Brevet FR2312916A1 — publié le 19761224

La présente invention se rapporte à une machine de surfusion dans un fluide des dépôts électrolytiques d'étain-plomb assurant le préétamage et la protection des conducteurs en cuivre des circuits imprimés. Il est connu depuis longtemps, pour protéger le cuivre des circuits imprimés et assurer une bonne soudabilité lors des opérations ultérieures de soudure, d'appliquer sur la surface du cuivre une couche protectrice. En effet la surface de cuivre parfaitement propre obtenue après la dernière opération de fabrication de la carte de circuit imprimé a une très bonne soudabilité. Mais cette surface peut s'altérer rapidement et présenter des ternissures et oxydations qui causent une dégradation considérable de la qualité et de la fiabilité des soudures effectuées ensuite. Pour éviter ces altérations, on a pensé à recouvrir la surface des conducteurs de cuivre d'une couche métallique protectrice qui évite l'oxydation et la détérioration du cuivre et améliore la soudabilité. Une solution possible est d'effectuer un revêtement d'or. L'or est un métal de grande inertie chimique ayant une bonne mouillabilité pour la soudure. Cependant c'est un métal cher, ce qui conduit à utiliser des dépôts de faible épaisseur dont la qualité est alors difficile à contrôler.D'autre part l'or a tendance à se solubiliser dans la soudure ce qui a deux inconvénients importants : d'une part, si la couche d'or est de mauvaise qualité et poreuse la couche sous-jacente de cuivre aura pu s'oxyder et, lors de l'opération de soudure, une fois ltor dissous, la soudure ne pourra mouiller la surface oxydée du cuivre qui n aura pu être nettoyée par le flux utilisé avant soudure, étant alors encore relativement protégée par la couche d'or; d'autre part, l'or se solubilisant dans la soudure la fragilise. Aussi le revêtement d'or est de plus en plus remplacé par le dépôt électrolytique d'un alliage d'étain et de plomb, comportant 63 % d'étain et 37 Z de plomb, qui correspond à la composition de l'eutectique étain-plomb et donne la soudabilité optimale. En général, on procède avec un tel dépôt électrolytique à une opération de surfusion (on dit encore refusion) par exemple dans un bain d'huile. Ceci a d'abord pour but d'homogénéiser le dépôt d'etainplomb, de chasser les gaz ccclus dans le dépôt lors de l'électrolyse et de controler le rapport étain-plomb environ 60Z-40Z de façon à obtenir par affinage un alliage eutectique homogene fondant à la température de 1830C qui donne 1Q meilleure soudabilité.En effet les dépôts électrolytiques se font facilement mais l'équilibre permanent des parametres de conduite des bains et de leur électrolyte pour obtenir un dépôt d'épaisseur et de concentration uniforme présente des difficultés. La structure du dépôt électrolytique obtenue est hétérogene et la fusion lors de soudure fait apparaître des failles alors que la pénétration intermoléculaire avec le support cuivre est mal contrôlée. Par ailleurs, cette opération de surfusion permet une vérification de l'état de surface du cuivre et de sa mouillabilité par l'alliage étain-plomb. En effet si la surface du cuivre n'est pas parfaitement propre, lors de la surfusion il se produit un retrait du dépôt d'étain-plomb, l'interpénétration moléculaire avec le cuivre qui assure l'adhérence ne se produisant pas.On a ainsi un moyen efficace de contrôle du nombre et de l'importance des défauts. Il existe un certain nombre de procédés et de machines permettant de réaliser la surfusion, en particulier dans un bain d'huile. Cependant toutes ces machines présentent des inconvénients. Dans le cas des machines à immersion dans un bain d'huile porté à une température convenable, le probleme qui se pose est celui de la surfusion des dépôts dans les trous métallisés du circuit imprimé. En effet dans ce cas la surfusion s'effectue d'abord sur la surface du circuit imprimé et l'apport de calories dans les trous n'est pas suffisant pour assurer une surfusion convenable pendant le temps d'immersion du circuit. Si l'on augmente la température du bain d'huile pour avoir une surfusion correcte dans les trous, la température de la surface du circuit imprimé est alors trop élevée pour la fusion de l'alliage eutectique, ce qui risque de conduire à l'obstruction des trous. Dans le cas de machines à vague d'huile verticale, l'huile de la vague pénètre essentiellement dans les trous et si l'on règle le temps de passage du circuit dans la vague de façon à avoir une surfusion correcte sur la surface du circuit imprimé, la circulation de l'huile dans les trous et l'apport de calories conduisent à une fusion du dépôt dans les trous trop importante et peuvent amener à une obstruction complète des trous à moins de réduire l'épaisseur du dépôt électrolytique, qui dans ce cas assure mal son rôle. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et d'obtenir une surfusion parfaitement homogène sur toute la surface de la carte de circuit imprimé en même temps que dans les trous quelle que soit l'épaisseur du dépôt utilisé. Selon l'invention il est prévu une machine de surfusion des dépôts d'étain-plomb pour circuits imprimés dans laquelle les cartes de circuits inr primés sont placées dans un bain d'huile dont la température est régulée, caractérisée en ce que ladite machine de surfusion comprend des moyens pour réaliser un écoulement laminaire d'huile sensiblement horizontal et en ce que les cartes de circuits imprimés sont disposées horizontalement au sein dudit écoulement laminaire. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparat- tront à l'aide de la description ci-après d'un exemple de réalisation et des dessins joints où - la figure 1 représente une vue en perspective avec éclaté de la machine selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe selon le plan I de la machine de surfusion selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupegrossie d'une carte de circuit imprimE dans l'écoulement laminaire d'huile, et - la figure 4 est un schéma d'un support de carte de circuit imprimé pour la machine de surfusion selon l'invention. Sur la figure 1est représentée une vue de la machine de surfusion selon l'invention. Celle-ci est constituée de manière à obtenir selon l'invention un écoulement laminaire d'huile horizontal, l'huile étant portée à une température convenable pour obtenir la surfusion du dépôt étain-plomb et les cartes de circuits imprimés étant placées horizontalement dans l'écoulement laminaire d'huile. De plus comme on. le verra ultérieurement, la vitesse d'écoulement de l'huile est uniformément accélérée, ce qui permet d'assurer un apport de calories très homogène sur toute la surface de la carte de circuit imprimé. Pour obtenir cet écoulement laminaire, la machine de surfusion est constituée de deux cuves à double paroi 1 et 2. La cuve extérieure 1 comprend une paroi extérieure 10 et une paroi interne 11 dont le fond 12 est incliné. Entre les deux parois 10 et 11 est disposé un isolant thermique tel que de la laine de verre. La cuve intérieure 2 a pour paroi externe- la paroi 11 qui est commune aux deux cuves et pour paroi interne la paroi 20 sur le fond 21 de laquelle s'écoule le flot laminaire d'huile 8. Ce fond 21 est plan sur la plus grande partie de sa surface et se termine par un repli 22 parallèlement au côté de la cuve vers lequel s'écoule le flot laminaire 8. Ce repli définit une fente 25 par laquelle s'écoule le flot d'huile et dont l'ouverture est réglée à l'aide d'une barre de réglage 5 dont la position peut être modifiée à l'aide de deux tiges filetées 7. Cette barre 5 est légèrement incurvée de façon que la fente ait une ouverture un peu plus réduite au centre qu'aux extrémités, la barre 5 étant plus haute au centre.L'ensemble de la paroi 20 est monté sur la cuve 1 de façon à être facilement démontable pour permettre le nettoyage des cuves. La partie repliée 22 comporte une ouverture 23 dans laquelle est placée une turbine 4 qui force l'huile à s'écouler vers l'espace entre les parois 21 et 12. Cette turbine 4 est entraînée par l'intermédiaire d'un engrenage conique et d'un axe permettant de disposer un moteur d'entraînement (non représenté) à l'extérieur des deux cuves. L'huile ainsi entraînée par la turbine 4 s'écoule entre des manchons cylindriques 6 vers la paroi de la cuve 2 opposée à la direction d'écoulement du flot laminaire 8, paroi dans laquelle sont percés des trous 24 régulièrement espacés et disposés le long d'une parallèle au fond 21 et légèrement au-dessus de ce fond. Chacun des manchons 6 contient une ou plusieurs résistances électriques permettant d'assurer un chauffage régulé du bain d'huile et son maintien à une température réglable. De tels systèmes électri ques de chauffage et régulation de la température du bain sont bien connus et ne seront donc pas décrits Ci. Selon une des caractéristiques de l'invention le fond plan 21 de la cuve 2 remonte légèrement dans la direction d'écoulement du flot laminaire d'huile, faisant un angle o avec le plan horizontal H (figure 2). On va maintenant décrire le fonctionnement de l'ensemble. La turbine 4 assure un mouvement permanent de l'huile dans la cuve 2. L'aspiration qu'elle produit au niveau de la fente 25 produit un écoulement sensiblement identique d'huile tout le long de la fente grâce à la forme incurvée de la barre 5. Le flux d'huile rejeté par l'ouverture 23 est tran8forié en un flux de