Brevet FR2833455A1 — publié le 20030613

La présente invention concerne l'équipement nécessaire pour le soudage par refusion de composants électronique sur des cartes électroniques et concerne en particulier un équipement phase-convection de soudage par refusion. L'opération de soudage par refusion qui consiste à fixer les composants sur une carte électronique succède aux opérations de sérigraphie et de placement des composants sur la carte et nécessite un profil de température particulier comprenant une succession de montées, descentes, paliers ou pseudo-paliers en température en fonction du temps. Ce procédé de soudage par refusion des composants électroniques sur cartes est très largement utilisé dans l'industrie électronique. Il nécessite une grande précision du contrôle de la température. En effet, le produit de soudage ou crème à braser, en général à base d'étain-plomb doit subir un profil de température généralement divisé en trois phases, une phase de préchauffage, une phase d'homogénéisation et activation des flux et une phase de refusion. Un four de refusion de qualité, au sens d'un faible taux de défaut nécessite une approche la plus précise possible du profil de température théorique et reproductible un grand nombre de fois dans le temps avec le minimum de réglage. Le contrôle de la température est donc le paramètre le plus important d'un four à refusion. A noter que l'évolution future pour le produit de soudage est le remplacement de l'étain-plomb par le sans plomb En général, les fours de soudage par refusion, comportent un tunnel dans lequel les cartes électroniques entrent, traversent et sortent à l'aide d'un moyen d'entraînement ou convoyeur de type crémaillère tournant à vitesse constante et de façon continue. Dans le tunnel, les cartes subissent un traitement thermique pour le soudage des composants qui doit respecter le plus fidèlement possible un profil théorique de température. Le tunnel comporte donc des chambres où les échanges thermiques sont différents de façon à obtenir des températures ambiantes différentes selon les chambres. Les chambres sont chauffées ou refroidies grâce à des moyens connus tels que la convection forcée sous air ou sous azote. L'air ou l'azote est chauffé par des résistances différemment selon la chambre et sa circulation forcée dans le four est assurée par un ou plusieurs ventilateurs par chambre. Chaque carte à traiter traverse toutes les chambres en continu à la vitesse du convoyeur et échange de la chaleur avec l'air ou l'azote brassé dans lequel elle baigne de façon à s'approcher, avec une certaine tolérance, du profil de température théorique. Le dimensionnement d'un tel four de soudage par refusion est soumis à un certain nombre de critères, et parmi ces critères, celui d'éviter des gradients trop importants sur la carte est primordial. En effet, la carte à traiter doit être soumise au profil de température théorique dans sa globalité afin d'éviter toute déformation due à un gradient de température trop important sur la carte lors de sa progression dans le four. En théorie, le traitement d'une carte de 400 mm x 400 mm en un cycle de température nécessitant quatre chambres de traitement en températures différentes peut être assuré par un four de 1600 mm de long qui, à la vitesse de 400mm/min produit une carte par minute. En pratique, chaque carte traitée dans un tel four subit des gradients de température énormes dus au passage dans le tunnel de traitement. C'est pourquoi, afin de diminuer les gradients de température sur une carte, chaque chambre du four est allongée par rapport à la taille de la carte afin que chaque carte reste suffisamment longtemps dans chaque chambre de façon à ce que sa température s'homogénéise et afin d'éviter des gradients trop importants sur celle-ci. Par conséquent, la longueur d'un four de soudage par refusion de carte électronique de dimension 400 mm x 400 mm atteint au moins 5m en pratique au lieu de 1,6 m en théorie et ce, pour supprimer les effets néfastes de déformations des cartes dues aux gradients longitudinaux de température. Un autre critère de dimensionnement d'un tel four concerne les contraintes d'étalonnage nécessaires à sa mise en service. En effet, le four est étalonné d'après le type de carte électronique à traiter et donc d'après un profil théorique de température à obtenir et également, d'après plusieurs autres paramètres tels que la vitesse du convoyeur. L'étalonnage consiste alors à prédéfinir la température de consigne