Brevet FR2707195A1 — publié le 19950113

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de fluxage, c'est-à-dire d'application des flux, en particulier des flux liquides utilisés pour le brasage tendre et vise plus particulièrement les dispositifs de fluxage à température contrôlée. Dans les dispositifs de fluxage connus à ce jour, notamment dans le cas des flux liquides à faibles résidus non volatils (R.N.V.), qu'utilise la technologie moderne du brasage tendre avec ou sans nettoyage, les principaux procédés d'application conventionnels sont: le fluxage à la mousse, le fluxage par pulvérisation (au tamis, ultrasonique, buses, pistolet), la vague, le trempé et bien d'autres. Mais il est également connu qu'en général il faut un flux spécifique pour parvenir à la même efficacité de brasage en fonction du mode d'application. De plus la nécessité de fabriquer une carte électronique brasée fiable ou d'une manière générale de réaliser un joint brasé fiable en dépit éventuellement du non-nettoyage ultérieur au brasage, impose des- formulations de flux dont la potentialité de corrosion et l'efficacité de brasage sont contradictoires, vu la difficulté d'augmenter l'activité du flux par exemple en augmentant la teneur en activants sans augmenter simultanément la potentialité de corrosion des résidus de brasage. Il en résulte les défauts classiques de soudage, tels que ponts, picots, glaçons, boules, filaments et autres à un niveau de fréquence plus ou moins forte. D'autre part, il apparaît des résidus de flux sur notamment les parois et les corps des composants implantés tels que capots plastiques ou verre, relais, contacts, connecteurs et autres, par suite notamment des remontées de flux liquides le long des pattes de sortie traversantes. L'objet de la présente invention est un procédé et un dispositif d'application du flux liquide de brasage tendre qui permet d'en accroître, pour une formulation donnée, l'efficacité de brasage tout en garantissant la fiabilité d'une part et d'autre part en minimisant les inconvénients décrits ci-dessus et d'apporter en plus un perfectionnement de l'état de surface des aires brasées ou étamées. Il est connu que le process conventionnel de mise en oeuvre d'un flux, en particulier d'un flux à faible teneur en résidu non volatil, comporte l'application de ce flux sur les cartes de circuits imprimés ou les sorties de composants par un moyen approprié tel que: mousse, vague, pulvérisation, trempé ou autre, suivie d'un préchauffage dans le double but d'en évaporer les solvants puis d'initier l'activation avant passage à la vague ou au bain statique de soudure qui en assureront le brasage ou l'étamage. La présente invention est caractérisée par l'application du flux liquide préalablement préchauffé et maintenu en température quel que soit le mode d'application. L'échauffement du flux est réalisé par tout moyen connu d'apport de chaleur utilisable en toute sécurité, les flux liquides étant en général des produits inflammables. La présente invention est en outre caractérisée par la régulation de la température consignée pour le travail du flux, cette température étant variable paramétriquement dans les équipements de brasage. Les auteurs ont remarqué que l'application d'un flux liquide tiédi à température convenable par exemple entre 25 C et 45 C sans que ces valeurs soient limitatives de la présente invention, améliore avantageusement l'efficacité de brasage sans pour autant influencer la potentialité de corrosivité des résidus de brasage puisque la dite préchauffe ne modifie pas la composition chimique du flux. L'accroissement de l'efficacité est directement observable sur les cartes brasées par la disparition des picots et glaçons de soudure consécutive au tiédissement du flux au moment de son application et à leur réapparition dès que celui-ci cesse. Les auteurs ont également observé la disparition des résidus de flux sur les parois et les corps des composants implantés par suite de l'étalement du flux - 2 - sur le dessus de la carte dans le cas o il aurait pu y accéder, cet