Brevet FR2550905A1 — publié le 19850222

La présente invention se rapporte aux cartes de circuits imprimés et concerne plus particulièrement une carte de circuit imprimé qui facilite l'enlèvement et le remplacement des compo5 sants. Il est courant de monter des composants électroniques complexes sur des cartes de circuits imprimés en introduisant les broches des composants dans des trous métallisés du circuit et en les sou10 dant en place Les trous métallisés établissent normalement des connexions entre les broches et la matière conductrice formant une partie du circuit est située à des niveaux différents de la carte. S'il est nécessaire d'enlever un composant, 15 par exemple pour le remplacer s'il est défectueux, il s'est avéré que la chaleur utilisée pour fondre la soudure tend à dilater la carte et à endommager les circuits qu'elle porte Le problème est particulièrement sérieux avec les composants en circuits intégrés 20 modernes d'intégration à très grande échelle montés dans des boitiers à grilles de broches Un grand nombre des broches équipées avec une forte densité dans un tel boitier, (géneralement plus de 100) impose que la soudure de toutes les broches soit fondue simultanément s'il ne faut pas que l'opération soit trop longue La grande quantité de chaleur qui est donc fournie et l'épaisseur relativement importante de la carte qui est nécessaire pour le grand nombre des interconnexions requises accentue le problème de dilatation et par conséquent, les dommages à la carte En outre, étant donné que ces composants sont coûteux, il est tout à fait souhaitable de réparer une carte plutôt que de la jeter Il a donc été suggéré que la seule solution à ce problème était 35 d'utiliser des douilles qui sont soudées dans lacarte. Les composants sont alors enfichés dans les douilles mais ce procédé augmente le prix et l'encombrement de la carte et réduit sa fiabilité et ses performances électriques. L'invention concerne donc une carte de circuit imprimé destinée à monter des composants et comprenant un certain nombre de premiers trous et un certain nombre de seconds trous traversant la carte de circuits, chaque premier trou étant un trou de traversée destiné à recevoir une broche de connexion d'un composant et sans métallisation intérieure et chaque second trou étant un trou de traversée métallisé connecté à des rubans conducteurs à des niveaux différents de la carte de circuit, une surface de connexion d'une matière conductrice près de chaque premier trous d'une première face de la carte de circuit, chaque surface de connexion étant agencée pour faire partie d'une connexion soudée avec une broche de composants introduite dans le trou et lesdites surfaces de connexions étant connectées à des conducteurs superficiels respectifs, dont certains au moins 20 sont connectés à la métallisation intérieure d'un second trou. Une carte de circuit imprimé selon l'invention peut comporter au moins un composant situé sur une seconde face de la carte opposée à la première face et 25 comprenant plusieurs broches de connexions introduites chacune dans un premier trou et soudées à ladite première face sur la surface de connexion voisine de ce premier trou. Il s'est avéré que les connexions soudées 30 d'un composant peuvent être fondues rapidement et simultanément avec un risque très réduit de dommages aux circuits de la carte En outre, un circuit complexe peut être réalisé car les seconds trous métallisés établissent des connexions avec plus d'une couche 35 conductrice De préférence, la carte est à couches multiples ce qui veut dire qu'il y a au moins une couche conductrice à l'intérieur de la carte établis- sant une ou plusieurs connexions du circuit imprimé. De préférence, les seconds trous comportent un dispositif à la première face pour interdire l'entrée de soudure fondue Ceci évite le risque que de la soudure pénètre dans les seconds trous, et, lorsqu'elle est fondue, entraine la dilatation de la carte et endommage les circuits Un revêtement résistant à la soudure constitue un tel dispositif qui convient. Il est courant d'utiliser de l'epoxy chargé 10 de verre comme matière isolante pour une carte de circuit imprimé Mais l'expoxy chargé de