à imposer à chaque chambre du four. Lorsque le four fonctionne, la température de chaque chambre est régulée grâce à des mesures de températures de l'air ou de l'azote brassé par un thermocouple par chambre situé en général à proximité de la carte à traiter. Mais cette mesure de température ne permet pas le contrôle effectif de la température de la carte et donc ne permet pas la comparaison de la courbe de température réelle obtenue sur la carte avec le profil de température théorique à suivre. Pour contrôler effectivement le profil obtenu en pratique, une carte"test"équipée d'un thermocouple collé sur sa surface passe dans le four après le passage d'un certain nombre de cartes à traiter et fournit un profil de la température mesurée sur la carte lors de son passage dans le four, en fonction du temps. Si, compte tenu des résultats de ce contrôle de qualité, la courbe de température obtenue sur la carte test est en dehors des courbes de tolérance admises, il est nécessaire d'effectuer un réétalonnage du four et donc un réajustement de la température de chaque chambre entraînant une modification des paramètres de production. Cette "dérive" de la température peut être due à plusieurs paramètres tels que la température extérieure, l'encrassement du four ou des paramètres dus à la dérive même des appareils mécaniques contenus dans le four tels que la fluctuation de la vitesse du moto-réducteur du convoyeur. Un réétalonnage est également nécessaire à chaque changement de type de carte à traiter. La mesure réelle de la température de la carte par passage d'une carte "test" est donc nécessaire après un certain nombre de passages de cartes dans le fouler. Compte tenu de l'importance du contrôle de la température pour la qualité du procédé de soudage par refusion, la contrainte que représente ce test est incontournable même s'il nécessite l'arrêt de la production pendant un certain temps, ce qui représente un problème important pour le fonctionnement continu d'un tel four. C'est pourquoi le but principal de l'invention est de fournir un équipement phase-convection de soudage par refusion comprenant plusieurs chambres de traitement capables de se réguler automatiquement sur la température de chaque carte à traiter. Un deuxième but de l'invention est de fournir un équipement phase-convection de soudage par refusion capable de produire un grand nombre de cartes en un minimum de place tout en maîtrisant le profil de température nécessaire au traitement des cartes et en minimisant les gradients de température sur une carte à l'origine de déformations. L'objet de l'invention concerne donc un équipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques du type comprenant au moins un four divisé en chambres phase-convection dans lesquelles la température est différente d'une chambre à l'autre et définie selon un profil de température théorique à suivre, chaque carte électronique traversant le four d'un bout à l'autre grâce à des moyens d'entraînement de façon à respecter le profil de température théorique pour le brasage de la soudure sur la carte traitée, la régulation en température de chaque chambre étant effectuée au moins grâce à un moyen de mesure de la température de gaz ambiant à proximité de la carte. Chaque chambre est isolée thermiquement et équipée d'un moyen d'entraînement indépendant de façon à ce que chaque carte traverse le four par avancées discontinues, et chaque chambre comporte un moyen de mesure de température de la carte permettant d'une part d'établir une courbe de température par carte et permettant d'autre part d'obtenir, conjointement avec le moyen de mesure de la température de gaz ambiant, la régulation de la température de chaque chambre au moyen d'un contrôle de la puissance thermique fournie et des facteurs d'échange thermique. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels : la figure 1 représente un équipement phase-convection de refusion selon l'invention, la figure 2 représente un profil théorique de température que doit subir la carte électronique à traiter, la figure 3 représente la courbe de température régulée du four et la courbe de température obtenue sur la carte, et la figure 4 représente un équipement pour soudage par refusion comportant plusieurs équipements phase-convection superposés selon un autre mode de réalisation de l'invention. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention illustré sur la figure 1, l'équipement phase-convection de soudage par refusion est composé d'au moins un four 10 composé de trois chambres équipées chacune d'un moyen d'entraînement 14-1, 14-2 ou 14-3. Les chambres 1,2 et 3 correspondent respectivement à une chambre de préchauffage/palier, une chambre de palier/pic et une chambre de refroidissement. Le gaz entrant dans les chambres 1 et 2 est pulsé respectivement par un ventilateur 20-1 ou 20-2, puis chauffé grâce à une résistance 16-1 ou 16-2 avant de traverser une plaque de répartition 18-1 ou J 8-2 et d'être aspiré dans des caisson d'aspiration 24-1, 24-2 ou 24-3,24-4, tandis que le gaz entrant dans la chambre de refroidissement 3 pulsé par un ventilateur 20-3 est refroidi grâce à un serpentin de refroidissement 17 avant de traverser une plaque de répartition 18-3 et d'être aspiré par des caissons d'aspiration 24-5 et 24-6. A noter qu'il y a 2 caissons d'aspiration pour obtenir une meilleure convection du gaz. Les chambres 1,2 et 3 sont isolées thermiquement ou séparées et avec l'extérieur. De plus, la chambre 1 de préchauffage est séparée de la chambre 2 palier/pic par un volet d'obturation 21, et la chambre 2 palier/pic est séparée de la chambre 3 de refroidissement par un volet d'obturation 21', pour isoler thermiquement les chambres entre elles, les volets d'obturation étant rétractables pour laisser la carte passer d'une chambre à une autre. Le gaz dans le four 10 est de l'azote mais peut être de l'air ou autre gaz adéquat. Chaque carte électronique à traiter 12 entre dans le four 10 par une interface d'entrée 30 et sort par une interface de sortie 40 grâce aux moyens d'entraînement 14-1 à 14-3. Dans chaque chambre traversée, la carte traitée est chauffée ou refroidie par convection grâce au gaz brassé et transportée d'une chambre à l'autre par les moyens d'entraînement 14-1 à 14-3. Le moyen 14 peut être un convoyeur de type chaîne ou tout autre moyen d'entraînement similaire. Le transfert d'une carte d'une chambre à l'autre se fait de façon indépendante car la motorisation des convoyeurs est indépendante mais n'est effectuée que lorsque la chambre à charger est vide, c'est à dire quand la carte précédente a été transférée. La vitesse des convoyeurs est pilotée à partir d'un poste central (non représenté sur la figure 1) comprenant principalement de généralement un ordinateur piloté par un logiciel de contrôle et de régulation. Chaque chambre est équipée d'un moyen de mesure 22-1 à 22-3 de la température de la carte tel qu'un pyromètre optique. La température du gaz de chaque chambre est également mesurée grâce à au moins un thermocouple par chambre, non représenté sur la figure et disposé à proximité de la carte à traiter. Les relevés de températures des thermocouples et des pyromètres, gérés par le poste central permettent la régulation de la température du gaz des chambres et le contrôle de la température des cartes traitées suivant un algorithme spécifique. Ainsi, la puissance des résistances chauffantes 18-1 et 18-2 dans chaque chambre est réglée pour que la carte à traiter respecte un profil de température théorique décrit sur la figure 2 exigé pour le traitement des soudures par refusion des composants sur la carte et les facteurs de transfert thermique, par exemple le coefficient de convection adapté à la phase du processus en cours d'exécution. Le profil de température à respecter pour le soudage par refusion des composants électroniques sur une carte est fonction des crèmes à braser et des composants à souder. La figure 2 représente un profil typique à trois pentes comportant une phase de préchauffage, une phase d'homogénéisation et activation des flux, une phase de refusion et une phase de refroidissement ou des phases de pseudo-palier. La phase de préchauffage est une montée en température 50 à une certaine vitesse de 25 C à 150 C pendant un intervalle de temps tl. La phase d'homogénéisation et activation des flux est un palier en température 52 pendant un intervalle de temps t2 permettant l'homogénéisation en température des composants de la carte et l'activation des flux ou un pseudo-palier en température. La phase de refusion 54 amène la carte à une température supérieure de 20 (ou moins) au point de fusion, à 250 sur la figure pendant l'intervalle de temps t3 et peut comporter un pseudo-palier. La phase de refroidissement 56 pendant l'intervalle de temps t4 permet de redescendre la température de la carte à la température ambiante ou à une température acceptable pour sa manipulation, ou bien à une température prédéterminée pour réaliser