Brevet FR2720018A1 — publié le 19951124

La présente invention concerne un procédé et un appareil de soudage de composants électroniques et plus particulièrement un procédé et un appareil de soudage de composants électroniques dans lesquels le préchauffage et la refusion sont accomplis successivement dans un four dont la structure non fermée permet la circulation de l'atmosphère ambiante dans le four, de manière à obtenir le montage d'un composant électronique sur une plaquette à circuit imprimé par soudage à l'aide d'une pâte à souder. Un appareil de soudage par refusion sous azote a été développé dans le but d'éliminer le nettoyage après soudage d'un composant électronique au moyen d'une pâte à souder. L'appareil de soudage par refusion connu dans la technique est conçu pour réaliser le soudage dans une atmosphère non oxydante à l'intérieur d'un four alimenté en azote pour empêcher l'oxydation de l'alliage de soudage et des plages de connexion soudées afin d'éliminer l'utilisation du Fréon (marque déposée), du trichloréthylène ou analogues dans l'opération de nettoyage subséquente. A cette fin, l'appareil de soudage par refusion conventionnel comprend un corps de four de structure fermée pour maintenir la concentration en oxygène ou l'atmosphère à l'intérieur du corps de four à un niveau aussi faible que 10 à ppm pour minimiser la consommation d'azote. Plus particulièrement, le corps de four est divisé en une section d'entrée de chambre de purge d'azote, une section de préchauffage et de refusion et une section de sortie de chambre de purge d'azote, parmi lesquelles les sections d'entrée et de sortie sont munies chacune d'un obturateur à deux étages pour isoler de l'atmosphère ambiante la zone de soudage à l'intérieur du corps de four. En outre, pour minimiser la sortie d'azote hors du corps de four, il est prévu une section de paliers pour des arbres rotatifs de ventilateurs disposés à l'intérieur du corps de four, chacun des arbres étant situé dans une structure fermée, et un convoyeur ou système de transport est agencé de manière à contrôler automatiquement en synchronisme avec le fonctionnement des obturateurs la vitesse à laquelle une plaquette à circuit imprimé est introduite dans la section d'entrée de chambre de purge d'azote et est évacuée par la section de sortie de chambre de purge d'azote. Bien que l'appareil de soudage par refusion conventionnel construit de la manière décrite ci-dessus permette un soudage satisfaisant des composants électroniques, il provoque une augmentation du coût des appareillages car il est nécessaire de construire le corps de four sous forme de structure fermée. En outre, il exige non seulement une grande quantité d'azote mais encore le remplacement incommode d'une bouteille d'azote lorsqu'une telle bouteille constitue la source d'azote. Par ailleurs, lorsqu'une unité productrice d'azote est prévue en association avec l'appareil de soudage par refusion, celle-ci entraîne une augmentation supplémentaire du coût des appareillages. Néanmoins, lorsque le corps de four est construit sous forme d'une structure non fermée, l'appareil de soudage par refusion conventionnel est incapable d'empêcher l'apparition de trous de soudure et la formation d'une couche d'oxyde sur l'alliage de soudure car il n'empêche pas l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le corps de four. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient évoqué ci-dessus. A cette fin, on a constaté en étudiant l'effet de l'atmosphère ambiante sur l'alliage de soudure et le flux contenu dans la pâte à souder que l'humidité contenue dans l'atmosphère ambiante a un effet néfaste sur l'activité du flux. Ainsi, la présente invention exclut le remplacement de l'oxygène par l'azote dans un corps de four de structure fermée. La présente invention a pour but de proposer un procédé de soudage d'un composant électronique qui est capable de réaliser un soudage satisfaisant même dans un four de structure non fermée permettant à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le four. La présente invention a aussi pour but de proposer un appareil pour souder un composant électronique qui est capable de réaliser un soudage satis- faisant même dans un four de structure non fermée permettant à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le four. Selon l'un de ses aspects, la présente invention concerne un procédé de soudage d'un composant électronique. Ce procédé comprend les étapes consistant à soumettre une pâte à souder successivement à un traitement de préchauffage et à un traitement de refusion dans un four de structure non fermée qui permet à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le corps de four, de manière à fixer le composant électronique sur une plaquette à circuit imprimé par soudage à l'aide de la pâte à souder et à introduire