Brevet FR2191399A1 — publié le 19740201

La présente invention concerne les circuits électroniqueseet ptus pêrticulièrement les circuits électroniques utilisant un support constitué par une carte de circuit imprimé sur lequel sont monté-s des circuits intégrés et/ou des composants discrets. Les circuits imprimés sont maintenant très largement utilisés dans la construction de#circuits électroniques réalisés à grande échelle. Cette technologie permet,en effet, d'obtenir des circuits électroniques présentant une densité de constituants très élevée et une bonne résistance aux contraintes mécaniques et thermiques. Malheureusement, les circuits imprimés présentent en contrepartie un certain nombre d'inconvénients. En particulier, l'étude et la réalisation d'un prototype sont très longues lorsque le circuit est du type à connexions en plusieurs couches. Des tentatives ont été effectuées pour mettre au point une conception assistée par ordinateur, mais s'il a été possible de réduire quelque peu les délais de conception, c'est au prix d'un coût excessivement élevé. Si ce coût est acceptable pour des séries importantes, il ne l'est plus pour de petites séries où on a en conséquence eu recours,jusqu'à présent, aux circuits câblés, en dépit de leurs défauts. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de constitution de circuits électroniques répondant mieux que ceux existant antérieurement aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils combinent les caractéristiques favorables du circuit intégré en tant que support à forte densité d'implantation et à fiabilité élevée et celles d'un câblage en ce qui concerne la rapidité de conception, la facilité et la souplesse d'exécution, particulièrement intéressantes dans le cas de petites séries. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé de constitution de circuits électroniques suivant lequel on effectue des connexions équipotentielles nécessaires du circuit entre des plages de soudage prévues sur une carte de circuit imprimé, par du fil conducteur isolé, soudé localement à plat sur les plages avec apport d'alliage fusible, et en ce que l'on fixe les composants actifs du système sur de telles plages. La mise en oeuvre du procédé peut s'effectuer en utilisant deux technologies légèrement différentes, mettant en oeuvre un fil fin (diamètre compris entre 1 et 3/10 de mm) recouvert d'une couche isolante en matériau volatilisable sous l'action de la chaleur (polyuréthane ou polyuréthane-nylon), fil qui sera par la suite appelé ttfil émaillé"0 Ce fil est fixé sur des pistes de cuivre imprimées, recouvertes d'une couche mince d'alliage fusi bie (étain-plomb en général), par soudage à plat. Suivant la première technologie, on utilise un fil émaillé préalablement dénudé et étamé dans les zones destinées à constituer les jonctions. Ces zones dénudées ont une longueur qui peut être de 1 mm seulement. L'opération de soudage s'effectue alors de façon simple, au fer à souder. Dans la seconde technologie, le fil émaillé est fixé sans dénudage et étamage préalables. Le fil fourni par une bobine débitrice est soudé à l'aide d'une machine à souder du type à refusion sur les pistes de cuivre recouvertes d'alliage fusible (couche d'étain-plomb de 20 à 30 microns d'épaisseur environ). Cette seconde solution se traduit par un dénudage du fil sur une longueur légèrement supérieure à la précédente, mais restant en général inférieure à 3 mm. La première solution a l'avantage d'une longueur de soudure plus faible que la seconde et de ne mettre en oeuvre qu'un fer à souder ordinaire à panne étroite. La seconde se prête mieux à une mise en oeuvre automatique ou semi-automatique et dle réduit le nombre d'opérations nécessaires, puisqu'il n'y a pas à préparer les tronçons de fil. L'invention propose également un dispositif électronique susceptible d'être réalisé par le procédé défini ci-dessus, dispositif constitué par un circuit électronique hybride comportant une carte de circuit imprimé, sur laquelle sont ménagées des plages métalliques de forme allongée revêtues d'un alliage fusible de soudage, carte portant également des connexions équipotentielles imprimées selon un réseau standard, les autres connexions équipotentielles étant constituées par du fil fin conducteur isolé raccordé par soudage avec métal d'apport aux plages correspondantes. Dans un mode particulièrement intéressant de la mise en oeuvre de l'invention, la plaque de circuit imprimé est à double face, les deux faces portant des