des tests à chaud de la carte. Pour parvenir à ce résultat, les cartes électroniques passent dans un four divisé en au moins trois chambres chauffées différemment tel que décrit ci-dessus. Les paliers de température régulée dans les trois chambres du four sont représentés en pointillés sur la figure 3. La température régulée à 170 est représentée par le palier 60 et correspond à la phase de préchauffage du profil de température de la fogure 2 et à la phase de préfusion. le deuxième palier 62 est régulé en température à 260 et correspond à la phase de refusion du profil de température de la figure 2. Le palier 64 est régulé en température à 400 et correspond à la phase de refroidissement. La courbe de température 66 de la figure 3 est un relevé de température de la carte pendant toute la durée de son traitement dans les trois chambres du four. En référence à la courbe 66, on voit donc que dans la chambre 1 est réalisée la montée en température et une partie du palier de température entre 1500 et 170 , dans la chambre 2, le palier se poursuit'et le pic de refusion à 250 est réalisé conformément à la phase de refusion, et dans la chambre 3, le refroidissement de la carte est réalisé conformément à la dernière phase du traitement de la carte. La valeur de la température régulée dans chaque chambre est bien entendu fonction du profil théorique de température à suivre sur la carte. La courbe réelle 66 de température obtenue sur la carte doit être à l'intérieur d'une bande définie par des seuils de tolérance supérieur et inférieur par rapport au profil théorique et calculée selon les écarts de température acceptables pendant le traitement sans compromettre la qualité de celui-ci. A noter que la température maximale pourrait être inférieure, par exemple 225 , si des alliages différents tels que des alliages étain-plomb sont utilisés. Avec un four traditionnel, pour s'approcher le plus fidèlement possible de la courbe de température régulée de la figure 3, il est nécessaire d'avoir davantage de chambres de températures différentes. En effet, les chambres étant peu isolées thermiquement entre elles, la température de chaque début de chambre subit les effets de la température de la fin de la chambre précédente et ainsi de suite. De plus, le moyen d'entraînement des cartes avance à vitesse constante à travers toute la longueur du four et par conséquent, subit la température des différentes chambres agissant ainsi comme un radiateur qui influence la température des chambres dans un sens ou dans un autre. C'est pourquoi, dans un four traditionnel, et de façon à éviter que la courbe de température obtenue dans le four ne soit lissée par rapport à la courbe de la figure 3 pour les raisons invoquées plus haut, le four est divisé en plus de trois chambres et ce, même si le nombre de phases de la courbe de température théorique est égal à 4. Chaque chambre étant équipée de moyens pour effectuer des échanges de chaleur vers la carte et de moyens de mesure de la température du gaz ambiant reliés à un poste central de supervision, le grand nombre de chambres augmente le nombre d'interventions de réglage et de maintenance. L'équipement selon l'invention évite cet inconvénient qui consiste à séparer le four en multiples chambres et donc à multiplier les moyens d'échanges thermiques et de régulation à mettre en oeuvre par chambre. Il suffit d'ajuster les paramètres temps, pente de température et niveau de température du profil idéal à obtenir sur la carte. La température de chaque chambre peut varier en fonction d'un certain nombre de paramètres tels que le nombre fluctuant de cartes à traiter, la température ambiante etc.... C'est pourquoi, les températures de toutes les chambres doivent être régulées afin de rester les plus stables possible au cours du temps. Ainsi, la régulation en température des chambres consiste à agir sur les paramètres de réglage en température de chaque chambre. Les paramètres sur lesquels la régulation agit sont la puissance dans les résistances chauffantes, les pentes de montée et descente en température et la vitesse de convection des gaz pulsés brassés. Pour chaque chambre, la régulation est commandée par le poste central par rapport à une température de consigne mesurée dans le four par un thermocouple et un pyromètre optique. Le thermocouple par chambre est disposé à proximité de la carte à traiter et mesure la température de l'air ou de l'azote brassé. Le pyromètre optique par chambre mesure la température de la