Brevet FR2653367A1 — publié le 19910426

La présente invention est relative à un procédé pour le brasage par faisceau laser de plusieurs éléments métalliques à peu pres ponctuels sur un substrat non métallique. Elle s'applique en particulier à la fabrication des cartes de circuits électroniques par brasage des broches de connexion ou analogues (pattes, contacts,...) de divers composants électroniques. Le brasage au laser présente des avantages importants. En particulier, il s'agit d'un procédé sans contact dans lequel l'énergie est déposée a avec une forte densité surfacique, uniquement dans la zone où se situe la brasure, et peut etre commandée de façon fiable et précise Pour la fabrication de cartes électroniques notamment, le procédé au laser a donc 1 avantage d'éviter le chauffage des composants. Des dégradations peuvent etre en effet rencontrées dans les procédés conventionnels de brasage par four infra-rouge (I.R.) ou en phase vapeur ou à la vague : l'ensemble de la carte électronique, y compris les composants sensibles, sont alors soumis à des températures voisines de Z00 C pendant plusieurs secondes ou minutes. Cependant, lorsqu il s agit de braser au laser une série de broches de connexion de composants électroniques sur une carte de circuit imprimé, la technique de mise en oeuvre classique, qui consiste à effectuer un brasage séquentiel point par point en envoyant successivement le faisceau laser focalisé sur chaque contact à braser, présente certains inconvé nient s. Un inconvénient majeur est que cette techni-que point par point est relativement lente. Par ailleurs, dans cette technique point par point, la quantité d'énergie laser absorbée par chaque point de brasure ainsi que la surface éclairée par le laser sont des paramètres sensibles : 5 ils sont mal maitrisés, l'évolution de température de la brasure est mal contrlee, d'où il résulte des défauts de qualité : brûlure locale du substrat, pollution par dissémination de la crème a' braser. Ces défauts se produisent notamment lorsqu'on utilise un laser Nd-YAG à 1.06 m, qui est souvent préféré au laser à CO2 (à 10,6 m) dans la brasure point par point, du fait d'une meilleure absorption par les matériaux métalliques intervenant dans la brasure de la longueur d'onde 1,06 m. L'invention a pour but de fournir une technique permettant un brasage fiable et rapide de séries de broches de connexion ou analogues, avec divers types de laser dont les lasers CO2. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'on chauffe globalement au moyen du laser une région du substrat entièrement située à proximité immédiate de l'ensemble desdits éléments, jusqu'à une température prédéterminée au moins égale à la température de fusion des produits de brasage et inférieure à la tem perature de dégradation du substrat. A titre indicatif, les températures sont de l'ordre de 220*C pour la fusion d'un alliage de brasure type SnPb et de 300 0C pour la température de dégradation d'un substrat de type Epoxy. On parvient par ce procédé à satisfaire deux conditions qui ne sont pas remplies en même temps par les autres procedes de brasage conventionnels ou par laser : d'une part, une série de points de brasure est réalisée simultanément, en un temps très bref, et d'autre part, la zone thermiquement affectée est limitée à la zone utile sans risque d 'endommager le substrat ou les composants à braser. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on effectue le chauffage en balayant ladite région avec le faisceau laser, de telle manière que l'ensemble de la région balayée par le faisceau ait une température sensiblement homogène. Ce balayage correspond à un mouvement periodique de l'impact du faisceau laser sur le substrat dans une région entièrement située à proximité immédiate des éléments à braser. Ce mouvement est suffisamment rapide pour que le chauffage du substrat soit sensiblement homogène dans la zone balayée, la période de balayage étant courte en regard des constantes thermiques du substrat. De préférence, on mesure la température de ladite région au moyen d'un pyromètre qui mesure l'intensité d'un rayonnement caractéristique du substrat, notamment par visée reflex de ladite région, ce rayonnement caractéristique correspondant a' une longueur d'onde différente de celle émise par le laser. L'invention a également pour objet un appareil de brasage au laser destine à la mise en oeuvre d'un tel procédé Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend : - un support pour le substrat - un laser - des moyens pour défléchir le faisceau du laser ; et - des moyens de commande des moyens de déflection assurant un balayage par le faisceau de régions localisées du substrat. Un exemple de mise en oeuvre de 1 invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 représente schématiquement en perspective un appareil conforme a l'invention - la Fig. 2 est une vue en plan d'une carte de circuits électroniques réalisée conformément a 1 invention, au moyen de l'appareil de la Fig. 1. L'appareil représenté à la Fig. 1 comprend - un support horizontal 1, muni de moyens (non représentés) de déplacement suivant deux directions horizontales orthogonales X, Y, sur lequel peut se fixer une carte de circuits imprimés ou substrat 2; - deux miroirs 3, 4 montés oscillants respectivement autour d'un axe horizontal 5 perpendiculaire a' la direction X et autour d'un axe vertical 6, et munis de moteurs d'entrainement respectifs 7, 8 - un laser CO2 9 (longueur d'onde À = 10,6#m) à fonctionnement continu et à puissance réglable par exemple de 3 W à 50 W, associe à un laser He-Ne 10 émettant un faisceau de lumière visible qui se superpose au faisceau principal issu du laser 9. La sortie du laser 9 est orientée vers le centre du miroir 4 le plus proche. Entre cette sortie et le miroir 4 sont prévus successivement une première lame dichroique 11 permettant la superposition des deux faisceaux laser, un système optique de focalisation 12, et une seconde lame dichroique 13 - un pyromètre infra-rouge 14 vers lequel les miroirs 3 et 4 et la lame 13 renvoient un rayonnement 15 caractéristique du substrat 2, émis par celuici, et dont l'intensité est représentative de la température de ce substrat. En particulier, pour un substrat en matière organique tel qu'un substrat époxy, on peut généralement utiliser un rayonnement de longueur d'onde 3,43 m, correspondant à la présence de liaisons carbone-hydrogène. Ce rayonnement, séparé par la lame 13 de la lumière laser diffusée par la région où s'effectue le brasage, est focalisé sur le pyromètre par un système optique 16.Un pyromètre qui convient pour cette mesure de température est le pyromètre type MODLINE, série 3400. de la Société IRCON - un calculateur électronique 17, tel qu'un microprocesseur, pourvu d'un logiciel de gestion et de commande de l'émission laser ainsi que des-mouvements d'oscillation des miroirs et de ceux du support 1, de la manière décrite plus loin, par l'intermédiaire d'interfaces 18 (pour le laser) et 19 (pour les moteurs 7 et 8). L'interface 18 sert également d'interface en-tre le pyromètre 14 et le laser 9, pour la modulation de la puissance du faisceau laser, comme décrit ci-dessous. Avec l'appareil de la Fig. 1, on réalise une carte de circuits électroniques du type représenté à la Fig. 2, où seules certaines pistes de circuits imprimes portées par le substrat 2 ont été indiquées dans un but de clarté. Sur le substrat doivent être fixés par brasage - de petits éléments passifs 20 tels que des résistances miniaturisées à deux pôles 20A - des éléments passifs plus grands tels que des résistances 21 de forme allongée comportant deux pattes de connexion d'extrémité 22 en saillie, ou un condensateur 23 à deux pattes de connexion 24 en saillie juxtaposées - des boitiers électroniques complexes de forme rectangulaire comportant sur deux côtés opposés (boitiers 25, 26, 27) ou sur les quatre côtés (boitier 28) une série de broches de connexion très rapprochées les unes des autres.Pour les boitiers 25 et 26, les broches 29 ne font pratiquement pas saillie en vue en plan, alors que les broches 30 des boitiers 27 et 28 font nettement saillie - un connecteur marginal dit de bord de carte 31 présentant plusieurs pattes de connexion 32 en saillie importante le long d'un bord du substrat. De façon classique, chaque broche ou analogue aboutit sur un plot d'une piste de circuit définie sur le substrat. Le plot peut être préétame (technique de refusion) ou revêtu de crème à braser. Pour réaliser une telle carte, on commence par définir un certain nombre de régions du substrat ayant une forme appropriée, en général rectangulaire, et dont chacune est entièrement située au voisinage immédiat d'une série de broches de connexion à fixer par brasage. Ces régions sont de trois types (1) Des régions 33 recouvrant complètement un ou plusieurs composants, lorsque ces derniers sont très petits et peuvent être chauffés sans dommage. Dans 1 exemple représenté, il s'agit de régions recouvrant une ou plusieurs résistances 20. (2) Des régions 34 immédiatement adjacentes à un bord d'un composant muni de broches 29 qui, en plan, ne font pratiquement pas saillie, comme c'est le cas pour les boitiers 25 et 26, et (3) Des régions 35 longeant un bord d'un composant et dans lesquelles pénètrent nettement une broche en saillie ou une série de broches juxtaposées en saillie (composants 21, 23, 27, 28 et 31). Le logiciel de commande du calculateur 17 est adapté pour que le faisceau laser soit dirigé successivement sur chacune des régions 33 à 35 et, a chaque fois, balaye la région de travail grâce au mouvement d'un miroir ou des deux miroirs, à savoir un mouvement sinusoïdal ou en dents de scie rapide, dans le sens de la longueur de la région, avec une fréquence de 50 Hz à 1 kHz, et éventuellement un mouvement lent perpendiculaire au précédent. Pendant ce balayage, le substrat émet un rayonnement à 3,43rm mesuré par le pyromètre, lequel "voit" directement la région de travail puisqu'il est agencé en visée reflex. Ce pyromètre possède une valeur de température de consigne au moins