particulier requis par la technique de soudure par reflux. La soudure appliquée selon le procédé êlectrolytique doit au contraire être utilisée rapidement, le reflux de soudure devant avoir lieu dans un délai d'une semaine environ comme indiqué 15 ci-dessus. Ceci constitue un inconvénient extrêmement important dans un environnement complexe de fabrication. La coordination au point de vue chronologique, de l'assemblage des différents éléments de circuits et panneaux de circuits imprimés, serait critique si l'on utilisait de la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique. Il faudrait alors qu'un panneau de circuits 20 imprimés et tous les différents éléments de circuits qui doivent être assemblés sur celui-ci soient recouverts de soudure au cours d'une mime semaine. Ceci est extrêmement incommode dans le cas de programmes de fabrication com-ple£Set de grande envergure» , Il serait donc très avantageux de mettre au point une technique permet-25 tant de combiner les avantages respectifs des méthodes d'application de soudure thermique et êlectrolytique, c'est-à-dire de combiner, d'une part, la possibilité de contrôle élevée de la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique et, d'autre part, le long intervalle de terrps qui s'écoule, dans le cas de la soudure appliquée selon la méthode thermique, entre le moment où 30 la soudure est initialement déposée sur l'élément et le moment où elle fait l'objet d'un reflux. La soudure classique se compose d'un alliage d'étain et de plomb dont le pourcentage psut varier légèrement, la composition eutec-tique étant de 63% d'étain et 34% de plomb. Les études qui ont été faites ont démontré que l'exposition prolongée à l'atmosphère n'avait pas d'effets 35 par trop défavorables sur l'étainj la capacité de l'étain d'être utilisé en tant que soudure et sa mouillabilité demeurent bonnes même après une exposition prolongée à l'atmosphère. Par contre, le plomb pur exposé à l'atmosphère perd très rapidement sa capacité d'être utilisé en tant que soudure ainsi que sa mouillabilité. Dans ces conditions, il semblerait que, pour augmenter 40 l'intervalle de temps entre le moment où la soudure est initialement déposée 70 32150 4 2064188 sur un élément et le moment où elle fait l'objet d'un reflux, il faille augmenter la proportion d'étain et diminuer la proportion de plomb dans l'alliage employé. En fait, il semblerait qu'un alliage composé de 100% d'étain soit idéal. On a constaté que ce raisonnement était exact, sauf en ce qui 5 concerne un point important. Lorsque le pourcentage d'étain dans l'alliage augmente, le point de fusion de l'alliage augmente aussi. Un problème toujours présent dans le cas des opérations de reflux de soudure est la très grande de susceptibilité à la chaleur des circuits miniaturisés modernes et des supports époxydes des panneaux de circuits imprimés. Un autre problème affé» 1q rent à l'utilisation d'alliages comportant un pourcentage élevé d'étain est la tenue médiocre des assemblages obtenus. On a constaté que l'étain pÛr, lorsqu'il fait l'objet d'un reflux, forme des composés intermétalliques, par exemple, Cu^Sn et Cu^Sn^, lesquels affaiblissent les points de soudure dans des proportions inacceptables. En augmentant le pourcentage d'étain 15 dans l'alliage, on tend à augmenter l'intervalle de temps mentionné ci-dessus, mais ce faisant, on produit une soudure moins solide et qui a un point de fusion dangereusement élevé. Il est don c évident que le fait d'augmenter le pourcentage d'étain dans l'alliage ne résoud pas parfaitement le problème posé. 20 II ressort de ce qui précède qu'il serait très avantageux d'obtenir une couche de soudure possédant tous les avantages de la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique (absence de "couronne", possibilité de commander l'épaisseur de la couche, adhésion aux zone de faibles dimensions) ainsi que les avantages importants de la soudure appliquée selon un procédé thermi-25 que (long intervalle de temps entre le dépôt initial et l'opération de reflux). Le revêtement optimum, en plus des avantages mentionnés ci-dessus, -devrait également pouvoir conserver le point de fusion relativement bas et la grande solidité de la soudure classique. En conséquence, l'un des objets de la présente invention est de fournir 30 un revêtement de soudure offrant un long intervalle de temps entre son dépôt initial sur un élément et son reflux lors de l'opération finale d'assemblage. Un autre objet de l'invention est de fournir un revêtement de soudure présentant les avantages afférents à la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique. 35 Un autre objet de l'invention est de fournir un revêtement de soudure offrant un long intervalle de temps entre son dépôt initial sur un élément et son reflux lors de l'opération finale d'assemblage, offrant également une possibilité de contrôle élevée et permettant de réaliser des assemblages d'une solidité comparable à celle rendue possible par la soudure classique. 40 Un autre objet de l'invention est de fournir un revêtement de soudure 70 32150 5 2064188 supportént sans dommages un long intervalle de temps entre son dépôt initial sur un élément et son reflux lors de l'opération finale d'assemblage, offrant également une possibilité de contrôle élevée et conservant le bas point de fusion de la soudure classique. 