carte et adapte les conditions d'échange suivant un algorithme préétabli de façon à respecter les pentes et paliers de température. Chaque chambre peut être équipée de plusieurs thermocouples et pyromètres sans pour autant sortir du cadre de l'invention. La consigne de température provenant du thermocouple sert principalement à réguler en température chaque chambre du four lorsqu'aucune carte ne transite à l'intérieur. La consigne de température du pyromètre optique sert également à réguler la température de la chambre lorsque la carte est dans la chambre ; Cette mesure sert aussi à détecter la présence d'une carte et à effectuer un relevé de température de la carte permettant un contrôle de qualité et ce, pour chaque carte qui transite dans le four. Ainsi, l'équipement selon l'invention permet d'établir une fiche de traitement par carte établissant son identification et sa courbe réelle de température lors de son traitement dans le four. De plus, le relévé de température en temps réel de la carte par les pyromètres permet d'agir directement sur les paramètres du four, par exemple augmenter ou diminuer la vitesse de refroidissement en augmentant ou diminuant la vitesse de convection des gaz froids sur la carte. Avec un four suffisamment isolé thermiquement, il est envisageable de supprimer le thermocouple par chambre sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Dans ce cas, la seule consigne en température provenant du pyromètre optique suffit pour effectuer la régulation en température à la place du thermocouple. L'équipement phase-convection de soudage par refusion 68 représenté sur la figure 4 est un équipement compact et composé de 3 modules : un module d'entrée 70 comprenant principalement un ascenseur et un sas de transfert, un module central 72 constitué de 1 à 4 équipements phaseconvection superposés décrits en détail sur la figure 1 et un module de sortie 74 comprenant principalement et de façon similaire au module 70 un ascenseur et un sas de transfert. Les 4 éléments du module 72 sont totalement indépendants les uns des autres de façon à assurer une production continue en cas de panne ou de maintenance de l'un des éléments et d'optimiser le fonctionnement du four en cas de baisse de production. Dans ce cas, si les 4 éléments fonctionnent et si la production baisse de moitié, 2 éléments 10 continuent de fonctionner sur les 4, ce qui permet la maintenance en temps masqué sans arrêter la production. La modularité de l'équipement permet également à l'utilisateur d'équiper le module central 72 avec un nombre d'éléments fonction des besoins. On peut par exemple juxtaposer côte à côte plusieurs modules centraux, toujours entre les modules d'entrée/sortie 70 et 74, de façon à adapter son équipement à un autre type d'application qui nécessiterait plus de 3 chambres de traitement différentes. Les modules d'entrée/sortie 70 et 74 ont pour rôle respectif le chargement et le déchargement des cartes à traiter dans les fours. Ces modules sont indépendants, c'est à dire qu'ils possèdent leur propre châssis et leur propre coffret électrique et se relient au module central 72 électriquement et mécaniquement de façon rapide. Les ouvertures des sas de transfert 76 et 78 sont équipés d'un rideau obturateur et de brosses pour réaliser l'étanchéité avec l'extérieur. Chaque sas est équipé d'un moyen d'entraînement de type convoyeur et d'une trappe de maintenance. Il sont motorisés de façon pouvoir se déplacer verticalement tel un ascenseur afin de se placer respectivement en face des interfaces d'entrée et sortie des 4 fours et fournir la carte électronique au four sélectionné. La carte à traiter est présentée en entrée du module d'entrée 70 et entre dans le sas de transfert d'entrée 76. L'étanchéité entre les modules d'entrée/sortie 70 et 74 et le module central 72 se fait par une façade d'occultation et un rideau enrouleur solidaires des modules d'entrée et sortie 72 et 74. L'équipement selon l'invention est écologique. En effet, les gaz récupérés des chambres 1 et 2 sont refroidis, nettoyés et filtrés et sont réinjectés dans la chambre 3 de refroidissement sur les serpentins de refroidissement. Ce système présente donc les avantages de recycler les gaz utilisés pour le traitement de les nettoyer de toutes traces d'impuretés, et de récupérer de l'énergie. Ainsi, les gaz confinés de travail sont purifiés en permanence et leur consommation est réduite au minimum, ce qui n'est pas négligeable lorsqu'il s'agit d'azote. De plus, les