Brevet FR2609919A1 — publié le 19880729

DISPOSITIF POUR LE SOUDAGE D'UN COMPOSANT ELECTRIQUE ET PROCEDE MIS EN OEUVRE PAR CE DISPOSITIF La présente invention a pour objet un dispositif pour le soudage d'un composant électrique sur un ensemble de pistes conductrices. Ce dispositif comporte plus particulièrement un chassies, un support solidaire du châssis et destiné à recevoir et à positionner l'enseri- le de pistes conductrices et le composant. I1 comporte en outre un equipace portant une tête de soudage, disposé au-dessus du support et monté coulissant sur le chassis, ainsi que des moyens de commande de l'équipage. L'invention concerne également un procédé mis en oeuvre par ce disoositif. Ge tels dispositifs sort connus de longue date. Ainsi, la machine vendue par la demanderesse sous la référence F 22Q comporte un dispositif de ce type. Sur cette marine, l'équipage portant la tête de soudage est mobile verticalement. Il assure le déplacement de la téte de soudage ocur la mettre er contact avec le composant et l'ensemble de pistes conductrices, arin de les souder l'un à l'autre. Le déplacement de cet équipage est réalisé au moyen de pistons commandés preumatiquement. L'usage de moyens pneumatiques pour la commande du déplacement de l'équipage a l'avantage d'être simple. Malheureusement, le réglage de la pression de soudage est difficile. Jusqu'à ce jour, il a été considéré que ce genre de dispositif était mal adapté aux soudages délicates. C'est pourquc , l'homme du métier renonce à en Foire usage lorsque le composant électrique ou le substrat ne permet pas l'application d'une pression élevée. I1 fait alors appel à la technique de soudage par fil ou au collage. Ces techniques sont plus lentes et plus coûteuses. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif permettant d'élargir le champ d'application d'un dispositif tel que défini ci-dessus. Ce but est atteint crace aux caractéristiques particulières que présente le dispositif tel que définit par la revendication 1. Le fait oue ce dispositif comporte un moteur codeur, p'utôt qu'un piston, permet de connaitre à chaque instant la position exacte de la tête de soudage. L'usage d'une vis pour l'entraînement de l'équipage mobile permet de conserver la précision qu'autorise un moteur de type codeur. La structure particuliere de l'équipage mobile, comportant deux chariots couplés l'un à l'autre par des moyens é'astiques, permet de transformer un mouvement linéaire en une pression parfaitement maitrisée. Dans tous les cas, cette pression peut être réglée avec une précision nettement supérieure à ce que permet l'usage de vannes dans des systèmes pneumatiques. Ce réglage nécessite toutefois un étalonnage de l'appareil. De plus, étant donné les tolérances des pièces à assembler, la pression appliquée varie néanmoins dans une certaine mesure. Un autre but de la présente invention est de permettre l'asser-- blage des corposants pa soudage en applicant une pression constante, quelles que soient les tolérances des composants à assembler. Ce but est atteit force aux caractéristiques que présente le dispcsitif de la revenrication 2. Un autre but de la présente invention est de permettre l'assemblage de composants munis de pistes conductrices déposees directement sur le boitier. L'assemblage par soudage de tels composants nécessite certaines précautions. I1 a en effet été constaté qu'il est souhaitable de maintenir une certaine distance entre le boîtier et le substrat sur lecuel il doit être monte. A ce jour, cette distance est obtenue en rapportant des cales sur le substrat ou sur le boitier. Ce but est atteint grâce aux caractéristiques particulières que présente le dispositif de la revendication 5. La revendication 6 définit un procédé mis en oeuvre par ce dispositif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descriptior qui va suivre d'un mode de réalisation, faite en référence au dessin dans lequel: - la figure l représente schématiquement la structure d'un dispositif selon l'invention; - les figures 2 à 5 représentent des parties du dispositif de la figure i, vues sous différents angles; et - la figure 6 est un schéma représentant l'évolution de la position de la tête de soudage, de sa pression et de sa température au cours d'un cycle d'assemblage. Le dispositif schématiquement représenté à la figure 1 comporte un châssis 10, un support '2, un éouipage mobile 14 et des moyens de commande 16 de l'équipage 14. Le support 12 est solidaire du châssis 