étalement permettant une vaporisation et une destruction totales des résidus. L'accroissement de l'efficacité d'un flux apporté par le procédé de préchauffe suivant la présente invention est prouvé d'autre part selon une procédure préférée des auteurs qui ont procédé à des mesures d'efficacité avec ou sans chauffage d'un flux à faible résidu non volatil et sans nettoyage en utilisant la méthode de mesure méniscographique avec une balance de mouillage suivant les normes françaises NFC-90550 et NFC-90551 mettant en oeuvre des lamelles minces de cuivre cuivré sulfurisé. La Figure 1 représente la force de mouillage d'une lamelle de cuivre cuivré sulfurisé au grade 4 de la norme par un bain d'étain-plomb en fusion à la température de 235 C la lamelle de cuivre ayant été fluxée avec le flux cité ci-dessus à la température ambiante. Le tableau I donne la force de mouillage ainsi que l'angle de mouillage tiré de l'équation d'Young en fonction du temps et dans les conditions suivantes: Température: 235 C Masse volumique de l'étain-plomb à 235 C: 8,00 mg/mm3. Profondeur d'immersion: 3 mm Tension superficielle du flux: 408 microNewton/mm Temps de la mesure: 5 secondes Largeur de l'éprouvette: 10 mm Epaisseur de l'éprouvette: 0,06 mm Grade de pollution: 4 Température de fluxage de l'éprouvette: 200 C Tableau I Temps(secondes) F(mN) Téta 0,0 - 0,09 89,67 0,5 - 4,81 125,44 1,0 - 0,19 90,34 1,5 1,89 75,42 Tableau I (suite) Temps(secondes) F(mM) Téta 2,0 3,96 59,37 2,5 5,38 46,75 3,0 6,23 37,76 3,5 6,60 33,13 4,0 6,89 29,24 4,5 6,98 27,83 ,0 6,98 27,83 La Figure 2 représente la force de mouillage mesurée de la même manière et dans les mêmes conditions que celles du Tableau I, mais la température de fluxage de l'éprouvette a été portée à 55 C. Le Tableau II donne dans ce cas conforme à la présente invention la force et l'angle de mouillage. Tableau II Temps(secondes) F(mM) Téta 0,0 0,00 88,99 0,5 - 3,77 117,09 1,0 4,15 57,44 1,5 5,94 40,27 2,0 6,79 29,61 2,5 7,17 23,55 3,0 7,26 21,79 3,5 7,36 19,88 4,0 7,26 21,79 4,5 7,26 21,79 ,0 7,17 23,55 La comparaison des résultats figurant aux tableaux I et II fait immédiatement apparaître l'accroissement considérable de l'efficacité du flux tiédi au mioment de son application suivant la présente invention, le gain étant supérieur à 20 d'angle de mouillage dans les temps utiles, c'est-à-dire de l'ordre de 2 à 4 secondes habituellement mis en oeuvre dans le brasage automatique à la vague. La présente invention est en outre caractérisée par l'influence avantageuse du tiédissement du flux sur la - 4 - disparition des traces de résidu sous quelque forme que ce soit, solide, liquide ou vapeur aussi bien le long des pattes traversantes des composants, et de leurs parois, des contacts que de la face supérieure de la carte de circuit imprimé électronique ou de tout équipement brasé ou étamé. L'action du tiédissement du flux est prouvée selon une procédure préférée des auteurs qui ont procédé à des mesures de tension superficielle Gamma liquide vapeur d'un flux à faible résidu non volatil en utilisant la méthode de mesure méniscographique avec une balance de mouillage suivant les normes françaises NFC-90550 et NFC-90551 mettant en oeuvre des lamelles de cuivre cuivré non sulfurisé. La Figure 3 représente la force de mouillage d'une lamelle de cuivre cuivré non sulfurisé, correspondant au grade de pollution 0 des dites normes, par un bain d'étain- plomb en fusion à la température de 235 Cla lamelle de cuivre ayant été fluxée avec le flux cité ci-dessus à la température ambiante. Le tableau III donne la tension superficielle Gamma liquide vapeur tirée de l'équation d'Young en fonction du temps et dans les conditions suivantes: Température: 235 C Masse volumique de l'étain-plomb à 235 C: 8,00 mg/mm3 Profondeur d'immersion: 3 mm Temps de la mesure: 6 secondes Largeur de l'éprouvette: 10 mm Epaisseur de l'éprouvette: 0,06 mm Grade de pollution: 0 Température de fluxage de l'éprouvette: 20 C Tableau III Temps (secondes) Gamma (micro-Newton/mm) 0,0 16,72 0,5 11,94 1,0 389,48 1,5 394,26 