Brevet FR2946271A1 — publié le 20101210

La présente invention concerne le domaine des machines de brasage ou étamage à la vague, et s'intéresse tout particulièrement aux dispositifs d'alimentation en gaz inerte de tout ou partie des zones d'une telle machine. Ces machines de brasage ou d'étamage à la vague sont notamment utilisées pour le brasage de composants électroniques sur un support tel qu'un circuit électronique, ou encore pour l'étamage de terminaisons de composants électroniques. La conception des machines de brasage à la vague est telle que les circuits à braser ou pièces à étamer sont amenés en contact avec une ou plusieurs vagues de soudure liquide obtenues par pompage d'un bain de soudure contenu dans un bac au travers d'une buse. Au préalable, les pièces ont généralement été fluxées dans une zone amont de la machine, de façon principalement à désoxyder les surfaces métalliques pour faciliter leur mouillage ultérieur par la soudure, l'opération de fluxage étant suivie d'une opération de préchauffage qui est pratiquée tant pour activer les flux précédemment déposés sur le circuit que pour préchauffer les circuits et les composants avant leur arrivée dans la zone chaude de brasage. Ensuite, en poursuivant son parcours dans la machine, la carte est refroidie, soit par l'intervention d'un module de refroidissement, soit à l'air ambiant (voir figure 1 ci-après annexée qui donne une vue globale schématique d'un tel procédé). La configuration géométrique de la buse détermine la forme de vague(s) de soudure obtenue. Les machines de brasage à la vague comportent le plus communément deux vagues, une première vague dite � turbulente � et une seconde vague dite � laminaire �, ce second type de vague offrant une surface supérieure plane relativement étendue. En l'absence de pièces à braser ou étamer dans la machine, la soudure liquide s'écoule, au niveau de cette vague laminaire, à très faible vitesse vers l'amont de la machine. Lors de l'arrivée d'une pièce au contact de la vague laminaire, on assiste à une inversion partielle de l'écoulement de l'alliage, une partie de cet alliage s'écoulant vers l'aval de la machine. Il est à noter que le débit et la direction de l'écoulement de l'alliage au niveau de cette vague laminaire ont une influence déterminante sur la qualité du brasage obtenu. Les machines de brasage ou d'étamage à la vague sont traditionnellement ouvertes à l'atmosphère d'air ambiant. Parmi les problèmes que rencontrent les utilisateurs de telles machines, on peut citer la formation de couches d'oxyde, appelées scories, à la surface du bain de soudure du fait de son exposition à l'air, entraînant une perte de soudure non négligeable et la nécessité de régulièrement nettoyer le bain. A titre indicatif, une machine de taille moyenne peut donner lieu à la formation de plus d'un kilogramme de scorie par heure de fonctionnement. Si l'on considère maintenant le cas spécifique de la vague laminaire, on comprend aisément qu'un débordement aval nul ou trop faible de la soudure va présenter un inconvénient majeur par le fait que les scories se formant en permanence sur la surface plane de la vague ne peuvent efficacement s'évacuer, et se déposent alors sur la pièce, entachant de façon significative la qualité de brasage ou étamage obtenue. Le phénomène de scories décrit ici dans le cas de la surface plane d'une vague laminaire d'une machine de brasage à la vague existe également dans le cas de la vague turbulente, mais également dans le cas de la surface plane d'un bain mort (bain liquide stagnant). On pourra se reporter à la figure 2 ci-après annexée pour une meilleure visualisation des deux types de vagues turbulente et laminaire. Mais d'autres éléments constitutifs des machines de brasage à la vague génèrent la formation de scories. En effet, la rotation des axes de pompe génère également des scories puisque ce brassage entre l'alliage à l'état liquide et l'oxygène ambiant engendre la formation d'oxydes des éléments constituant l'alliage. On l'a vu, l'utilisateur doit donc procéder à un nettoyage régulier (parfois plusieurs fois par jour suivant sa cadence de production) du bain de soudure afin d'éliminer ces oxydes qui se trouve en surface du bain. Ce nettoyage est effectué de manière manuelle par l'opérateur. Bien entendu, il serait préférable que l'opérateur prenne le temps de bien séparer les oxydes de l'alliage non oxydé, mais cette opération peut prendre trop de temps, et donc en pratique, on le sait bien, les opérateurs effectuent un nettoyage succinct, rapide, en retirant, en plus des oxydes, une grande quantité d'alliage qui est ainsi perdue. Cet ensemble � oxydes et alliage � devient un déchet qui est revendu au poids. On peut mentionner également le fait que certains fabricants de machines, comme c'est le cas des machines � Soltec �, ont proposé un système de séparation des scories, système mécanique à base de peignes effectuant des va-et-vient dans la zone morte du bain. Néanmoins ce système n'est pas sans