verre se ramollit à la température de fusion de la soudure normale, ce qui réduit l'adhérence entre l'epoxy chargé de verre et la matière conductrice qu'il 15 porte Le risque existe donc qu'une surface de connexion, comme une surface voisine d'un premier trou, et qui n'est pas accrochée par la métallisation d'un trou métallisé, se soulève quand la soudure est fondue Il est donc préférable que la matière de la 20 carte portant ces surfaces de connexion soit du polyimide chargé de verre ou autre matière ayant une bonne adhérence avec la matière des surfaces de contact à la température de fusion des soudures normales au plomb-étain. Le polyimide chargé de verre est plus coûteux que l'epoxy chargé de verre et nécessite des températures de collage plus élevées Il s'avère donc avantageux que la carte soit une carte composite consistant en un contrecollage d'epoxy chargé de verre avec une couche extérieure de polyimide chargé de verre, les deux étant séparés par une couche conductrice consistant en un plan pratiquement complet (par exemple un plan de tension) Cette réalisation réduit le prix et évite également la nécessité de compter sur 35 un joint polyimide-epoxy chargé de verre d'une étendue substantielle De préférence, le polyimide chargé de verre est préalablement cuit et revêtu sur une face 4 E 2550905 avec la matière conductrice formant le plan, et il est ensuite collé sur la face intérieure d'une pile de matière isolante dont fait partie l'expoxy chargé de verre, le collage étant formé en complétant la cuisson d'une feuille d'epoxy chargé de verre partiel5 lement cuite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur 10 lesquels: La figure 1 est une coupe d'une partie de la carte, montrant également un composant monté, La figure 2 est une vue en plan, sans le composant, à partir de la carte représentée sur la 15 figure 1, vue par le dessus, et La figure 3 est un diagramme montrant la disposition des trous dans une région d'une carte associée avec un composant individuel. Les figures 1 et 2 montrent donc la carte 20 désignée globalement par la référence numérique 1, portant un composant 2 Le composant 2 est un boitier à grille de broches, comportant un grand nombre de broches (par exemple 135 ou 179) dont une seule broche 3 est représentée. La carte 1 est une carte à couches multiples (qui ne sont pas toutes représentées) et elle comporte de la manière connue, une matière conductrice dans des couches intérieures interconnectées par des trous métallisés L'un de ces trous, le trou 4 est représehté avec sa métallisation 5 Les couches intérieures peuvent être des plans de tension (par exemple de masse ou d'alimentation) ou des plans de signaux. Un plan 6 est un exemple d'un plan de tension qui consiste en une couche pratiquement uniforme de la matière conductrice, en contact avec certains trous métallisés mais perforée pour permettre que d'autres trous traversent sans être en contact Les plans de signaux comportent divers conducteurs, comme le conducteur 7 représenté à titre d'exemple en contact avec la métallisation 5 du trou 4 Il faut noter que de nombreuses autres couches peuvent être prévues pour une carte qui porte des boitiers à grille de broches. Les trous métallisés, comme le trou 4 ne reçoivent pas de broche d'un composant Ces broches 10 sont reçues par des trous comme le trou 8 représenté avec la broche 3 Ces trous ne portent pas de métallisation sur la paroi intérieure. L'entrée du trou 8 sur la face de la carte 1 opposée au composant 2 est entourée par une surface de connexion 9 La surface de connexion 9 est connectée par un conducteur superficiel 10 à une surface de connexion 11 entourant l'entrée du trou 4 et connectée à sa métallisation 5 Dans ce mode de réalisation, chacun des autres trous non métallisés est relié de 20 façon similaire à un trou métallisé. Une couche 12 d'une substance résistant à la soudure est appliquée pour couvrir tous les trous métallisés mais en laissant exposer la surface de connexion 9 ainsi que toutes les autres surfaces de 25 connexion autour des trous non métallisés. La masse de la carte est réalisée en epoxy chargé de verre, dans lequel sont disposées les couches conductrices La