Brevet FR2569137A1 — publié le 19860221

L'invention concerne un procédé de soudage par magnétopropulsion et, plus particulièrement, un procédé utilisant une telle technique pour le soudage de composants électroniques sur les cartes de circuits imprimés qui leur servent de supports. Le soudage des composants électroniques met en oeuvre des techniques différentes qui vont du soudage manuel à l'aide du classique fer à souder au soudage automatisé qui fait appel, par exemple, à la technique de refusion dans laquelle on fait un apport de soudure solide avant sa fusion par tout moyen approprié (four, plaque chauffante, laser ...), ou à des techniques de soudage par apport continu de métal en fusion dont fait partie le soudage "à la vague". Bien que différant les unes des autres, ces techniques ont globalement en commun des phases qui consistent à décaper de leurs oxydes les zones à souder, à les chauffer et à y apporter, avant, après ou pendant, le matériau de soudage.Or, lorsque l'on est dans le domaine de la grande série, le déroulement de ces phases n'est pas sans poser de problèmes, par exemple, en ce qui concerne l'automatisation du processus, la détérioration des circuits -voire des composants- sous l'effet de la température élevée de la soudure, ou bien pour ce qui a trait au contrôle automatique de la fiabilité des soudures réalisées, ou tout simplement à cause du coût élevé des moyens de soudage à mettre en oeuvre tels que des-machines spécialisées plus ou moins sophistiquées. Par ailleurs on a remarqué dans des techniques telles que le formage électromagnétique la grande énergie produite partir de champs magnétiques transitoires ; cette énergie se traduit par la très grande vitesse de déplacement (quelques centaines de mètres par seconde) du matériel conducteur à former, au voisinage d'une bobine d'induction parcourue pendant un temps très court (quelques microsecondes) par un courant de tension élevée (plusieurs milliers de volts) et de forte intensité fourni par la décharge d'une batterie de condensateurs. Ainsi, dans cette technique connue de formage, l'énergie libérée par cette batterie de condensateurs est transformée en forces d'accélération pour le métal à "usiner" par l'intermédiaire du champ magnétique transitoire fourni par la bobine d'induction. L'objet de l'invention est d'utiliser cette énergie pour agir, non pas comme on-vient de le voir sur un métal à usiner, mais sur un bain de soudure en fusion afin de produire son déplacement avec une force d'accélération telle que des jets de soudure puissent être projetés avec précision sur des cibles constituées, en l'occurrence, par les zones à souder. Pour mettre en oeuvre ce procédé de soudage qui est dit "par magnétopropulsion", l'invention consiste à disposer le bain d'étain en fusion dans un récipient environné par une enveloppe chauffante et dont le "couvercle" est formé par un masque percé d'ouvertures ; le diamètre de ces ouvertures détermine les caractéristiques de la masse d'étain liquide propulsé tandis que leur localisation est en relation avec l'emplacement des zones à souder sur les cartes de composants électroniques. De plus, les ouvertures peuvent être aménagées pour que l'étain fondu propulsé hors du récipient sous l'action de la magnétopropulsion se présente sous la forme d'un- jet ou d'une masse limitée de soudure. En outre, le masque peut être fixe ou mobile afin de répondre aux différentes localisations des zones de soudage. Bien que le procédé de soudage proposé par l'invention ne soit pas limité au soudage des composants électroniques, son adoption pour une telle application présente de nombreux avantages. Entre autres, la grande vitesse de travail de sorte que la cadence de soudage -la cadence des tirs" de souduren'est qu'un problème d'avancement et de mise en place correcte des composants à souder etlou du masque et de ses ouvertures. L'absence de contact mécanique entre l'outil de soudage et les pièces à souder évite toute usure et permet d'adapter ce procédé sur des machines d'insertion et de soudage de composants en grande série, tandis que la précision de la masse d'étain projeté ainsi que sa quantité sont faciles à régler. Par ailleurs, en ce qui concerne le bain d'étain fondu qui peut être du type stagnant ou à mouvement permanent, on notera que -par rapport aux techniques connues évoquées précédemment- la masse d'étain fondu est nettement moins