inconvénients, par exemple car on y observe des phénomènes de blocage du fait de l'accumulation de scories à l'une des extrémités de la plage de va-et-vient. Outre les conséquences économiques à ces phénomènes de scories il faut mentionner leurs conséquences en termes de qualité. En effet, les oxydes d'alliage se retrouvent en quantité diverse à l'intérieur du bain d'alliage, et il arrive que des oxydes soient aspirés par les pompes et se retrouvent envoyés vers les têtes de vagues. Ainsi, l'oxyde peut se retrouver dans le joint de brasure entre le composant et le circuit (phénomène d'inclusion d'oxyde). On peut mieux visualiser ce 15 phénomène à l'aide de la figure 3 ci-après annexée. En conséquence, d'autres solutions techniques ont jusqu'ici été proposées pour tenter, non pas d'éliminer les scories une fois formées, mais d'intervenir en amont, en protégeant le bain de soudure des phénomènes d'oxydation par l'air 20 environnant pour ainsi limiter la quantité de scories formées. Ces solutions peuvent être classées en trois catégories : a) Une première catégorie de solution consiste dans la mise en place d'une atmosphère de protection confinée, au moins au dessus du bain de soudure, mais également parfois dans le reste de la machine. Il existe actuellement des 25 machines entièrement inertées, conçues dès le départ comme un tunnel étanche. Le document US-5 161 727 décrit un système de capotages permettant de mettre en place sur des machines existantes classiques ouvertes à l'air ambiant une couverture d'azote au moins au niveau du bain de soudure. b) Une seconde catégorie de solutions utilise la mise en place 30 d'atmosphères de protection non confinées, via des injecteurs localisés à proximité des vagues de soudure, sans fermeture de l'espace situé au-dessus des vagues. On peut citer dans cette seconde catégorie les dispositifs rapportés dans le document WO 93/11653. c) La troisième catégorie de solutions au problème de la formation des scories met en oeuvre l'utilisation, à la surface de la vague laminaire, d'une pellicule d'huile à fort pouvoir couvrant. Les systèmes de protection à l'huile présentent les inconvénients classiques de l'utilisation d'huile (notamment en présence d'une source de température), qui sont en particulier la présence de dépôts d'huile sur la carte nécessitant la réalisation d'un nettoyage souvent difficile et imparfait, la nécessité de réaliser fréquemment des périodes de maintenance de la machine du fait de l'accumulation d'huile dans le bain de soudure, ou encore les émanations de vapeurs d'huile qui représentent incontestablement une nuisance pour l'environnement, qu'il soit matériel ou humain. Comme on va le voir plus en détail ci-dessous, la présente invention propose une approche différente puisqu'elle s'attache à éliminer les oxydes au fur et à mesure de leur formation, et donc permettre : - de limiter voire d'éliminer les pertes d'alliage non oxydé ; - de diminuer les temps d'entretien de la machine ; - de diminuer les risques d'inclusion dans les joints de brasure ; - tout en offrant une solution irréprochable en terme écologique. 20 En pratique, sans être lié en aucune manière par l'explication ci-dessous développée, l'invention peut être résumée ainsi : - on fait buller un gaz de traitement, préférentiellement de l'azote ou autre gaz inerte ou réducteur ou encore un mélange inerte ou réducteur dans une zone 25 bien choisie du bain (que nous détaillerons ci-dessous), à l'aide d'un ou plusieurs tubes poreux. L'alliage étant aspiré au fond du bain de soudure par l'intermédiaire de pompes afin d'être envoyé vers les têtes de vague, et les oxydes étant générés en surface, le ou les poreux d'injection sont avantageusement immergés au voisinage 30 de la mi-hauteur du bain afin d'éviter que les pompes n'aspirent les bulles de gaz vers le circuit d'alimentation en alliage des têtes de vague. - Les bulles d'azote se réchauffent à la température du bain et augmentent en volume, et vont remonter à la surface du bain d'alliage, du fait de la différence de densité entre la bulle d'azote et l'alliage liquide. Lors de la remonté, les bulles d'azotes entraînent les particules solides telles les scories en surface. La figure 4 ci-après annexée permet de visualiser les bulles et particules présentes dans le bain. - Les bulles d'azote éclatent en surface du bain et viennent inerter le ciel gazeux au dessus du bain ; lorsque la bulle d'azote remonte à la surface et vient éclater à la surface, elle va générer une action mécanique dans la couche � scorie + alliage � présente en surface. Cette friction est suffisamment importante pour séparer les scories de l'alliage. De plus, l'augmentation de la température de la bulle d'azote lors de sa remonté dans l'alliage, va permettre lors de son éclatement en surface, de réchauffer la couche � scorie + alliage � en surface, favorisant ainsi la séparation des scories de l'alliage. - Lorsque les scories sont séparées de l'alliage, elles se présentent en fines particules volatiles