limite de l'epoxy chargé de verre est le plan de tension 6 sur l'autre face duquel se trouve une couche de polyimide chargé de verre 13. Pour monter un composant, ces broches sont introduites dans les trous non métallisés et la face comprenant la surface de connexion 9 et les autres surfaces de connexion est déplacée par rapport à une vague de soudure au plomb-étain qui laisse un cordon de soudure 14 connectant la surface de connexion 9 Z 550905 à la broche 3, ainsi que les autres broches de la carte La soudure ne pénètre pas dans une large mesure dans les trous non métallisés, et elle est maintenue à l'écart des trous métallisés par la couche résistant à la soudure 12 qui se comporte également comme une barrière thermique. S'il y a lieu d'enlever un composant, la carte est suspendue au-dessus d'une vague de soudure au plomb-étain, la soudure de toutes les broches du composant est fondue et le composant est enlevé Quand le composant a été enlevé, de la soudure court-circuitant éventuellement les trous est légèrement soufflée avant d'être solidifiée, en utilisant de l'air qui peut 8 tre chauffée Quand les trous sont ainsi libérés, un composant de remplacement peut alors être introduit et soudé en position Si cela est nécessaire, le composant d'une position donnée peut être changé un certain nombre de fois Il apparait donc qu'une réparation ou une modification économique de la carte 20 est facilitée. Il s'est avéré qu'un boitier à grille de broches peut être désoudé et enlevé en un temps de 3 à 5 secondes et avec des dommages négligeables à la carte Ceci peut se comparer au cas o les broches 25 du boitier sont soudées dans des trous métallisés d'une carte qui est réalisée en epoxy chargé de verre comme diélectrique Il est apparu qu'il fallait quelque 10 secondes pour fondre la soudure, et même si la soudure de chaque broche est fondue individuel3 D lement et aspirée, des dommages sont produits à un nombre considérable de trous Les dommages consistent généralement en des surfaces de connexion qui se soulèvent autour de leur périphérie et éventuellement en des ruptures des joints entre les couches conductrices 35 intérieureset la métallisation des trous Il en est ainsi car la durée pendant laquelle la carte est exposée à la température de la soudure plomb-étain fondue ( 220 C à 250 C) associée avec le trajet efficace de conduction de chaleur présentée par la soudure dans les trous, entraine que la température de l'epoxy chargé de verre à l'intérieur de la carte s'élève au-dessus de sa température de transition de 120 C Au-dessus de cette température, sa dilatation augmente rapidement et la dilatation de l'epoxy chargé de verre dans la direction de l'épaisseur de la carte est supérieure à la dilatation de la matière conduc10 trice En même temps, l'adhérence entre la matière conductrice (normalement du cuivre) et l'epoxy chargé de verre est considérablement réduite. La fonction de la couche 13 de polyimide chargé de verre sera maintenant expliquée Le polyimide 15 chargé de verre a une température de transition de 260 C 4 280 C Il subit donc une perte minimale d'adhérence des surfaces de connexion à la température de 2200 à 250 de la vague de soudure et les surfaces de connexion ont une bonne adhérence sur la couche de 20 polyimide chargé de verre Par conséquent, elles ne se soulèvent pas de façon appréciable même si elles perdent l'accrochage précédemment assuré par la métallisation intérieure Mais la masse de la carte est en epoxy chargé au verre qui est moins cher que le 25 polyimide chargé de verre, ce qui réduit donc le prix total de la carte. Le polyimide chargé de verre avec un revêtement de cuivre est disponible comme un article commercial. Cela permet de fabriquer de façon simple la carte de 30 la figure 1 L'epoxy chargé de verre nécessaire est préparé de la manière habituelle dans la fabrication des cartes à couches multiples De même, le polyimide chargé de verre reçoit la configuration du plan de tension 6 Ces cartes sont assemblées en une pile, de polyimide chargé de verre, comme couche extérieure et avec le plan 6 tourné vers l'intérieur Les cartes sont intercalées avec des feuilles d'epoxy chargé de a 550905 verre partiellement