plages correspondantes reliées par trous métallisés suivant une technologie courante. Les plages peuvent alors être réparties (sur une face ou sur les deux) de façon à correspondre aux diverses sorties des circuits intégrés courants G moyenne échelle ou à grande échelle, tels que ceux dits "flat-pack" et dual in liner. Par ailleurs, dans le cas de cartes à double face certains des composants peuvent être fixés,non pas directement sur des plages, mais sur des plots insérés à force dans les trous ou soudés dans ceux-ci. Dans ce cas, la tête du plot est, comme dans le cas dela piste, revêtue d'un alliage fusible de soudure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif constituant un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, et d'un procédé d'exécution de ce dispositif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique à grande échelle d'une fraction de l'une des faces d'une carte de circuit imprimé portant les connexions réalisées au moyen de fils souples fins, - la figure 2 représente une fraction, correspondant à celle de la figure 1,de l'autre face de la carte ; - la figure 3 montre schématiquement comment est effectuée la fixation du fil sur une plage par le procédé sans dénudage et étamage préalables; - la figure 4, similaire à la figure 3, montre comment peut être mis en place un composant discret par un procédé similaire à celui illustré en figure 3. Le dispositif illustré en figures 1 et 2 comporte une carte de circuit imprimé 10 conçue pour y souder des fils non dénudés préalablement. La carte comprend, de façon classique, un support isolant, par exemple en résine epoxy renforcée par de la fibre de verre. Sur l'une de ses faces cette carte comporte des rangées de plages 12, 13, 14 et 15 groupées pour constituer des motifs qui se répètent. Chaque plage est constituée d'une piste imprimée dont la longueur est d'au moins 3 mm et dont la largeur est au moins d'1 mm. Les plages d'une face communiquent par des trous métallisés 16, réalisés par un procédé classique, avec des plages imprimées prévues sur l'autre face de la carte 10 (fig.2). Ces plages sont constituées par des zones imprimées de cuivre, recouvertes d'un alliage fusible constituant métal d'apport pour le soudage. Une couche d'alliage étain-plomb de 25 microns d'épaisseur convient parfaitement dans la plupart des cas. Dans le mode de réalisation illustré en figures 1 et 2, l'une des faces est prévue pour recevoir les composants, l'autre les connexions. Le motif constitué par les plages de deux rangées adjacentes -12' et 13t par exemple- est prévu pour recevoir un circuit intégré 24 du type habituellement dénommé à sortie "dual in line". Il pourrait aussi bien être prévu pour un autre type de circuit intégré (ou des composants discrets; Sur la figure 1, ont -été indiqué des connexions permanentes réalisées sur la carte par le procédé dassique.Ces connexions 16, 17 et 18 correspondent par exemple aux alimentations, dont les dispositions sont les mêmes pour la plupart des circuits et qui, lorsqu'ils sont seuls pré-imprimés sur la carte, ne gênent pasltexécution d'une grande variété de circuits complexes. Dans le cas de motifs prévus pour recevoir des circuits intégrés "dual in line" il reste entre les deux rangées de plages associées à un même circuit la place nécessaire pour faire passer trois pistes de jonction en simple couche, comme on le voit à la partie droite de la figure 1 où trois pistes 19 sont schématisées entre les plages 14 et les plages 15. Les interconnexions équipotentielles à effectuer à la demande pour constituer un dispositif électronique complexe à partir d'une carte de circuit imprimé du type qui vient d'être décrit et de circuits intégrés en boîtier sont réalisées à l'aide de fil fin et souple émaillé, ce mot étant utilisé avec le sens qui a été défini plus haut. Seul sera maintenant décrit en détail le procédé de réalisation des jonctions du fil sans dénudage préalable des zones à souder. L'opération est schématisée sur la figure 3 où les épaisseurs sont très exagérées pour plus de clarté. La partie à fixer du fil 20,constitué par un conducteur en cuivre de 0,1 à 0,2 mm de diamètre (par exemple 0,2 mm) recouvert d'un émail constitué par une couche de polyuréthane de grade 2, garantissant un isolement sous 900 Volts, est posée à plat, sans dénudage préalable,sur la plage 12 à laquelleenedoit se raccorder, dans l'axe de celle-ci. Le fil 20 émaillé est placé contre cette plage conductrice 16 constituée de cuivre et revêtue