de l'air déshumidifié dans le four pour établir une atmosphère déshumidifiée à l'intérieur du four. En général, l'absorption d'humidité ou d'eau par un activateur, une résine ou autre contenu dans le flux présent dans la soudure utilisée pour souder un composant électronique entraîne une baisse d'activité du flux. Dans la présente invention, de l'air déshumidifié est introduit dans le four pour établir une atmosphère déshumidifiée à l'intérieur du four afin d'empêcher une détérioration de l'activité du flux de la pâte à souder, de manière que le flux forme une couche protectrice satisfaisante sur l'alliage de soudure de la pâte à souder. Dans un mode de réalisation de la présente invention que l'on préfere, l'air déshumidifié est un mélange air-azote formé par mélange de l'atmosphère ambiante déshumidifiée et d'azote. L'azote contenu dans le mélange air-azote empêche l'oxydation des plages de connexion d'un réseau de conducteur et de l'alliage de soudure, ce qui garantit un soudage satisfaisant du composant électronique. Dans un mode de réalisation de la présente invention que l'on préfère, le traitement de préchauffage et le traitement de refusion sont mis en oeuvre dans des chambres séparées qui sont définies à l'intérieur du four. Une telle construction permet l'introduction efficace de l'air déshumidifié dans toute section voulue du four et maintient le profil de température qui s'étend du préchauffage à la refusion et qui est destiné au chauffage de la pâte à souder. Selon un autre aspect de la présente invention, il est proposé un appareil pour souder un composant électronique. Cet appareil comprend un four à structure non fermée qui permet à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le four. Le four comporte un dispositif de préchauffage et un dispositif de refusion permettant un traitement thermique pour fixer le composant électronique sur une plaquette à circuit imprimé par soudage à l'aide d'une pâte à souder. L'appareil comprend également une section d'entrée d'air déshumidifié prévue sur le four, pour introduire de l'air déshumidifié dans le four. Ainsi, l'appareil selon la présente invention limite les augmentations de coût d'appareillage. Dans un mode de réalisation de la présente invention que l'on préfere, la section d'entrée d'air déshumidifié comprend une section d'entrée de mélange air-azote. La section d'entrée du mélange air-azote comprend un passage d'intro- duction d'atmosphère ambiante déshumidifiée, un passage d'introduction d'azote et un agitateur pour relier l'un à l'autre le passage d'introduction d'atmosphère ambiante déshumidifiée et le passage d'introduction d'azote. Ainsi, le mélange air- azote déshumidifié peut être introduit efficacement dans le four en toute position voulue. Dans un mode de réalisation de la présente invention que l'on préfere, le dispositif de préchauffage et le dispositif de refusion sont séparés l'un de l'autre par un dispositif de séparation prévu dans le four. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfere aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un appareil pour souder un composant électronique selon la présente invention; la figure 2 est une représentation graphique de la relation entre la température et le temps dans la zone de soudage de l'appareil de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un alliage de soudure sur lequel le flux forme une couche protectrice au cours d'un traitement thermique réalisé dans l'appareil de la figure 1. En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit un four de refusion utilisé pour monter un composant électronique sur la surface d'une plaquette à circuit imprimé selon le procédé de soudage de composants électroniques de la présente invention. Le four de refusion reçoit une plaquette à circuit imprimé sur laquelle un composant électronique a été préalablement maintenu temporairement par application d'une pâte à souder sur les plages de connexion d'un réseau de conducteurs situé sur la plaquette à circuit imprimé, chacune des électrodes externes du composant étant placée entre des plages de connexion prédéterminées, auxquelles de la soudure a été appliquée, tandis que le contact entre ces éléments est maintenu. Comme le montre la figure 1, le four de refusion comprend un corps de four 10 de structure non fermée qui permet à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le four. Plus particulièrement, le corps de four 10 est construit de telle manière que ses sections d'entrée et de sortie permettant respectivement l'introduction d'une plaquette à circuit imprimé dans le corps de four 10 et l'évacuation de celle-ci hors du corps de four 10 sont ouvertes pour permettre à l'air présent dans le corps de four 10 de parvenir à un état d'équilibre grâce à la pénétration de l'atmosphère ambiante dans le corps de four 10 