d'oxyde qui sont entraînées par l'azote vers un évent, et peuvent ainsi être récupérées (pour des raisons environnementales évidentes) dans un bac de récupération qui peut être inséré dans le circuit d'évent, muni avantageusement d'un filtre particulaire. On le voit bien, l'approche de l'invention est tout à fait nouvelle par rapport à ce qui était envisagé et effectué dans le passé : ni action sur l'amont pour éviter l'oxydation du bain (bien que le gaz en remontant vienne ensuite s'accumuler au dessus du bain), ni nettoyage du bain de ses scories à l'aide d'un moyen mécanique de type peigne ou râteau. Afin de mettre en oeuvre l'invention dans des conditions satisfaisantes, si la machine n'est pas déjà équipée à l'origine d'un système de capotage de tout ou partie du bain de soudure, on met en place selon l'invention un système de capotage qui vient couvrir la zone � morte � du bain de soudure de la machine de brasage à la vague de manière hermétique, système de capotage utilisant des jupes plongeantes dans l'alliage (notion de jupe plongeante déjà connue de l'homme du brasage à la vague et que nous ne détaillerons donc pas ici). En effet, le bain d'alliage de la machine de brasage à la vague est couramment constitué de la manière suivante (voir la schématisation en figure 5 ci-après) : - une zone de brasage où se trouvent au moins une vague de soudure, et souvent deux vagues, la vague laminaire et la vague turbulente. - la zone des pompes où plongent les axes de pompes pour l'alimentation en alliage des vagues. - une zone � morte � qui est située le plus souvent entre la zone des pompes et la zone de brasage, et dans de nombreuses machines, cette zone est ouverte à l'air ambiant. On a dit ci-dessus que la zone � morte � est située le plus souvent entre la zone des pompes et la zone de brasage, car dans le cas de certaines machines (certes moins nombreuses sur le marché mondial) cette zone � morte � est située entre les têtes de vague et le bord du bain de soudure, donc à l' opposé des pompes. Dans tous cas les pompes aspirent l'alliage dans la zone � morte �, par des circuits de circulation d'alliage appropriés internes au bain de soudure. La notion de � zone morte � (où on ne trouve ni pompe ni tête de vague) est donc bien claire selon la présente invention et ne laisse aucune ambiguïté. Cette zone peut être selon les machines plus ou moins étendue mais elle est toujours présente et nécessaire puisque la ou les vagues nécessitent un volume tampon : en effet lors de la mise en route des pompes pour alimenter les têtes de vagues en alliage, il se produit une baisse du niveau d'alliage à l'intérieur du pot, le volume tampon doit donc être suffisant afin que la baisse du niveau ne soit pas trop importante globalement. On l'a compris à la lecture de ce qui précède, la présente invention s'intéresse à la zone � morte � et vient placer, si la machine n'est pas déjà munie d'un capot d'inertage de cette zone, un capot avec des jupes plongeantes de profondeur suffisante (permettant d'accommoder les différences de niveau en fonction de la vitesse des pompes) permettant que le ciel gazeux de tout ou partie de cette zone morte soit étanche à l'air environnant. Un ou plusieurs injecteurs de type poreux sont immergés dans le bain d'alliage au niveau de cette zone � morte �, placés préférentiellement sensiblement à mi-hauteur en profondeur et non au fond du bain, afin d'éviter l'aspiration des bulles de gaz dans le circuit l'alimentation en alliage des vagues. Une trappe d'accès hermétique est avantageusement placée sur le dessus du capot (ce n'est qu'une option mais elle est avantageuse) afin que les opérateurs puissent avoir accès à la zone � morte � en fonctionnement. Sur la partie supérieure du capot est installé un évent afin d'évacuer tant le gaz que les particules d'oxyde volatile générées. L'évent est avantageusement connecté à un bac de récupération de scorie avec une sortie muni d'un filtre particulaire. La présente invention concerne alors un procédé de traitement de l'alliage de tout ou partie de la zone � morte � du bain de soudure d'une machine de brasage ou étamage à la vague, visant à éliminer tout ou partie des scories d'oxyde formées dans le bain de la machine, selon lequel on dispose d'un ou plusieurs injecteurs de type poreux immergés dans le bain d'alliage au niveau de cette zone � morte �, où l'on alimente en un gaz de traitement, inerte ou réducteur, le ou les injecteurs poreux, de façon à générer des bulles de gaz dans le bain dans des conditions permettant aux bulles de remonter à la surface du bain d'alliage en entraînant des scories en surface, et en venant éclater à la surface du bain en générant ainsi une action mécanique dans la couche faite de scories et d'alliage présente en surface. La présente invention sera mieux comprise à la lumière des dessins annexés qui présentent des modes de réalisation particuliers, qui ne sont présentés que dans un but d'illustration et ne peuvent être considérés comme limitatifs de