10. Il est destiné à recevoir et à positionner un ensemble de pistes conductrices, solidaire d'un substrat, et un composant à fixer sur ce dernier, ceux-ci étant respectivement et schématiquement représentés en 20 et 22. L'équipage 14 est disposé a'-dessus du support 12 et monté coulissant sur le châssis. A cet effet, le châssis 10 comporte deux potences 23 et 24 portant chacune par une extrémité deux colonnes 25 et 26 qui s'étendent verticalement de part et d'autre du support 12. Pour sa part, l'équipage 14 coFD-end un prerier chariot 2, un deuxième chariot 3^, des rnQvens de couplage élastique formés par un ressort hélicoidal 32 et ur capteur de force 34. Le premier chariot 28 est muni de deux trous 36 et 38 dans lesquels sot respectivement engagées les colonnes 25 et 26, ainsi qu'un trou taraud 40 dont la fonction sera précisée ci-après. Le deuxième chariot 3C est aussi muni de trous, référencés 42 et 44, dans lescuels sont respectivement engagées les colonnes 25 et 26. La face inférieure de ce deuxième chariot 36 porte une tête de soudage 46 telle que celle décrite par exemple dans le brevet français no 2496519. Les chariots 28 et 30 sont reliés l'un à l'autre au moyen d'une tige 48, solidaire du chariot 30 et s'étendant parallèlement aux colonnes 25 et 26. Cette tige traverse un trou 50 que comporte le chariot 28. Elle se termine par une butee 52 réalisée par exemple par un écrou vissé sur un filetage de la tige 48, non représente au dessin. Le ressort hélicoïdal 32 prend appui sur la face inférieure du premier chariot 28 et sur une bague 53 intercalée entre la partie inférieure du ressort hélicoidal 32 et le capteur 3A, ce dernier étant fixe à la face superieure du chariot 30. Les moyens de commande 16 du dispositif comprennent un moteur 54 de type codeur, c'est-à-dire comportant des moyens pour mesurer sa rotation, ainsi qu'unie vis 56, montée pivotante sur la potence 23 et placee dans le prolongement de l'ensemble formé par le support i2, la tete de soudage 46, le second chariot 30 et le ressort hélicoïdal 32. Cette vis 56 est en outre engagee dans le trou taraudé 40 du premier chariot 28. Le moteur est muni d'un arbre 58 dont l'extrémité supérieure comporte une poulie 60. L'extrémite supérieure de la vis 56 est également munie d'une poulie, référencée 62. Les deux poulies 60 et 62 sont reliées l'une à l'autre au moyen d'une courroie 64 avantageusement crantée, pour assurer une bonne corrélation entre le mouvement du moteur 54 et la rotation de la vis 56. Pour commander le déplacement de la tete de soudage 46, le dispositif corporte une boite de commande électronique 66, qui ne sera pas décrite en détail et est schématiquement représentée. Il faut relever ici que pour mettre en oeuvre un dispositif tel que décrit il est tier évident que non set'ment la boîte 66 mais aussi les autres ccrstituants présentent gén-ralement une structure plus complexe. Ainsi, le support 12 est normalenent muni de moyens permettant de déplacer et d'orienter-les composants 22 et les substrats 20 sur lesquels ils doivent étre fixés. Le support 12 peut aussi être muni de chargeurs assurant l'approvisionnement en composants et substrats à assembler. L'équipage mobile 1t, et plus particulièrement les trous 36 et 38 du chariot 2E et les trous 42 et 44 du chariot 30, sont avanta geuseet garnis de bagues à billes pour assurer le guidage de ces chariots. La vis 56 est montée sur un roulement à billes dont la cage est solidaire de la potence 23. Le moteur 54 est à courant continu. Son axe 58 porte une bague à index, qui coopere avec un capteu- optique, pour mesurer l'angle de rotation parcouru par le rotor du moteur. Le boite de commande 66 comporte un micro-processeur commandant et contrôlant le déroulement des opérations d'assemblage et, plus particulièrement, le positionnement des composants, le chauffage de la tête de soudage, ainsi que son déplacement vertical. Tous ces perfectionnements sont parfaitements connus de l'homme du métier, De plus, ils ne contribuent qu'indirectement à la résolution des problèmes posés. C'est pourquoi, ils ne seront pas décrits de façon plus détaillée. Le dispositif décrit fonctionne de la façon suivante. Apres qu'un substrat 20 et un composant 22 aient été positionnés sur le support 12, l'opérateur, ou le microprocesseur que comporte la boîte 66, envoie un signal de commande sur le moteur 54, provoquant sa rotation. De la sorte, l'arbre 58 qui entraîne la poulie 60, et par elle la courrcie 