5 On a découvert que les objectifs mentionnés ci-dessus peuvent être atteints en appliquant une couche de soudure d'une composition désirée sur un élément en employant une méthode êlectrolytique, puis en plaquant sur cette couche de soudure une couche d'étain brillant. On a constaté que la couche d'étain brillant ne modifie pas le point de fusion de la couche de soudurB. La couche 1q d'étain brillant appliqués selon la méthode êlectrolytique permet à la couche de soudure de conserver sa capacité d'être utilisée en tant que soudure pen» dant de longues périodes (par exemple dsux ans au lieu d'une semaine dans le cas de la soudure appliquée selon la méthode êlectrolytique ordinaire]. Etant donné que, comme on l'a observé ci-dessus, la température de fusion et par conséquent aucune formation de composés intermétalliques susceptibles 30 de rendre l'assemblage cassant. Comme on l'a mentionné plus haut, le plaquage êlectrolytique de soudure sur un élément est un procédé bien connu. Le plaquage êlectrolytique d'étain brillant sur la couche d'étain et de plomb préalablement appliqués électro-lytiquement peut être effectué en utilisant des techniquss de plaquage clas-35 siques. Un exemple d'une méthode particulièrement efficace de plaquage de la soudure et de la couche extérieure d'étain brillant est donné ci-après: La première étape d'un procédé de plaquage consite à nettoyer l'élément. Celui-ci doit être dégraissé à l'aide d'une solution alcaline et plongé dans uhb solution d'acidB fluoborique dilué. Une fois nettoyé, l'élément doit 40 être préparé en vue du plaquage par un pré-plaquage de cyanure de cuivre. 70 32150 6 2064188 lequel constitue une exellente base pour le plaquage ultérieur. L'élément est ensuite plongé à nouveau dans la solution d'acide fluoborique dilué. Ce bain acide retire l'excédent de cyanure de cuivre et prépare la couche de cyanure de cuivre restant en vue d'une adhésion correcte de la soudure. 5 L'étape suivante consiste à plaquer effectivement la soudure sur l'élé ment. A cette fin, on dissout des sels d'étain et de plomb dans un bain. Par exemple, du fluoborate d'étain, du fluoborate de plomb, de l'acide fluoborique et du peptone sont dissous dans de l'eau. Les pourcentages, par poids, d'étain et de plomb sont choisis de manière è plaquer une soudure composée 10 de 60% d'étain et de 40% de plomb. L'élément est ensuite utilisé comme cathode. On fait passer un courant à travers l'élément à raison de, par exemple, 2 0,03 ampère par cm (à température ambiante). Après plaquage, l'élément, qui est à présent recouvert de soudure, est retiré du bain et rinçé avec de l'eau. L'élément est ensuite préparé en vue 15 du plaquage d'étain en le plongeant dans un bain acide pour éliminer toutes les impQretés restantes. On prépare ensuite un bain composé de sulfate d'étain, d'acide sulfurique et d'additifs d'étain brillant. L'étain brillant produit une surface brillante, lisse, et essentiellement non poreuse. L'élément recouvert de soudure est ensuite plongé dans le bain d'étain brillant 20 et utilisé comme cathode. Des impulsions de 30 ampères sont transmises à travers l'élément pendant 30 secondes, et le plaquage restant est effectué 2 à raison de 0,15 ampère par cm . On a constaté que la pointe de 30 ampères est avantageuse pour un plaquage efficace. L'élément est ensuite retiré du bain, rincé avec de l'eau, et prêt à 25 subir tout autre traitement désiré, Le procédé décrit ci-dessus permet d'obtenir un revêtement de soudure offrant une possibilité de contrôle,élevée et pouvant être stocks pendant un temps extrêmement long avant de subir l'opération de reflux de soudure. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède les caractéristiques essen-30 tielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 32150 7 2064188 REVENDICATIONS 1.» Revêtement appliquable à un élément avant une opération de soudure par reflux, caractérisé en ce qu'il comporte: une couche de soudure appliquée sur la surface dudit élément par pla-5 quage êlectrolytique, et une couche d'étain appliquée sur la surface de ladite couche de soudure par plaquage êlectrolytique. 2,- Rev6tement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledits soudure est un alliage de plomb et d'étain. 10 3.» Revêtement selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit étain est de l'étain brillant. 4.» Revêtement de soudure appliqué à un élément par plaquage êlectrolytique en vue d'une opération de soudure par reflux caractérisé en ce qu'il comporta en outre: 15 une couche d'étain brillant appliquée par plaquage êlectrolytique sur ladite couche de soudure. 5.w Procédé de revêtement d'un élément permettant de rendre ledit élément soudable par reflux de soudure caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: 20 plaquage êlectrolytique d'une couche de soudure sur la surface dudit élément, et plaquage êlectrolytique d'une couche d'étain brillant recouvrant ladite couche de soudure. 6.* Procédé de soudure d'un premier élément à un second élément caractérisé 25 en ce qu'il comporte les étapes suivantes: recouvrir au moins un desdits éléments avec une première couche de soudure plomb-étain par des moyens d'électroplaquage, recouvrir ladite première couche avec une seconde couche d'étain brillant par des moyens d'électroplaquages et, 30 faire diffuser ledit étain brillant dans ladite première couche en chauf fant lesdites couches à une température supérieure à la température de fusian de ladite première couche.