importante ; l'échauffement qui en résultait à propros des cartes de composants l'est également, ce qui se répercute favorablement sur la détérioration des circuits due à la température trop élevée ; un autre avantage non négligeable réside dans le fait que, le bain de soudure se trouvant enfermé dans un récipient, il ne subit pas de pollution provenant des éléments extérieurs, notamment des éléments à souder et de leurs supports. En outre, le maintien en température d'une masse d'étain fondu réduite nécessite une énergie réduite d'autant. Les différents objets et caractéristiques de linven- tion seront maintenant détaillés à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, une vue schématique d'un circuit connu permettant de produire le phénomène de magnétopropulsion utilisé par l'invention - les figures 2 à 5, des vues schématiques des moyens permettant de mettre en oeuvre le procédé de soudage de l'invention ; - les figures 6 à 9, des vues schématiques d'autres moyens constituant une variante de ceux des figures 2 à 5. On va commencer la description en se reportant tout d'abord à la figure 1 qui illustre schématiquement un circuit permettant de produire la décharge d'énergie nécessaire au phénomène de magnétopropulsion A partir d'une source 1 de haute tension continue, on charge à travers la résistance 2 et le commutateur 3 une batterie de condensateurs 4. Lorsque la quantité d'énergie désirée est emmagasinée dans les condensateurs 4, on ouvre le commutateur 3 et on ferme le commutateur 5. La batterie de condensateurs 4 décharge alors son énergie très rapidement dans le circuit d'utilisation 6, en l'occurrence une bobine qui produit de ce fait un intense champ magnétique à partir duquel se développe le phénomène de magnétopropulsion. Le circuit de la figure 1 n'est rappelé que pour mémoire car il ne fait pas partie de l'invention. Par contre, l'invention est basée sur l'utilisation de l'énergie qu'il produit et, dans notre cas, le circuit d'utilisation 6 de la figure 1 se présente concrètement par la bobine 7 de la figure 2 prévue pour agir sur le bain d'étain en fusion 8. Ce bain d'étain est logé dans un récipient 9 de matériau approprié, tel que par exemple, un verre de type "Pyrex". Une enveloppe chauffante 10 entoure le récipient 9 et maintient le bain d'étain 8 à la température convenable. On ne décrira pas les moyens de chauffage et de régulation du bain de soudure 8 car ils sont connus et n'entrent pas dans le cadre de l'invention. Un masque 11 obture parfaitement le récipient 9 contenant la soudure en fusion et il est fermement fixé à ce récipient par des moyens adéquats ; il comporte des ouvertures 12 parlesquelles est projetée vers l'extérieur du récipient 9 la soudure du bain 8. Le diamètre et la longueur de ces ouvertures peuvent être déterminés expérimentalement pour réaliser l'impact de soudure voulu en tenant compte de la distance séparant le masque 11 des éléments à souder et de la nature du bain de soudure.En ce qui concerne la localisation des ouvertures 12 du masque 11, elles correspondent aux zones à souder d'un type de composants, c'est-à-dire qu'un masque et ses ouvertures est adapté au soudage d'un type donné de composants. On va examiner maintenant comment se déroule un processus de soudage par magnétopropulsion en se reportant aux figures 2 à 5. La figure 2 illustre l'état de repos du bain 8 qui correspond à l'état dans lequel se trouve le système de production d'énergie quand il est, comme sur la figure 1, en train d'emmagasiner de l'énergie électrique dans les condensateurs 4. Le bain 8 est alors, par simple gravité, dans le fond du récipient 9. Lorsque le commutateur 5 se ferme et que l'énergie des condensateurs 4 se décharge dans la bobine 6, cette énergie est, en fait, appliquée aux bornes 13 et 14 de la bobine 7 de la figure 2. Le champ magnétique, produit alors de façon transitoire par la bobine 7, se traduit par une force qui agit sur le bain 8 et provoque le déplacement à grande vitesse -de l'ordre de dix mètres par seconde- de la masse d'étain de ce bain vers le masque 11. La figure 3 illustre la situation dans laquelle se trouve le processus de soudage au moment où cette masse d'étain est plaquée avec force contre le masque 11 et, en particulier, contre les orifices 15 des ouvertures 12. Or, du fait de la pression exercée sur le bain 8 par la force développée par la bobine 7, comme indiqué par la