vitesse sensiblement homogène sur toute la largeur de la cuve au niveau de la paroi portant les trous 24, grâce à l'effet combiné de l'étranglement résultant du rapprochement des parois 12 et 21 et de la présence des manchons 6 qui sont disposés de façon convenable pour former des chicanes et pour empêcher tout écoulement direct de l'huile de l'ouverture 23 vers les trous 24 ainsi que pour assurer une meilleure ho généité de la température de l'huile.On obtient ainsi un écoulement sensiblement homogène sur toute la longueur de la paroi percée des trous 24. Ceux-ci permettent la création du flot laminaire horizontal 8 qui s'écoule dans la direction de la fente 25. Ce flot présente ainsi une vitesse d'écoulement très sensiblement constante dans une direction parallèle à la fente 25 et un gradient de vitesse dans la direction perpendiculaire, la vitesse d'écoulement s'accélérant évidemment à mesure que l'on se rapproche de la fente 25 le long de laquelle la turbine 4 crée une aspiration. Il est clair que la barre 5 qui permet de répartir régulièrement l'écoulement de l'huile tout le long de la fente contribue ainsi à maintenir l'homogené;té d'écoulement du flot laminaire 8.Bien entendu comme on l'a déjà expliqué les manchons 6 servent non seulement à répartir le flux d'huile mais aussi à le réchauffer et à réguler la température. Le fond 21 monte légèrement de façon à assurer un écoulement à vitesse homogène dans une section quelconque du flot laminaire d'huile par un plan vertical parallèle à la fente 25. En effet la surface de ce flot se refroidit et la viscosité de l'huile est plus grande en surface que le long du fond 21 maintenu à la température du bain. Si le fond était horizontal l'écou- lement serait plus ripide près du fond 21 qu'à la surface. L'angle o est choisi de manière à corriger cette différence de vitesse d'écoulement et est déterminé en fonction de la vitesse désirée d'écoulement. Cette vitesse d'écoulement commande la vitesse de montée en température de la carte imprimée. Grâce à cette possibilité de montée rapide en température, on limite la création d'alliage ternaire par migration du cuivre ce qui permet de conserver la température de fusion désirée. La carte de circuit imprimé 9 (figure 2) doit alors être placée parfaitement horizontalement au sein de l'écoulement laminaire d'huile. Grâce au gradient de vitesse établi, l'apport de chaleur à la carte 9 est plus homogène tout le long de la carte car l'huile cède des calories et se refroidit légère- ment au fur et à mesure qu'elle s'écoule le long de celle-ci. La figure 3 représente cette carte grossie. On voit que grâce à la disposition horizontale de la carte parallèlement à la direction d'écoulement, on évite totalement en ce qui concerne les trous métallisés l'inconvénient des systèmes à vague d'huile dans lesquels la carte étant disposée perpendiculairement à ltécoulement de l'huile, il se produit un écoulement forcé à travers ces trous, et donc un échauffement plus grand à leur niveau et une surfusion trop rapide par rapport à la surface de la carte. En effet dans la machine de surfusion selon l'invention l'huile s'écoulant le long de la carte crée des remous au niveau des trous qui reçoivent ainsi un apport de chaleur suffisant pour assurer une surfusion correcte à l'intérieur de ces trous. Ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus la carte de circuit imprimé doit être disposée horizontalement dans le flot laminaire d'huile porté à une tem pérature convenable. Celle-ci doit être voisine du point de fusion de l'eutec- tique étain-plomb et sera choisie de préférence comprise entre 187 et 2200C. Une valeur convenable est par exemple J950C. La carte est laissée dans le flot d'huile pendant un temps convenable réglé en fonction de la vitesse d'écoulement du flot laminaire et de sa température. Il est à noter que la température de l'huile étant voisine de la température de l'eutectique étain-plomb (et supérieure à celle-ci bien entendu), la durée de traitement n'est absolument pas critique. On a représenté sur la figure 4 à titre d'exemple un support permettant de maintenir les cartes de circuits imprimés en position correcte. Ce support est constitué par une bande métallique pliée 30. Cette bande est repliée vers l'intérieur à chaque extrémité de façon à présenter une partie plane plane 31 et une seconde partie plane 32 perpendiculairXe, les parties planes 31 étant dans le même plan. De plus la partie 32 est terminée par un bord 33 faisant l'angle e avec le plan de la partie 31. Lorsque la carte a été placée en reposant sur les parties 31, il suffit de poser le support sur le fond 21 de la machine de surfusion, le plan du support étant parallèle