par les sections d'entrée et de sortie. Le corps de four 10 est muni d'un convoyeur 12 tel qu'un convoyeur à chaînes qui transporte la plaquette à circuit imprimé dans une zone de soudage définie dans le corps de four 10. L'intérieur du corps de four 10 est divisé en une section de préchauffage 14 constituant le premier étage, une section de préchauffage 16 constituant le second étage et une section de refusion 18. Les sections 14, 16 et 18 du corps de four 10 sont munies chacune de deux dispositifs chauffants 20 opposés verticalement l'un à l'autre. La température obtenue grâce aux dispositifs chauffants 20 dans chacune des sections est déterminée en fonction de la composition de la pâte à souder utilisée. Par exemple, les dispositifs chauffants 20 peuvent être agencés de manière que la température de la section de préchauffage 14 du premier étage soit d'environ 150C, que la température de la section de préchauffage 16 du second étage soit d'environ 170 à 175'C et que la température de la section de refusion 18 soit d'environ 183C. Dans le mode de réalisation représenté, il est prévu seulement deux sections de préchauffage 14 et 16. Cependant, il est possible de prévoir, si nécessaire, trois sections de préchauffage de ce type ou plus. Le four de refusion construit de la manière décrite ci-dessus est muni également sur son côté supérieur d'une section d'entrée d'air déshumidifié 22 pour introduire de l'air déshumidifié dans le corps de four 10. Dans le mode de réali- sation représenté, la section d'entrée d'air déshumidifié 22 comprend une section d'entrée d'un mélange air-azote formé par mélange de l'atmosphère ambiante déshumidifiée et d'azote. Cependant, il est à noter que dans la présente invention il n'est pas absolument nécessaire d'ajouter de l'azote à l'atmosphère ambiante et que l'air déshumidifié peut être constitué seulement par l'atmosphère ambiante déshumidifiée. Dans le mode de réalisation représenté, la section d'entrée de mélange air-azote 22 comprend un passage d'introduction d'atmosphère ambiante 24 relié à un dispositif d'introduction d'atmosphère ambiante tel qu'un ventilateur ou analogue et un passage d'introduction d'azote 26 relié à une source d'azote telle qu'une bouteille d'azote. Le passage d'introduction d'atmosphère ambiante 24 est garni d'un agent desséchant qui joue le rôle de dispositif de déshumidification 28. Ainsi, le passage 24 sert de passage d'introduction d'atmosphère ambiante déshumidifiée. Le passage d'introduction d'atmosphère ambiante 24 et le passage d'introduction d'azote 26 sont reliés par un mélangeur ou agitateur 30 à une série de passages d'introduction de mélange air-azote 32 qui sont agencés de manière à être ramifiés. L'agitateur 30 a pour fonction de mélanger entre eux l'atmosphère ambiante déshumidifiée et l'azote pour former le mélange air-azote. Les passages d'introduction de mélange air-azote 32 sont reliés chacun au corps de four 10 en établissant ainsi une communication avec l'intérieur du corps de four 10. Ainsi, les passages d'introduction de mélange air-azote 32 sont conçus chacun pour guider le mélange air-azote vers le corps de four 10. Les passages d'introduction de mélange air-azote 32 sont munis chacun d'un dispositif chauffant 34 qui sert à chauffer le mélange air-azote à une température prédéter- minée, après quoi ce mélange est introduit dans le corps de four. Ou bien encore, un tel dispositif chauffant 34 peut être commun aux passages 32. Dans le mode de réalisation représenté, l'agent desséchant est agencé de manière à jouer le rôle de dispositif déshumidificateur 28. Cependant, le dispositif déshumidificateur 28 peut comprendre un dispositif d'introduction d'air déshumidifié qui peut être conçu pour introduire de l'air comprimé ou l'atmosphère ambiante. Dans une modification, le dispositif d'introduction d'air déshumidifié peut être conçu pour introduire de l'air ou l'atmosphère ambiante à travers un filtre. Dans une autre modification, il est peut être conçu pour faire circuler l'atmosphère ambiante dans des fibres creuses. La section d'entrée d'air déshumidifié 22 est agencée de manière à introduire l'air déshumidifié comprenant le mélange air-azote déshumidifié ou seulement l'atmosphère ambiante déshumidifiée dans une zone du corps de four 10 qui s'étend des sections de préchauffage 14 et 16 à la section de refusion 18. Dans le mode de réalisation représenté, la section d'entrée d'air déshumidifié ou la section d'entrée de mélange air-azote déshumidifié 22 est agencée de façon à introduire de manière concentrée le mélange air-azote déshumidifié dans le corps de four 10 dans des positions correspondant aux positions dans lesquelles le flux contenu dans la pâte à souder forme une couche protectrice entre le préchauffage de la pâte à souder qui adhère à la surface de la plaquette à circuit