figure 4, l'étain en fusion s'engage dans les ouvertures 12 et est projeté vers l'extérieur sous la forme de jets de soudure 16 dont les caractéristiques dépendent, entre autres, du diamètre des ouvertures 12, de la force de placage du bain 8 contre le masque 11 et de la nature de la soudure employée. Lorsque le champ magnétique produit par la bobine 7 disparaît, ce qu'il est convenu d'appeler le "tir" de soudure est terminé, c'est-à-dire que la force plaquant le bain 8 contre le masque 11 n'existant plus, le bain de soudure revient à la position de repos qu'il occupait sur la figure 2, ce qui marque la fin de la projection de jets de soudure 16. On est alors dans la situation de la figure 5 ou l'on voit la fin des jets de soudure 16 qui se dirigent selon la flèche 20 vers leurs cibles respectives ; il faut attendre à nouveau que la bobine 7 soit parcourue par l'énergie délivrée par la batterie de condensateurs 4 (figure 1) pour qu'un processus semblable se reproduise.Toutefois, à titre d'information, on notera que la cadence des "tirs" est très satisfaisante puisqu'elle peut atteindre 12 000 "tirs" à l'heure au moyen de bobines dont la durée de vie autorise plusieurs millions de "tirs". Dans le processus qui vient titre décrit, on a vu que la soudure projetée à l'extérieur en direction de la cible à souder se présentait sous la forme d'un jet. Avec les figures 6 à 9, on va examiner maintenant une variante de réalisation permettant de projeter non pas un jet d'étain mais une masse limitée de soudure. Comme on peut le constater sur les figures,la seule différence par rapport aux figures 2 à 5 réside dans le fait que les ouvertures 12 sont munies chacune d'un guide 17 ayant la forme d'un manchon cylindrique dont la longueur est supérieure à l'épaisseur du masque 11. Ainsi, lorsque, quittant la position de repos de la figure 6, la masse d'étain 8 est plaquée contre le masque 11 (figure 7), on voit qu'une certaine quantité de soudure se trouve engagée dans chaque manchon 17. La force exercée par le champ magnétique de la bobine 7 continuant à s'exercer, la figure 8 illustre le fait que la masse de soudure logée dans chaque manchon 17 a été guidée par ce dernier vers l'extérieur et qu'elle est projetée (référence 18) selon la flèche 19 vers la cible à souder. Avec la figure 9, on revient à la position de repos, en attente du prochain "tir", tandis que les masses de soudure 18 poursuivent leur parcours en direction de leurs cibles respectives selon la flèche 21. Il est à noter qu'avec la mise en oeuvre de tels manchons 17, on détermine la quantité de soudure à projeter à chaque "tir" indépendamment de la durée du champ magnétique transitoire produit par la bobine 7. En effet, dans le cas envisagé par les figures 2 à 5, on voit que la quantité de soudure projetée par les Jets 16 dépend, entre autres, du temps pendant lequel le bain de soudure 8 est plaqué contre le masque 11, c'est-à-dire la durée d'action du champ magnétique transitoire du à la bobine 7. Par contre, dans le cas illustré par les figures 6 à 9, la quantité de soudure projetée par les masses 18 est indépendante de la durée pendant laquelle le bain de soudure 8 est plaqué contre le masque 11 puisque ces masses 18 sont constituées par la quantité de soudure qui s'est engagée dans les manchons 17 lors du déplacement du bain de soudure 8 vers le masque 11.Il suffit donc que la partie des manchons 17 dépassant du masque ait une longueur au moins égale à la hauteur du bain 8. Dans la description qui précède, on utilise des manchons 17 pour déterminer la quantité de soudure qui est projetée. D'autres dispositifs tels que des débitmètres ou des systèmes d'obturation mécanique programmée du masque 11 peuvent également être utilisés. En ce qui concerne l'orientation des émissions de soudure 16, 18 hors du masque 11, pour qu'elles atteignent correctement les cibles constituant les zones à souder, elle peut résulter de la position angulaire présentée par l'axe des ouvertures 12 ou des manchons 17 par rapport au plan qu'occupe le bain de soudure 8, ou l'axe de la bobine 7. Mais il est également possible d'obtenir la déviation appropriée des émissions de soudure sans agir sur la position angulaire de ces ouvertures 12 ou manchons 17 et en disposant la bobine 1 pour que l'axe du champ magnétique ne soit pas perpendiculaire au masque 11 et au bain de soudure 8. On remarquera, pour finir, qu'une technologie