l'invention. - La figure 1 fournit une représentation schématique partielle d'un exemple typique de machine de brasage à la vague. - La figure 2 présente une vue partielle en zoom de la zone de brasage d'une machine de brasage comportant une vague turbulente et une vague laminaire. - La figure 3 illustre le phénomène d'inclusions d'oxyde. - La figure 4 est une représentation schématique partielle de la zone morte d'un bain de soudure équipé d'un poreux d'injection de gaz selon l'invention, avec une visualisation schématique de la présence de bulles de gaz et de particules d'oxyde au sein du bain. - La figure 5 fournit une représentation schématique d'un exemple courant de machine de brasage à la vague présentant une zone morte située entre la zone 5 des pompes et la zone de brasage, ici équipée de deux vagues de soudure. - La figure 6 fournit une représentation schématique partielle d'un mode de réalisation de l'invention. - La figure 7 fournit une vue permettant de visualiser l'intégration de l'invention sur un bain de soudure (en zoom partiel permettant notamment de mieux 10 visualiser le système d'évent, d'évacuation des particules volatiles d'oxyde formées.) ----------------------- REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de l'alliage de tout ou partie de la zone � morte � du bain de soudure d'une machine de brasage ou étamage à la vague, visant à éliminer tout ou partie des scories d'oxyde formées dans le bain de la machine, selon lequel : - on dispose d'un ou plusieurs injecteurs de type poreux immergés dans le bain d'alliage au niveau de cette zone � morte �, - on alimente en un gaz de traitement, le ou les injecteurs poreux, de façon à générer des bulles de gaz dans le bain dans des conditions permettant aux bulles de remonter à la surface du bain d'alliage en entraînant des scories en surface, et en venant éclater à la surface du bain, en générant ainsi une action mécanique dans la couche faite de scories et d'alliage présente en surface. 2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que la zone � morte � est située entre la zone des pompes et la zone de brasage de la machine. 3. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone � morte � est située entre la zone de brasage et le bord du bain de soudure. 20 4. Procédé de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on dispose d' un système de capotage qui vient couvrir tout ou partie de la zone � morte � du bain de soudure de manière hermétique, système de capotage utilisant des jupes plongeantes dans l'alliage. 5. Procédé de traitement selon la revendication 4, caractérisé en ce 25 que les bulles de gaz venant éclater à la surface du bain en générant ainsi une action mécanique dans la couche faite de scories et d'alliage présente en surface, on procède à la récupération des particules volatiles d'oxydes résultant de cette action mécanique par un système d'évent raccordé sur la partie supérieure du capot, système d'évent muni préférentiellement d'un filtre particulaire. 30 6. Procédé de traitement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les injecteurs de type poreux sont immergés sensiblement à mi-hauteur en profondeur dans le bain, afin d'éviter que les pompes de la machine n'aspirent les bulles de gaz vers le circuit d'alimentation en alliage des têtes de vague. 7. Installation de traitement de l'alliage de tout ou partie de la zone � morte � du bain de soudure d'une machine de brasage ou étamage à la vague, traitement visant à éliminer tout ou partie des scories d'oxyde formées dans le bain de la machine, comprenant : - un système de capotage qui vient couvrir tout ou partie de la zone � morte � du bain de soudure de manière hermétique, système de capotage utilisant des jupes plongeantes dans l'alliage ; - un ou plusieurs injecteurs de type poreux immergés dans le bain d'alliage au niveau de la zone � morte �, - des moyens d'alimentation du ou des injecteurs poreux en un gaz de traitement, inerte ou réducteur. 8. Installation de traitement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la zone � morte � de la machine est située entre la zone des pompes et la zone de brasage de la machine. 9. Installation de traitement selon la revendication 7, caractérisée en ce que la zone � morte � de la machine est située entre la zone de brasage et le bord du bain de soudure. 10. Installation de traitement selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de récupération des particules volatile d'oxydes générées par le traitement, par un système d'évent raccordé sur la partie supérieure du capot, système d'évent muni avantageusement d'un filtre particulaire. 11. Installation de traitement selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisée en ce que le ou les injecteurs de type poreux sont immergés sensiblement à mi-hauteur en profondeur dans le bain, afin d'éviter que les pompes de la machine n'aspirent les bulles de gaz vers le circuit d'alimentation en alliage des têtes de vague. ---------------------------------------