64, ainsi que la vis 56, provoque le déplacement du premier chariot 28 qui coulisse sur les colonnes 25 et 26. Tant que la tête de soudage 46 n'est pas en contact avec les pièces à assembler 2G et 22, les oremier et deuxième charicts 28 et 30 restent dars une même position relative, le ressort 32 tendant à les écarter, tandis que la tige 48 et la butée 52 empêchent un écartement supérieur à une valeur limite. Dès oue ;a tête ae soudage 45 entre en contact avec les oieces à assembler 20 et 22, le deuxième chariot 3t est bloque. Il en résulte que si le moteur 54 continue à etre entraîné en rotation, le premier chariot 28 poursuit son mouvement vers le bas, armant le ressort 32 en compression. Cette dernière est mesuree par le capteur 34 intercale entre l'extré-..ité inférieure du ressort helicoldal ?2 et le second chariot 30. Ce capteur 34 envoie un signal à la boîte de commande 66 qui calcule la valeur de la pression appliquée. Dès que la pression à appliquer sur la tête de soudage 46 est atteinte, la boîte de commande 66 interrompt l'alimentation du moteur 54. Il va de soi que durant la rotation du moteur 54, la boîte de commande 66 a également envoyé un signal pour provoquer l'echauf- fement de la tête de soudage 46, les moyens pour realiser cet échauffement n'étant pas représentés et ne seront pas décrits car ils sont parfaitement connus de l'homme du métier. Lorsque l'opération de soudage à proprement parler est terminée, la boite de commande 66 envoie au moteur 54 un signal de polarité inverse, ce qui provoque la montée du premier chariot 28. Tout d'abord, celui-ci est seul à se déplacer. La tigre 48 d'accouplement des chariots, et plus particulièrement sa butée supérieure 52, entre ensuite en contact avec la face supérieure du presser chariot 28, le ressort hélicoTdal 32 étant pratiquement complètement détendu. Le premier chariot 28 entraine alors le deuxième chariot 30 et avec lui la tête de soudage 46, de matière que cette derniere dégage l'espace situé au-dessus du support 12. Toutes ces opérations peuvent avantageusement etre commandées et surveillées par le microprocesseur que comporte la boîte 66. Rien n'empêche toutefois que la commande soit effectuee en tout ou er partie de façon manuelle. Il va de sci que le cycle de soudage peut etre plus complexe. Le dispositif décrit ci-dessus permet ainsi le montage simplifie de composants du type comportant un boitier-et des bornes directement portées par ce boîtier. E-n d'autres termes, ce composant ne comporte pas de pa'tes. Dans ce genre de montage, le boîtier n'est pas plaqué sur le substrat portera l'ensemble des pistes conductrices. On cherche au contraire à obtenir un espace copris entre C,05 m et i mm, avanta geusenent C,5 mm, entre le bcitier et le substrat. Cet espace facilite notamment l'inspection des soudures, et surtout le nettoyage sous les composants. Aujourd'hui, cet espace est obtenu en fixant ure cale sur le substrat ou sur le boiter, ou encore en déposant entre les pistes conductrices et la soudure une couche intermédiaire formant appui. Dans un cas comme dans l'autre, il est donc nécessaire de préparer spécialement le substrat, ce qui en augmente le prix. Gracie au dispositif décrit ci-dessus, il est possible de supprimer ces éléments d'espacement. Pour mieux comprendre comment cette simplification peut être obtenue, il faut se référer aux figures 2 à 4. Sur ces figures, on peut voir la tête de soudage 46 de facon plus détaillée, le support 12, le substrat 20 et le composant 22. Par contre, le châssis 10, le reste de l'équipage 14 et les moyens de commande 16 ne sont pas représentés. La tête de soudage 46 comporte des pannes 68. Elle porte une buse 70 montée coulissante dans le corps de la tête 46 et maintenue en appui contre une butée 46 de ce corps, par un ressort hélicoïdal 71. La buse 7C est munie d'un trou 72 relié à une source de depres- sion non reprécentée au dessin. Elle permet, avant montage, de maintenir par succion le composant 22 entre les pannes 68. Ainsi qu'on peut le voir s@ la figure 2, l'extrémité inférieure des pannes 68 est sensiblement alignée sur la face inférieure du composant 22. Le substrat 20 porte des pistes conductrices 74 elles-memes recouvertes d'une couche de soudure 76 à leur extrémité destinée à être fixée au composant 22 Le composant 22 porte sur sa face inférieure des bornes de sortie 78 qui, juste avant l'assemblage du composant, se trouvent alignées au-dessus des pistes conductrices 74, et