imprimé sous l'action des dispositifs chauffants 20 des sections de préchauffage 14 et 16 et la fusion de l'alliage de soudure contenu dans la pâte à souder. De préférence, l'air déshumidifié a une humidité relative de 20 % ou moins. En outre, le mélange air- azote déshumidifié a de préférence une concentration en oxygène de 10 à 100 ppm. Dans le mode de réalisation représenté, la section d'entrée d'air déshumidifié 22 est disposée au-dessus de la section de refusion 18 de sorte que le mélange air-azote déshumidifié est introduit de façon concentrée dans la section de refusion compte tenu de la température à laquelle la pâte à souder est chauffée. Ou bien encore, la section d'entrée d'air déshumidifié 22 peut être agencée de façon à introduire de manière concentrée le mélange air-azote dans une zone du corps de four qui s'étend entre le dernier étage des sections de préchauffage multiples et la section de refusion 18, en fonction des conditions dans lesquelles le flux forme une couche protectrice. La section de préchauffage 14, la section de préchauffage 16 et la section de refusion 18 sont sensiblement séparées ou isolées les unes des autres par des séparations 36 et 38 si bien qu'elles sont sous forme de chambres sensiblement isolées ou indépendantes les unes des autres tout en assurant le passage du convoyeur 12 dans le corps de four 10 à travers les séparations 36 et 38. Un tel agencement des sections ou chambres 14, 16 et 18 permet non seulement de contrôler indépendamment l'atmosphère régnant dans chacune des chambres et de la maintenir à la température voulue grâce aux dispositifs chauffants 20 mais encore d'introduire le mélange air-azote déshumidifié dans chacune des chambres par chacun des passages d'introduction de mélange air-azote ramifiés 32. On va maintenant décrire le mode de fonctionnement du four de refusion construit de la manière décrite ci-dessus. Une plaquette à circuit imprimé sur laquelle un composant électronique a été temporairement fixé auparavant est transférée dans le corps de four 10 en étant portée sur le convoyeur 12. De ce fait, la plaquette à circuit imprimé est soumise à un traitement thermique dans la zone de soudage qui s'étend de la section de préchauffage 14 du premier étage à la section de refusion 18 en passant par la section de préchauffage 16 du second étage. Ce traitement thermique est réalisé avec un profil de température tel que celui qui est représenté sur la figure 2 du fait que les sections 14, 16 et 18 sont sous forme de chambres séparées les unes des autres par les séparations 36 et 38. La figure 2 montre le profil de température obtenu lorsqu'une soudure eutectique est utilisée comme pâte à souder. Les profils de température de la plaquette à circuit imprimé qui sont obtenus lorsque celle-ci est placée dans la section de préchauffage 14 et dans la section de préchauffage 16 sont désignés par les signes de référence A et B, respectivement, sur la figure 2. Dans le mode de réalisation représenté, la tempé- rature TO du profil B dans la section de préchauffage 16 est d'environ 170 à 180 C et le temps To qui s'écoule depuis le début de A jusqu'à la fin de B est d'environ 70 à 90 s. Le profil de température de la plaquette à circuit imprimé qui est obtenu dans la section de refusion 18 est situé dans le domaine représenté par X et dans le domaine subséquent sur la figure 2. Ainsi, pendant le traitement thermique réalisé avec ce profil de température, la pâte à souder est tout d'abord préchauffée à une certaine température dans les sections de préchauffage 14 et 16 de sorte que le flux contenu dans la pâte à souder commence à précipiter ou à se séparer sur la surface de l'alliage de soudure contenu dans la pâte à souder et/ou sur la surface de chacune des plages de connexion d'un réseau de conducteurs de la plaquette à circuit imprimé. Puis, le traitement thermique auquel est soumis la plaquette à circuit imprimé pendant son transfert dans la section de refusion 18 est mis en oeuvre à une température plus élevée de sorte que l'alliage de soudure commence à fondre. Au point X (figure 2) au niveau duquel le flux se sépare ou précipite pour former une couche protectrice avant la fusion de l'alliage de soudure, le corps de four 10 est alimenté de manière concentrée en mélange air-azote déshumidifié par la section d'entrée d'air déshumidifié 22 de sorte qu'il se forme une atmosphère déshumidifiée dans le corps de four 10. Ainsi, l'atmosphère déshumidifiée résulte de l'introduction constante dans le corps de four 10 du mélange air- azote déshu- midifié par la section d'entrée d'air 22. Cependant, l'atmosphère déshumidifiée peut être maintenue par introduction intermittente du mélange air-azote déshumidifié dans le corps de four 10 selon des cycles prédéterminés. L'atmosphère déshumidifiée ainsi formée dans le corps de four 