à la fente 25, pour que la carte soit située dans un plan horizontal. Bien que la machine selon l'invention ait été décrite comme machine de surfusion, on doit noter qu'on pourrait également l'utiliser pour effectuer certaines opérations de soudure sur les cartes de circuits imprimés. Il est clair que, si à titre d'exemple, on a choisi de l'huile comme fluide du bain parce que c'est un fluide couramment utilisé dans la technique des circuits imprimés, tout autre produit présentant les qualités désirées de fluidité, d'inertie chimique et de stabilité aux températures envisagées pourrait être utilisé. Bien entendu l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention et on pourrait imaginer d'autres moyens de mise en oeuvre de celle-ci sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Machine de surfusion des dépôts d'étain-plolab pour circuits imprimés dans laquelle les cartes de circuits imprimés sont placées dans un bain de fluide dont la température est régulée, caractérisée en ce que ladite machine de surfusion comprend des moyens pour réaliser un écoulement laminaire de fluide sensiblement horizontal et en ce que les cartes de circuits imprimés sont disposées horizontalement au sein dudit écoulement laminaire. 2. Machine de surfusion selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de réalisation d'un écoulement laminaire de fluide sont prévus pour que ledit écoulement soit uniformément accéléré dans la direction d'écoulement du fluide. 3. Machine de surfusion selon la revendication J ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une première cuve à double paroi assurant l'isolement thermique et à l'intérieur de cette première cuve, une deuxième cuve à double paroi dont la paroi extérieure est commune avec la paroi intérieure de la première cuve et contient un bain de fluide et dont la paroi interne délimite, à la surface du bain de fluide, une lame de fluide sensiblement horizontale, en ce que ladite paroi interne de la deuxième cuve comporte une fente sur le ond tout le long d'une de ses faces latérales et des ouvertures régulièrement disposées sur la face latérale opposée, le long du fond et sous le niveau de la lame de fluide, en ce que des moyens de mise en circulation du fluide entre ladite fente et lesdites ouvertures sont prévus de façon à assurer l'écoulement continu de la lame de fluide des ouvertures vers la fente de la paroi interne de la deuxième cuve, et en ce qu'il est prévu des manchons cylindriques disposés perpendiculairement à la direction d'écoulement de la lame de fluide et en chicane dans le bain de fluide pour éviter un écoulement direct du fluide de la fente vers les ouvertures, lesdits manchons contenant des moyens de chauffage et de régulation de la température du fluide. 4. Machine de surfusion selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite fente est constituée par un repliement du fond de la paroi interne de la deuxième cuve le long de la face latérale correspondante et en ce que ce repli du fond comporte une ouverture dans laquelle est disposée une turbine pour constituer lesdits moyens de mise en circulation du fluide. 5. Machine de surfusion selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'on dispose une barre de réglage de la largeur de la fente parallelament à celle-ci et en ce que cette barre est légèrement courbée de façon à limiter davantage la largeur au milieu de la fente qu'aux extrémités. 6. Machine de surfusion selon l'une quelconque des revendications 3, 4 ou 5, caractérisée en ce que, pour assurer un écoulement plus homogène et efficace du fluide dans le bain vers les ouvertures de la paroi interne de la deuxième cuve, le fond de la paroi externe de la deuxième cuve est incliné de façon à créer un étranglement du flot de fluide vers lesdites ouvertures et à assurer en combinaison avec la disposition en chicane des manchons une meilleure répartition de ce flot le long des ouvertures. 7. Machine de surfusion selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que la partie plane du fond de la paroi interne de la deuxième cuve remonte légèrement dans la direction d'écoulement de la lame de fluide, faisant un angle o faible avec le plan horizontal. 8. Machine de surfusion selon l'une quelconque des revendications J, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que la température du bain de fluide est maintenue voisine du point de fusion de l'eutectique étain-plomb. 9. Machine de surfusion selon la revendication 8, caractérisée en ce que la température du bain de fluide est comprise entre 187 et 2200C. JO. Machine de surfusion selon la revendication 9, caractérisée en ce que la température du bain est maintenueaux environs de 1950C.