plus particulièrement dans la zone comportant la soudure 76. Alors que les pannes 68 sont chauffées, le chariot 36 est abaissé jusqu'à ce que le composant 22 prenne appui per ses bornes 78 sur la soudure 76, et que les pannes 68 entrent en contact avec les pistes conductrices ;t. Cette situation est llustrée à la figure 3. On Deut rotanitrent y constater que le composant 22 et la buse 70 sont légèrement déplacés vers le haut par rapport à la tête de soudage 46. De la sorte, le ressort 71 est légèrement armé. Dans cette position, les pannes 68 chauffent les pistes conductrices 74, ainsi que la soudure 76, jusqu'à une température dépassant le point de fusion ce cette dernière. La soudure 76 est donc liquide et peut s'allier avec les bornes 78 que comporte le compo- sant 22. L'opération suivante est représentée sur la figure 4. Elle consiste à soulever la tête de soudage 46, tout en continuant de chauffer les pannes 68. Ge la sorte, la soudure 76 reste à l'état liquide, tandis que le composant 22 est éloigne du substrat 20. Ce déplacement vertical est de l'ordre de 0,5 mm. Pour réaliser cette opération, la boite de commande 66 donne l'ordre au moteur 54 de monter l'équipage mobile 14 représenté sur la figure 1, tout en surveillant l'évolution de la pression mesurée par le capteur 34. Lorsque l'équipage mobile 14 a atteint une position dans laauelle cette pression ne varie plus, cela signifie cue les ressorts 32 et 71 sont à leur extension maximum. Dans cette position, le composant 22 est encore en appui sur le substrat 20, mais le plus léguer déplacement de l'équipage mobile 14 vers le haut e tendance à l'en ecarter. De cette position, la boite de commande 66 donne au moteur 54 l'ordre de soulever l'équipage mobile de 0,5 mm environ, entraînant avec lui le composant 22. Durant ce mouvement, les pannes 68 sont encore chauffées et la soudure 76 reste fluide. Cette dernière s' étire par capillarité pour former des colonnes, ainsi qu'on peut le voir sur cette figure 4. Dans cette position, l'alimentation des pannes est supprimée, de sorte qu'elles se refroidissent rapidement. La soudure 76 se solidifie alors. Dès que cette solidification est obtenue, la dépression dans le trou 72 est supprimée, et l'équipage 14 est entraîne vers le haut par le moteur 54. On obtient alors l'ensemble represerte à la figure 5, dans lequel le composant 22 est relié au substrat 20 par l'inter médiaire de colonnes que forme la soudure 76. Les essais effectués ont montre que cette soudure donnait entière satisfa.tior. De plus, le temps nécessaire pour ersectuer cette opération est relativement brec, et permet d'éviter des opérations de préparation du substrat. Afin de deux expliquer la corrélation entre déplacement, forçe et température, la figure 6 représente un diagramme dont la partie a se rapporte au déplacement de la tête de soudage, la partie b à la force appliquée sur la tête o soudage et la partie c à la température des pannes. Un cycle complet de soudage comporte six périodes bien distinctes. La première de ces périodes, comprise entre les temps tO et tl, permet de venir placer le composant sur son substrat. Ainsi qu'on peut le voir en a sur 1a figure 6, le déplacement de l'équipage 14 comporte une phase d'approche à grande vitesse, puis une phase de mise en place à vitesse réduite, de manière que le composant 22 et les pannes 68 entrent délicatement en contact avec le substrat 20. Durant cette période, il est bien évident que la force appliquée est nulle, du fait que l'extrémité de la tête de soudage est libre. Durant cette période également, les pannes sont chauffées de maniere à dépasser la température de fusion de la soudure, soit une température de l'ordre de 250tu à 30Q C. La deuxième période, qui s'étend des temps tl à tz, permet la fusion de la soudure. La tête de soudage est immobile, tandis que la force qu'elle applique sur le substrat 2C est progressivement augmentée, pour atteindre une valeur pouvant dépasser 100N. Pendant ce temps également, la terpérature des pannes est maintenue constante. Le fait d'appliquer une force sur la tête de soudage garantit un bon contact entre les pannes 68 et chacune des pistes conductrices 74 que porte le substrat 20. La fusion de la soudure 76 est ainsi réalisée de manière rapide et sûre. Durant la troisième periode, comprise entre les temps t2 et t3, la boite 66 cor'r-.ande la rotation inverse du moteur 54. Ce dernier entraîne le chariot 28. La force appliquée est progressivement