égale à la température de fusion des produits de brasage et inferieure à la température de dégradation du substrat, et il émet vers le laser 9, via l'interface 18, un signal d'écart qui modifie la puissance du laser dans le sens tendant à annuler cet écart. La puissance du laser est ainsi asservie à la température de consigne. Pour éviter toute perte de précision de cette régulation due à la visée de parties métalliques par le pyromètre, on définit les régions 33 à 35 de façon que la surface de substrat exposée soit suffi Opsamment importante par rapport à la surface métalli- que, et/ou on recouvre les pistes métalliques de circuit imprimé, dans leurs parties non brasées, d'un vernis épargne absorbant le rayonnement laser. De cette manière, alors que les parties métalliques à braser n'absorbent que faiblement le rayonnement à 10,6 r m, on chauffe le substrat à proximité immédiate de ces parties métalliques, et c'est le substrat qui chauffe par conduction les plots de brasage à la température de fusion des produits de brasage. En effet, le rayonnement à 10,6/ m est bien absorbé par les substrats utilisés pour constituer les cartes électroniques (matières plastiques type Epoxy ou céramiques du type Al203). Cette propret d'absorption élevée du substrat à la longueur d'onde des lasers, qui est considérée comme un inconvénient dans la technique classique point par point, est ainsi mise à profit dans le cadre de la présente invention. En variante, on peut remplacer le laser CO2 par un laser CO ou Nd-YAG, dont les rayonnements sont également absorbés fortement par les substrats organiques. Le laser utilisé est de préférence un laser à fonctionnement continu, comme dans l'exemple décrit ci-dessus. Un laser pulsé pourrait toutefois etre utilisé également. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le brasage au laser de plusieurs éléments métalliques à peu près ponctuels (20, 22, 29, 30, 32) sur un substrat (2) non métalli ques caractérisé en ce qu'on chauffe globalement au moyen du laser (9) une région (33 à 35) du substrat entièrement située à proximité immédiate de l'ensemble desdits éléments, jusqu'à une température prédétermi née au moins égale à la température de fusion des produits de brasage et inférieure à la temoêrature de dégradation du substrat. 2. Procédé suivant la revendicatianl, ca ractérisée en ce que ladite région (33 à 35) contient une partie au moins desdits éléments métalliques (20, 22, 29, 32). 3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on effectue le chauffage En balayant ladite région (33 à 35) avec le faisceau laser, de telle manière que l'ensemble de la région balayée par le faisceau ait une température sensible ment homogène. 4. Procédé suivant l'une quelconque des re vendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on mesure la température de ladite région (33 à 35), et on règle la puissance du laser (9) de- façon à annuler l'écart entre la température mesurée et ladite température prédéterminée. 5. Procédé suivant la revendication 4, ca ractérisé en ce qu'on mesure la température de ladite région (33 à 35) au moyen d'un pyromètre (14) qui me sure l'intensité d'un rayonnement caractéristique du substrat (2), notamment par visée reflex de ladite région, ce rayonnement caractéristique correspondant à une longueur d'onde différente de celle émise par le laser. 6. Procédé suivant la revendication 5, ca ractérisé en ce que, dans ladite région (33 à 35), l'aire dans laquelle le substrat (2) est exposé est importante par rapport à l'aire occupée par lesdits éléments métalliques (20, 22, 29, 321. 7. Appareil pour le brasage au laser de plusieurs éléments métalliques à peu près ponctuels (20, 22, 29, 30, 32)) sur un substrat (2) non métallique, caractérisé en ce qu'il comprend - un support t1) pour le substrat (2) - un laser (9) - des moyens (3, 4) pour défléchir le faisceau du laser ; et - des moyens (7, 8, 17) de commande des moyens de déflection (3, 4) assurant un balayage par le faisceau de régions localisées (33 à 35) du substrat (2). 8. Appareil suivant la revendication 7, ca caractérisé en ce qu'il comprend un pyromètre (14) adapté pour mesure l'intensité de l'émission par le substrat (2) d'un rayonnement caractéristique de ce substrat, et pour commander la puissance du laser (9) de façon à annuler l'écart entre la température mesurée et une température prédéterminée au moins égale à la température de fusion des produits de brasage et inférieure à la température de dégradation du substrat. 9. Appareil suivant la revendication 8, ca ractérise en ce que les moyens de déflection comprennent au moins un miroir (3, 4), et en ce que le pyromètre (14) est interposé sur le trajet lumineux réfléchi par le miroir (3, 4) et par une lame dichrolque (13) interposée sur le trajet du faisceau incident, cette lame dichroique isolant le pyromètre de la lumière du laser diffusée par les éléments à braser. 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le laser (9) est un laser CO ou CO ou Nd-YAG, notamment à fonctionnement continu.