d'une mince couche (20 à 30 microns environ) d'alliage fusible étain-plomb électrolytique. L'électrode chauffante 22 en tungstène ou autre métal réfractaire qui termine la tête 23 d'une machine à souder à refusion est appliquée contre le fil et la pince contre la plage d'étain-plottélectrolytique, le fil étant maintenu centré à l'aide d'un "crayon" débiteur spécial (non représenté).Lorsqu'on commande le passage d'uneimpulsionde courant dans l'électrode 22, la température de celle-ci s'élève fortement. L'émail est alors repoussé et L'étain-plomb de la plage vient mouiller le fil de cuivre 20, localement dénudé par la chaleur. Etant donné que les conditions de soudage (diamètre du fil, largeur de la plage, inertie thermique du support,..) restent les mêmes dans tous les cas, le réglage de la machine de soudage n'a pas à être modifié une fois réalisé. Les plages étant disposées suivant un motif immuable, les connexions, une fois choisies, peuvent être réalisées de façon semi-automatique, de façon simple, en plaçant la carte à un emplacement repéré à l'avance sur une table à déplacement X-Y commandé numériquement.L'opératrice affiche sur un clavier les positions successives qui doivent être reliées par un même fil, en se guidant sur un tableau d'adresses correspondant à chaque carte et qui aide à effectuer le câblage dans un ordre prédéterminé : après chaque soudage, elle indique sur le clavier le nombre de pas dont il faut déplacer la carte en X et en Y pour amener la plage appropriée sous l'électrode. La longueur de destruction de l'isolant reste inférieure à 3 mm. A la fin de l'impulsion de courant, l'alliage se solidifie et solidarise de façon énergique le fil 20 de la plage 16. A titre indicatif, on a trouvé que la force d'arrachement nécessaire pour désolidar#iser le fil était de l'ordre de 1,5 kg, alors que l'on considère comme parfaitement suffisante une force d'arrachement de 1 kg dans le cas du soudage d'une patte de circuit intég#ré type "flat-pack". Les connexions nécessaires peuvent être toutes effectuées par le même processus et l'on voit que les croisements s'effectuent sans aucune difficulté, étant donné que le fil est isolé en ligne courante. L'isolement obtenu est d'au moins 1800 Volts entre deux conducteurs qui se croisent, tels que les conducteurs 20 et 25 de la figure 1. La résistance électrique des fils est de l'ordre de 5 zohms par cm, c'est-à-dire du même ordre de grandeur que pour les connexions imprimées. Les circuits intégrés sont eux-mêmes fixés sur l'autre face par un procédé très similaire à celui qui vient d'être décrit. Il va sans dire que de tels circuits peuvent également être fixés sur le même face que les fils du câblage. Pour éviter que les fils une fois mis en place et vérifiés ne soient arrachés de façon intempestive par des tractions dues à des accrochages avec d'autres pièces ou par des vibrations, la carte, une fois munie de toutes les connexions câblées et des composants, est avantageusement revêtue d'une couche épaisse de vernis qui immobilisera les organes Le vernis est avantageusement de nature telle qu'il puisse être enlevé par "pelage1, pour permettre les réparations. On peut notamment utiliser des vernis polyuréthanes. Les avantages de 1 t invention ressortent de la description qui précède, il suffira de les rappeler brièvement. Les fils sont amagnétiques et leur self inductance est suffisamment faible pour permettre un fonctionnement jusque vers 100 MHz. Le poids reste du même ordre que celui d'un circuit imprimé multicouches, car les longueurs de connexion sont réduites étant donné que le cheminement peut être le plus direct possible. On arrive à des densités d'implantation élevées, pratiquement égales à celle obtenue avec les circuits multicouches, tout au moins dans le cas où l'on emploie des circuits intégrés en boîtier plat. Par exemple, on peut atteindre assez facilement une densité de 0,7 circuits type flat-pack à 14 sorties (circuits les plus utilisés dans le domaine spatial) par cm3. A ces avantages qui sont ceux du support type carte imprimée, l'invention ajoute la souplesse et la rapidité d'exécution, notamment dans la réalisation de petites séries de cartes à forte densité d'implantation élevée.La mise au point de prototypes est très facile puisque les soudures déjà effectuées peuvent être supprimées de façon très simple au fer à souder. Du fait de l'isolement, on peut faire toujours cheminer les fils émaillés d'une plage à une autre, alors que tel n'est pas le cas pour les