10 empêche sensiblement la dégradation de l'activité du flux due à l'absorption d'humidité ou d'eau par le flux, de sorte que le flux peut former sur l'alliage de soudure 40 une couche protectrice 42 satisfaisante. La couche protectrice 42 peut être formée de manière à recouvrir sensiblement toute la surface de l'alliage de soudure 40 juste avant le début de la fusion de l'alliage de soudure. La formation de cette couche protectrice 42 empêche efficacement l'oxydation de l'alliage de soudure due à la fusion et permet à l'alliage de soudure fondu de durcir tout en conservant sa mouillabilité. En outre, l'azote contenu dans le mélange air-azote déshumidifié empêche la formation d'une couche d'oxyde sur l'alliage de soudure et sur les plages de connexion du réseau de conducteurs. Par ailleurs, la formation de la couche protectrice 42 par le flux et la fusion et le durcissement de l'alliage de soudure 40 décrits ci-dessus empêchent efficacement la formation de billes et/ou de ponts de soudure dus à l'évaporation de l'eau et de défauts de soudure dus à la formation d'une couche d'oxyde sur l'alliage de soudure, ce qui garantit un soudage satisfaisant. Il est possible de réduire la teneur en résine (colophane), en solvant et en activateur du flux pour éviter une dégradation de l'activité du flux due à l'absorption d'humidité et la formation d'une couche d'oxyde sur l'alliage de soudure. Ceci contribue également à éliminer toute opération de nettoyage après le soudage. Comme on peut le voir d'après ce qui précède, la présente invention permet d'empêcher efficacement une détérioration de l'activité du flux d'une pâte à souder et la formation de billes de soudure dans un corps de four, même lorsque celui-ci présente une structure non fermée qui permet à l'atmosphère ambiante d'y pénétrer, et elle permet d'éviter la formation d'une couche d'oxyde sur l'alliage de soudure de la pâte à souder de manière à garantir le soudage fiable d'un composant électronique sur une plaquette à circuit imprimé. En outre, la présente invention permet d'éviter un accroissement des coûts d'appareillage. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à soumettre une pâte à souder successivement à un traitement de préchauffage et à un traitement de refusion dans un four présentant une structure non fermée qui permet à l'atmosphère ambiante de pénétrer dans le corps de four (10), de manière à fixer le composant électronique sur une plaquette à circuit imprimé par soudage à l'aide de la pâte à souder, et à introduire de l'air déshumidifié dans ledit four pour créer une atmosphère déshu- midifiée à l'intérieur dudit four. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit air déshumidifié comprend un mélange air-azote formé par mélange d'atmosphère ambiante déshumidifiée et d'azote. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit traitement de préchauffage et ledit traitement de refusion sont réalisés dans des chambres (14, 16, 18) définies dans ledit four de manière à être séparées les unes des autres. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit traite- ment de préchauffage et ledit traitement de refusion sont réalisés dans des chambres (14, 16, 18) définies dans ledit four de manière à être séparées les unes des autres. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit air déshumidifié a une humidité relative de 20 % ou moins. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit air déshumidifié a une humidité relative de 20 % ou moins. 7. Appareil de soudage d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comprend un four présentant une structure non fermée qui permet à l'atmos- phère ambiante de pénétrer dans ledit four, ledit four comportant un dispositif de préchauffage (14, 16) et un dispositif de refusion (18) dans lesquels un traitement thermique est réalisé pour fixer le composant électronique à une plaquette à circuit imprimé par soudage à l'aide d'une pâte à souder, et une section d'entrée d'air déshumidifié (22) prévue sur ledit four pour introduire de l'air déshumidifié dans ledit four. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite section d'entrée d'air déshumidifié (22) comprend une section d'entrée de mélange air- azote, ladite section d'entrée de mélange air-azote comprenant un passage d'intro- duction d'atmosphère ambiante déshumidifiée (24), un passage d'introduction d'azote (26) et un agitateur (30) pour relier ledit passage d'introduction d'atmosphère ambiante déshumidifiée et ledit passage d'introduction d'azote. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de préchauffage et de refusion sont séparés par des séparations (36, 38) prévues dans ledit four. 10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits dispositifs de préchauffage et de refusion sont séparés par des séparations (36, 38) prévues dans ledit four.