de soudage ne se limite pas qu'au procédé utilisé pour apporter le matériau de soudage sur la cible appropriée mais qu'elle concerne aussi le nettoyage des zones à souder et leur chauffage. L'invention se bornant au procédé d'apport de soudure, il va de soi que les techniques connues pour le nettoyage et le chauffage de telles zones sont indépendantes de l'invention. En outre, il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif et que d'autres variantes peuvent etre envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage par magnétopropulsion dans lequel on utilise l'énergie produite par la décharge de condensateurs pour la transformer -par l'intermédiaire d'un champ magnétique transitoire fourni par une bobine d'induction- en forces d'accélération agissant sur le matériau à déplacer, ledit procédé étant caractérisé par le fait que l'énergie transformée en forces d'accélération par l'intermédiaire d'un champ magnétique transitoire fourni par la bobine (7) agit sur le bain de soudure en fusion (8) pour en provoquer le déplace ment vers le masque (11) pourvu d'ouverture-s (12) avec une force d'accélération telle qu'une partie de ce bain de soudure (8) est projetée au-delà du masque (11) par ses ouvertures (12) vers des cibles constituant les zones à souder. 2. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme à la première revendication, caractérisé par le fait qu'il utilise un bain de soudure (8) en fusion disposé dans le récipient (9) fermé par le masque (11) comportant des ouver tures (12), un élément de chauffage (10) maintenant le bain (8) à une température convenable, le champ magnétique transitoire développé par la bobine (7), agissant sur le bain (8) de soudure en fusion pour le plaquer contre le masque (11) avec une force telle qu'une partie (16) de la soudure s'échappe du récipient (9) par les ouvertures (12) de ce masque pendant le temps que dure ledit champ magnétique transitoire, une telle disposition déterminant à la sortie de chaque ouverture (12) une émission de soudure en fusion sous le forme d'un jet (16) dont le calibrage et le guidage dépendent des dimensions et de l'aménagement desdites ouvertures ainsi que de la nature du bain de soudure. 3. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme à la deuxième revendication, caractérisé par le fait que les ouvertures (12) du masque (11) sont respectivement munies de guides (17) dont la longueur est supérieure à l'épaisseur du masque (11) pour qu'une partie de chaque guide (17) dépasse du masque (11) à l'intérieur du récipient (9) vers le bain de soudure (8). 4. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme à la troisième revendication, caractérisé par le fait que la longueur de la partie de chaque guide (17) extérieure au masque (11) est au moins égale à la heuteur du bain de soudure (8), une telle disposition déterminant à la sortie de chaque ouverture (12) une émission de soudure en fusion sous la forme d'une quantité limitée de soudure (18) guidée et calibrée par l'ouverture (12) et son guide (17) tout en étant indépendante de la durée pendant laquelle le bain de soudure (8) est plaqué contre le masque (11) sous l'action du champ magnétique transitoire de la bobine (7). 5. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme aux deuxième, troisième et quatrième revendications, caractérisé par le fait que la position occupée par les ouvertures (12) ou les guides (17) du masque (11) est telle qu'elle permet d'orienter les émissions de soudure (16, 18) à l'extérieur du masque (11) dans les directions appropriées avec les cibles constituant les zones à souder. 6. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme aux deuxième, troisième et quatrième revendications, caractérisé par le fait que la position occupée par l'axe de la bobine (7) par rapport aux plans dans lesquels se trouvent le masque (11) et le bain de soudure (8) est telle qu'elle permet d'orienter les émissions de soudure (16, 18) a l'extérieur du masque dans les directions appropriées avec les cibles constituant les zones à souder. 7. Procédé de soudage par magnétopropulsion conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le masque (11) peut être mobile afin de faciliter la mise en place de ses ouvertures (12) en regard des zones de soudage, la localisation de ces ouvertures (12) sur le masque pouvant correspondre à celles des cibles constituant les zones à souder.