circuits imprimés, sauf si l'on multiplie le nombre de couches Les circuits conformes à l'invention ont des caractéristiques qui leur permettent de répondre à des conditions d'emploi extrêmement sévères, telles que celles imposées par les applications spatiales. Leur fiabilité est élevée et leur tenue en température est satisfaisante entre -55 et +125"C, Les dilatations thermiques ont peu d'effet sur les soudures à plat et les fils qui gardent de la souplesse. Les fils enrobés de vernis polyurét#se comportent parfaitement sous des niveaux élevés de chocs et de vibrations. La tenue aux radiations et au vide de l'émail polyuréthane d'isolement est excellente. Les composants discrets nécessaires peuvent être fixés par un procédé très similaire à celui des fils, en utilisant la même machine de soudage à refusion avec un réglage différent. Comme le montre la figure 4, des pions ou plots 26 sont d'abord introduits à force ou soudés dans des trous métallisés d'écartement convenables et leur tête 27 est recouverte d'une couche mince d'alliage de soudage. Chaque patte 28 d'un élément 29 est ensuite soudée sur une tête 27 de plot en pinçant cette patte de façon classique entre la tête 27 et l'électrode 22 de la machine à souder. Ensuite, les liaisons par fils fins sont effectuées sur la queue des plots qui débordent de la carte et sont revêtus également d'urncouche d'alliage. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de constitution de circuits électroniques, caractérisé en ce qu'on effectue des connexions équipotentielles du circuit entre des plages de soudage prévues sur une carte de circuit imprimé par du fil conducteur isolé fin, soudé localement à plat sur les plages avec apport d'alliage fusible, et en ce que l'on fixe certains au moins des composants actifs du système sur de telles plages, disposées suivant un motif qui correspond à la disposition des sorties standards de tels composants. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dénude et étame le fil dans les zones destinées à constituer les jonctionsssavant soudage à plat. 3. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'on soude directement le fil, muni d'un isolant volatilisable, à l'aide d'une machine à souder du type à refusion, les plages étant préalablement recouvertes de l'alliage fusible. 4. Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on recouvre les plages, avant soudage des fils, d'une couche de soudure étain-plomb d'environ 25 microns d'épaisseur. 5. Dispositif électronique comprenant une carte de circuit imprimé sur laquelle sont ménagées des plages métalliques et des connexions imprimées entre les plages sous forme d'un réseau standard, caractérisé en ce que les plages sont revêtues d'un alliage fusible de soudage et en ce que les connexions équipotentielles du circuit non réalisées sous forme imprimée, sont constituées par des fils fins conducteurs isolés, raccordés par soudage à plat sur les plages correspondantes. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé est à double face, les deux faces portant des plages correspondantes reliées par trous métallisés, lesdites plages étant réparties suivant des motifs correspondant aux différentes sorties de circuits intégrés courants. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que certains des composants sont fixés sur des plots insérés à force dans les trous ou soudés dans les trous métallisés, la tête du plot étant revêtue d'un alliage fusible de soudage. 8. Dispositif suivant lune quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les plages présentent une largeur d'au moins un millimètre et une longueur d'au moins trois millimètres. 9. Dispositif suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la carte de circuit imprimé porte les composants actifs et éventuellement passifs-sur une face et les liaisons équipotentielles sur l'autre face. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le circuit, une fois réalisé, est revêtu d'un vernis épais immobilisant les fils isolés. 11. Carte support de circuit intégré, destinée à la réalisation d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce quille comporte, sur ses deux faces, des plages conductrices revêtues d'une couche mince de matériau fusible de soudage, groupées suivant des motifs correspondant au réseau des sorties de circuits intégrés de type courant et des connexions équipotentielles imprimées entre certaines des plages, correspondant au moins aux entrées d'alimentation desdits circuits intégrés.