Tableau III (suite) Temps (seconde) Gamma (micro-Newton/mm) 2,0 394,26 2,5 408,59 3,0 399,04 3,5 394,26 4,0 199,04 4,5 399,04 ,25 408,59 5,87 408,59 6,0 408,59 La Figure 4 représente la force de mouillage mesurée de la même manière et dans les mêmes conditions que celles du Tableau III, mais la température de fluxage de l'éprouvette a été portée à 55 C. Le Tableau 4 donne dans ce cas conforme à la présente invention la tension superficielle Gamma liquide vapeur en fonction du temps. Tableau IV Temps (seconde) Gamma (micro-Newton/mm) 0,0 11,94 0,5 - 26,30 1,0 351,25 1,5 356,03 2,0 351,25 2,5 360,80 3,0 365,58 4,0 370,36 4,5 370,36 ,25 370,36 5,87 365,58 6,0 365,58 La comparaison des résultats figurant aux tableaux III et IV fait immédiatement apparaitre l'abaissement important de la tension superficielle du flux tiédi au moment de son application suivant la présente invention, puisque Gamma liquide vapeur diminue de 408 à 370 micro-Newton/mm si la - 6- température de fluxage passe de 20 à 55 C. Il en résulte l'avantage, comme le montre la Figure 5, que le flux 2 fourni par le dôme de mousse 1 tiédi suivant la présente invention, traverse par exemple les trous métallisés tels que 3 et 4 puis parvenu au point 5 du substrat 6 a tendance à s'étaler sur le dessus 7 du substrat plutôt que de grimper le long de la patte de sortie 8 du composant 9. Il s'ensuit que lors du passage sur le bain de brasage le flux 2 étalé en 7 se volatilise totalement laissant la face supérieure du substrat parfaitement propre et ne polluant pas les parois telles que 10 par les vapeurs émises lors de sa volatilisation puisque celles-ci proviennement maintenant d'une plus grande surface. De même, si le composant 9 n'est pas étanche et comporte des contacts électriques ces derniers ne sont pas pollués, le flux 2 s'étant étalé en 7. De plus une remontée de flux, qui se serait produite inévitablement en l'absence du tiédissement objet de la présente invention, aurait également apporté l'inconvénient supplémentaire d'un dépôt de résidus visibles sur la paroi 10 car celle-ci ne voit pas les températures nécessaires à la volatilisation complète des résidus de flux. Il va de soi que le procédé objet de la présente invention n'est pas limité à une classe donnée de flux tels que les flux à faible résidu non volatil, avec ou sans nettoyage, mais qu'elle concerne toutes les catégories de flux * résineux, non résineux, solvants activés, flux synthétiques, flux organiques et autres. Un autre avantage caractéristique de l'invention est la diminution du taux de retouches, habituellement exprimé en parties par million (PP[I) tels que ponts de brasure, drapeaux, picots, glaçons, filaments, micro court-circuits et autres. En outre la présente invention est caractérisée par l'augmentation de la fiabilité des cartes électroniques, des équipements ainsi que des composants traités dans les - 7 - conditions de tiédissement du flux lors de son application, sans que cette énumération soit restrictive ou limitative. En effet les produits de désoxydation et de décontamination formés par réaction avec le flux tiédi retombent en grande partie dans la réserve de fluk et n'accompagnent pas les équipements traités. La présente invention est de plus caractérisée par l'accroissement de la fiabilité des équipements brasés avec un flux préalablement dilué avec son diluant par exemple, habituellement non activé, ce qui abaisse le niveau d'activation classique initial, mais la perte d'efficacité qui pourrait en résulter se trouve compensée par le gain dû à l'augmentation de la température d'application du flux, conforme à la présente invention par suite de l'abaissement de l'angle de mouillage et de l'augmentation du coefficient d'ionisation des activants. Il en résulte que l'équipement est brasé avec une moindre quantité d'activants ce qui naturellement diminue la potentialité de corrosion. La présente invention est en outre caractérisée par le dispositif de préchauffage du flux liquide permettant d'amener celui-ci à la bonne température de fonctionnement sans créer des risques d'inflammation du produit. La Figure 6 représente un dispositif conforme à l'invention appliqué au cas particulier du fluxage mousse. Il va de soi que cet exemple n'est pas limitatif et que le dispositif peut être utilisé quel que soit le système d'application du flux sans sortir du cadre de la présente invention. Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, la cuve 11 réalisée par exemple en acier inoxydable est munie d'un couvercle 12 et se trouve reliée au compartiment 13 lui-même réalisé en acier inoxydable ou un matériau plastique conventionnel tel cue le polychlorure de vinyle rigide par une tuyauterie 14. Le dit compartiment 13 comporte un fluxeur 15 par exemple avec ailettes latérales 16 et 17 à sa partie supérieure et une pierre 1i servant au moussage du flux grâce à une pression d'air. Le trop-plein 19 permet le maintien du flux à niveau constant dans le compartiment 13, le flux circulant grâce à la pompe 20. Suivant la présente invention une portion de la tuyauterie de raccordement du réservoir 11 au compartiment 13 est remplacée par un tuyau 21 en acier inoxydable ou tout autre matériau adéquat résistant aux alcools même chauds et aux activants acides contenus dans les flux. La section de ce tuyau est en général supérieure à celle de la tuyauterie 14 pour permettre son gainage par un ou plusieurs rubans chauffants 22. Un régulateur 23 et une sonde thermique 24 plongeant dans le flux du compartiment 13 permettent la régulation de la température à la valeur consignée, par exemple et à titre non limitatif, entre 30 C et 50 C, la valeur consignée étant lue directement sur le régulateur. Il va de soi que tout autre moyen adéquat de chauffage du flux liquide, direct ou indirect, peut être utilisé sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Le ou les rubans chauffants 22 sont avantageusement calorifugés extérieurement par un isolant thermique 25. A titre d'exemple non restrictif et non limitatif une puissance de chauffe installée de 600 watt permet de couvrir la plage de température requise pour un volume de flux liquide contenu dans la cuve 11, les tuyauteries et le compartiment de fluxage 13 d'une contenance totale proche de à 20 litres. Une seconde sonde thermique 26 située par exemple dans la pièce 21 permet de commander une sécurité haute 27 empêchant-le dépassement d'une température du flux circulant supérieure à un seuil fixé à l'avance, par exemiple en cas de panne entrainant l'arrêt de la pompe 20. -9- REVENDICATIONS 1) Procédé d'application des flux liquides utilisés pour le brasage tendre caractérisé par le réchauffement du flux (2) contenu dans le compartiment de fluxage (13) muni d'un fluxeur à mousse (15) et d'un trop-plein (19) pour niveau constant. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plage des températures utiles de réchauffement du flux (2) se situe, par exemple, entre 25 C et 55 C. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé par l'accroissement de l'activité du flux de brasage tendre. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et caractérisé en ce eue le réchauffement à température contrôlée du flux (2) s'effectue par des rubans chauffants (22) munis d'un calorifuge extérieur (25) dans une section (21) incorporée dans le circuit de circulation (14) du flux, la régulation étant réalisée par un régulateur (23) et une sonde thermique (24) placée dans le compartiment de fluxage (13). 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et caractérisé en ce que le flux (2) circule entre un compartiment de réserve (11) et un compartiment de fluxage (13) au travers d'une pompe (20). 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et caractérisé en ce cue le dispositif de fluxage est muni d'une sécurité haute (27) réalisée par la sonde (26) placée dans la section de tuyauterie (21) et permettant l'arrêt du chauffage en cas de dépassement de la température de consigne. 7) MNachiine de brasage et machine de test de brasabilité utilisant le procédé de réchauffement du flux selon les revendications 1 à 6. - 10 -