cuit et l'ensemble est collé par chauffage pour terminer la cuisson, ce qui ne nécessite que des températures plus basses et des temps plus courts, appropriés à l'epoxy chargé de verre, à ceux nécessaires pour le polyimide chargé de verre Il faut noter que le plan 6 est collé sur l'une des feuilles d'epoxy chargé de verre et qu'aucune région substantielle d'epoxy chargé de verre et de polyimide chargé de verre ne sont en contact, ce qui résoud les problèmes qui peuvent apparaître s'il y a lieu de compter entre des joints, entre ces matières Les configurations conductrices extérieures sont ensuite définies et les trous à métalliser sont percés La carte est alors métallisée, et ensuite 15 les trous non métallisés sont percés et la substance résistant à la soudure est appliquée. La figure 3 montre une disposition possible des trous pour un boitier à grille de broches comprenant des broches disposées en 4 carrés concentriques Des 20 trous non plaqués 20 pour ces broches, similaires aux trous 8 se trouvent dans la région 21 Chacun de ces trous est relié à un trou métallisé 22 associé similaire au trou 4, à l'intérieur ou à l'extérieur de la région 21 il faut noter que seulement quelques trous 25 ont été représentés sur la figure 3 Il est préférable de connecter chaque trou non métallisé par une liaison à un trou métallisé dans l'intérêt' d'une conception systématique, mais éventuellement, des conducteurs peuvent être disposés en ligne droite entre un trou 30 non métallisé (c'est-à-dire une broche) et un autre, par exemple sur un autre composant ou un connecteur de bord. A titre d'exemples de dimensions qui conviennent, la carte peut avoir une épaisseur de 2,896 mm, la couche 35 de polyimide une épaisseur de 0,127 mm, les couches conductrices une épaisseur de 0,0356 mm et la couche résistant à la soudure une épaisseur de 0,0508 à 0,0762 mm. Les broches peuvent faire saillie de 1,016 à 2,032 mm à la surface de la carte. Bien que la couche résistant à la soudure et barrière thermique ajoute à la protection de de la carte, elle peut être supprimée dans des applications o la sécurité des connexions à l'intérieur des trous n'est pas essentielle. Bien que l'utilisation d'une couche extérieure de polyimide chargé de verre soit préférée car elle 10 augmente la protection contre les dommages, le court temps nécessaire pour fondre la soudure et l'absence de soudure dans les trous selon le procédé décrit apporte une amélioration substantielle de fiabilité même si le diélectrique est entièrement en epoxy chargé 15 de fibre de verre. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 25509 5 1 Carte de circuit imprimé destinée à monter des composants, comprenant plusieurs trous métallisés connectés à des conducteurs à des niveaux différents de la carte, caractérisée en ce qu'elle comporte des trous ( 8) métallisés, destinés à recevoir des broches ( 3) de composants, chaque trou ( 8) nonmétallisé comprenant une surface de connexion ( 9) voisine, en matière conductrice, sur une face de la carte de circuit ( 1), qui convient pour former une 10 partie de connexion soudée avec une broche ( 3) de composants introduite dans le trou ( 8), chaque surface de connexion ( 9) étant connectée à un conducteur superficiel ( 6) , certains au moins de ces conducteurs ( 10) étant connectés à la métallisation ( 5) des 15 trous métallisés ( 4). 2 Carte de circuit imprimé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une couche de matière résistant à la soudure ( 12) qui couvre les trous métallisés ( 4) sur ladite face de la carte de 20 circuit ( 1) pour interdire la pénétration de soudure fondue pendant l'enlèvement et le remplacement de composants. 3 Carte de circuit imprimé selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite face de la carte de circuit ( 1) consiste en une couche de polyimide chargé de verre ( 13). 4 Carte de circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un composant ( 2) est situé sur une face 30 opposée de la carte de circuit ( 1), le composant ( 2) comprenant plusieurs broches de connexion ( 3) introduites chacune dans un trou non-métallisé ( 8) et soudée sur une surface de connexion ( 9) voisine correspondante.