réduite, jusqu'à atteindre une valeur minimum correspondant à l'armage du ressort 32 lorsque la butée 52 est en appui. La auetrième période s'étend du temps t3 au temps t4. Durant cette période, le moteur 54 continue à entraîner l'équipage mobile 14, mais à faible vitesse, jusqu'à écarter de C,5 mm le composant 20 du substrat =. La température des pannes est meirtenue à une valeur dépassant la terrpérature de fusion de la soudure. Cette dernière est toujours à l'état liquide. A cause de sa fluidité et de sa Fouille- bilié, elle forme des colonnes qui relient les pistes conductrices 74 du substrat 20 aux bornes 78 du composant 22. Durant la cinquième période qui s'étend du temps t4 au temps t5, la tete de soudage est immobile, la force appliquee nulle, tandis que le chauffage des pannes est supprimé. La température de la soudure stabaisse alors, jusqu'à descendre en-dessous de sa tem pérature de fusion. 'l en résulte qu'à la fin de cette période, la soudure s'est solidifiée, ce oui signifie que le composant est soudé sur son substrat. Après le temps t5, jusqu'au temps t6, ce qui correspond à la sixième période du cycle de soudage, la dépression dans la buse est supprimée de manière que le composant puisse être séparé de la tête de soudage. L'équipage 14 est soulevé à grande vitesse, pour l'amener à son point de départ. Pendant ce temps, le substrat 20 et son composant 22 sont séparés du support 12 et remplacés par un nouveau substrat, tandis qu'un composant est chargé sur la tête de soudage. Un nouveau cycle peut alors débuter. Il va de soi que les valeurs numériques données ci-dessus à titre d'exemple ne sont nullement limitatives. Ainsi la pression, qui peut varier entre 5 et 300 N par exemple, est choisie en fonction du nombre de pattes que comporte le composant à souder, mais aussi de la fracilité du substrat. La température de chauffage des pannes est adaptée au type de soudure utilisé. REVEND T CATIONS 1. Dispositif pour le soudage d'un composant électrique (22) sur un ensemble de pistes conductrices (20), comportant un châssis (10), un support (12) solidaire dudit châssis et destiné à recevoir et à positionner ledit ensemble (20) et ledit composant (22), un équipage (14' portant une tête de soudage (46), disposé au-dessus du support ('2) et monté coulissant sur le châssis (10) et mobile selon un axe passant par ledit support, et des moyens de commande dudit équipage (16), caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comportent: - un moteur codeur (54); - une vis (56) entraînée en rotation par ledit moteur et coopérant avec ledit équipage pour le faire coulisser; et en ce que ce dernier comporte: - un premier chariot (28) monté coulissant sur ledit châssis et comportant des moyens (4C) pour coopérer avec ladite vis, de manière qu'un mouvement de rotation de la vis induise un déplacement linéaire dudit chariot, - un deuxième chariot (30) monté coulissant sur ledit châssis et portant ladite tête de soudage (46), et - des moyens élastiques f32) pour coupler élastiquement lesdits premier et deuxieme chariots. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un capteur de force (34) intercalé entre lesdits moyens élastiques et l'un desdits chariots, pour mesurer la force appliquée par lesdits moyens de commande sur ladite tête de soudage. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caracterisé en ce que lesdits moyens élastiaues comportent un ressort héli cotidal (32) coaxial à ladite-vis. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérise en ce que ledit équipage comporte en outre des moyens de solidarisation (48, 52) pour solidariser lesdits premier et second chariots, agencés de manière à limiter l'écartement relatif desdits chariots. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que ladite tête comporte une buse reliée à une pompe à vide et destinée à tenir ledit composant. 6. Procédé mis en oeuvre au moyen du dispositif de la revendication 5, pour assembler par soudure un composant comprenant un boitier muni d'une face inferieure portant des bornes de connexion et d'une face supérieure, sur un ensemble de pistes conductrices muni d'extrémités à raison d'une extrémité par borne et caractérisé en ce que, durant le temps où la soudure est en fusion, ledit composant est ecarté puis maintenu à une distance telle que la soudure reste attachée par capillarité à la fois auxdites bornes et auxdites extrémités, au moyen de ladite buse appliquée sur ladite face supérieure.