fours tunnel ne s'encrassent pas et ne rejettent pas de fumées vers l'extérieur. Les moyens d'échange thermiques des chambres 1 et 2 pourraient être des transferts radiatifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, pour un processus de traitement sensiblement différent de celui décrit dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la chambre 2 correspondant à la phase de refusion peut être sous vide et la température requise est obtenue grâce à des moyens de chauffage par Infrarouge. Plusieurs avantages résultent du fait de l'arrêt des cartes dans la chambre de traitement : - des éléments mécaniques peuvent être approchés de la carte dans le but d'effectuer des fonctions de maintien, de protection thermique comme par exemple de composants sensibles. - en utilisant la pression dynamique supérieure de la convection et par conséquent la dépression inférieure qui en résulte, on peut immobiliser certains types de cartes en position de traitement. REVENDICATIONS 1. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) comprenant au moins un four (10) divisé en chambres dans lesquelles la. température est différente d'une chambre à l'autre et définie selon un profil de température théorique à suivre, chaque carte électronique traversant le tunnel d'un bout à l'autre grâce à des moyens d'entraînement (14-1,14-2, 14-3) de façon à respecter ledit profil de température typique pour le brasage de la soudure sur la carte traitée, la régulation en température de chaque chambre étant effectuée au moins grâce à un moyen de mesure de la température de gaz ambiant de la chambre à proximité de la carte ; ledit équipement étant caractérisé en ce que ledit four comprend des chambres isolées thermiquement entre elles, chaque chambre étant équipée d'un moyen d'entraînement indépendant de façon à ce que chaque carte traverse le four par avancées discontinues, et en ce que chaque chambre comporte un moyen de mesure de température de la carte (22-1,22-2, 22-3) permettant d'une part d'établir une courbe de température par carte et permettant d'autre part d'obtenir, conjointement avec ledit moyen de mesure de la température de gaz ambiant, la régulation de la température de chaque chambre au moyen d'un contrôle de la puissance thermique fournie. 2. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 1, dans lequel ledit four comprend trois chambres, la chambre 1 et la chambre 2 étant des chambres de chauffage alors que la chambre 3 est une chambre de refroidissement. 3. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen de chauffage de chaque chambre du four se fait par convection forcée d'air ou d'azote chauffé notamment au moyen de ventilateurs (20-1,20-2, 20-3) et de caissons d'aspiration (24-1,24-2, 24-3). 4. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 3, dans lequel un volet d'obturation (21,21') entre les chambres permet d'isoler thermiquement les chambres entre elles. 5. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 4, dans lequel ledit moyen de mesure de température de la carte (22-1,22- 2 ou 22-3) est un pyromètre. 6. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 5, dans lequel ledit moyen de mesure de température de gaz ambiant de la chambre à proximité de la carte est un thermocouple. 7. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la régulation de la température du gaz dans chaque chambre et le contrôle de la température des cartes traitées sont effectués au moyen d'un poste central équipé d'un ordinateur en réponse audit moyen de mesure de la température de gaz ambiant de la chambre à proximité de la carte et audit moyen de mesure de température de la carte (22-1,22-2, 22-3). 9. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon l'une des revendication 2 à 8, dans lequel la chambre est sous vide et les échanges thermiques se font par rayonnement infrarouge. 10. Equipement phase-convection de soudage par refusion de composants électroniques sur cartes électroniques (12) selon l'une des revendication précédentes comprenant plusieurs fours-tunnels superposés formant un module central (72), un module d'entrée comprenant principalement un sas d'entrée (76) dans lequel est chargée la carte électronique et pouvant se déplacer verticalement pour fournir ladite carte électronique à l'un desdits fours-tunnels, et module de sortie comprenant principalement un sas de sortie (78) pouvant se déplacer verticalement pour récupérer ladite carte électronique qui a transité dans le four-tunnel.