Brevet FR2999459A1 — publié le 20140620

Procédé de brasage d'un circuit imprimé. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au circuits imprimés et plus particulièrement aux dispositifs de refroidissement des circuits imprimés et aux procédés de fabrication des circuits imprimés. [0002] On entend, dans le domaine de l'invention, par PCB, (Printed Circuit Board pour circuit imprimé) tout circuit imprimé ou toute carte électronique. L'abréviation PCB sera donc utilisée indifféremment de circuit imprimé. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Dans l'état de la technique, on connaît des modes de refroidissement de circuits imprimés mettant en oeuvre des via dans lesquels on insère des pions. De telles réalisations impliquent, pour le circuit imprimé : Une étape spécifique dans le procédé de fabrication du circuit imprimé. Cette étape spécifique implique un temps de production pour sa mise en oeuvre. Ce temps s'ajoute au temps global de production du circuit imprimé. Cette étape spécifique requiert un outillage apte à réaliser l'insertion du pion. [0004] Dans l'état de la technique, on connaît aussi des circuits imprimés comportant des inserts en cuivre. L'une des faces d'un tel insert de cuivre est généralement située sous un composant électronique d'une face d'un PCB. Une face opposée de l'insert et la face opposée du PCB sont coplanaires. Cela permet au PCB ainsi constitué de pouvoir être produit par pressage, ses faces étant uniformément planes, la presse peut alors exercer une pression uniforme sur toute la surface du PCB. [0005] Avec un tel PCB il est donc possible d'utiliser un radiateur pour favoriser la dissipation des calories produites par le composant situé au-dessus de la face de l'insert. La technique consiste à fixer un radiateur sur la face opposée de l'insert. Des calories sont alors conduites par l'insert et dissipées par le radiateur. Cette technique présente au moins trois inconvénients : - Au moins une étape spécifique dans le procédé de fabrication pour la mise en place de l'insert. Une interface thermique est indispensable entre le radiateur et le PCB pour assurer une bonne conductivité thermique entre les deux éléments (rugosité des surfaces). La conductivité thermique de cette interface est bien inférieure à celle du cuivre. Cette interface dégrade la transmission des calories entre l'insert et le radiateur et réduit donc l'efficacité du système de dissipation des calories. Le recours à un radiateur impose un composant supplémentaire, le radiateur lui-même, et une étape de fixation dudit radiateur. Cela augmente la complexité d'un processus de production d'un circuit imprimé utilisant cette technique de dissipation de calorie. [0006] La mise en oeuvre des modes de refroidissement de l'état de la technique présentent donc de nombreux inconvénients. EXPOSE DE L'INVENTION [0007] L'invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l'état de la technique identifiés ci-dessus. Notamment l'invention enseigne des moyens pour permettre de refroidir un composant électronique en améliorant la dissipation des calories qu'il produit. L'invention enseigne aussi un procédé de mise en oeuvre de ces moyens. [0008] Dans l'invention cette dissipation est réalisée par l'intermédiaire d'un caloporteur mis en place durant une étape de brasage d'un circuit imprimé. Ce caloporteur est de la pâte à braser, ou brasure, qui aura flué dans un via thermique. Le via thermique est situé sous le composant à refroidir. Le via thermique traverse la plaque du circuit imprimé. Sur une face du circuit imprimé opposée au composant à refroidir, la pâte à braser a formé, lors du fluage, une protubérance faisant saillie de la plaque du circuit imprimé. Cette protubérance améliore la dissipation thermique des calories conduites par la pâte à brasée ayant fluée quand le circuit imprimé est disposé dans un flux de fluide réfrigérant, tel que de l'air. [0009] Dans un circuit imprimé selon l'invention, des calories produites par un composant, situé sur une première face du circuit imprimé, sont conduites, par un via thermique rempli de pâte à brasé, vers une deuxième face opposée à la première. La géométrie de la pâte à braser au niveau de la deuxième face permet d'améliorer les échanges thermiques avec l'environnement et donc le refroidissement du composant. A cet effet, un aspect de l'invention se rapporte à un procédé de brasage d'un composant électronique, tel qu'un composant électronique de puissance, sur un circuit imprimé comprenant un trou de fluage comportant au moins les étapes suivantes : Dépôt du composant électronique sur un emplacement du circuit imprimé comprenant ledit trou de fluage, et Brasage sur le circuit imprimé du composant électronique en faisant fluer une pâte à braser en fusion dans le trou de fluage, de sorte qu'un orifice du trou de fluage est obturé par une protubérance de brasure. [0010] Selon un autre aspect de l'invention, le procédé de brasage comprend une étape de formation d'une zone d'épargne de vernis sur une partie d'une face du circuit imprimé munie dudit orifice inférieur du trou de fluage à l'exclusion d'un espace contenant ledit orifice inférieur, ladite étape de formation d'une zone d'épargne de vernis étant antérieure à l'étape de brasage. [0011] L'invention concerne également un circuit imprimé caractérisé en ce qu'il comporte un composant électronique, au moins un trou de fluage rempli de brasure, un orifice du trou de fluage étant obturé par une protubérance de brasure. [0012] Selon une autre caractéristique de l'invention, l'orifice du trou de fluage est disposé sur une deuxième face du circuit imprimé opposée à la première face du circuit imprimé. [0013] Selon une autre caractéristique de l'invention, le trou de fluage est un via thermique. [0014] Selon une autre caractéristique de l'invention, le diamètre du trou de fluage est tel qu'il permet de dépasser la tension de surface de la pâte à braser en fusion. [0015] Selon une autre caractéristique de l'invention, le diamètre du trou de fluage est supérieur à 0.3mm. [0016] L'invention se rapporte également à un dispositif de refroidissement d'un composant électronique, et qui est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit imprimé tel que décrit précédemment, la protubérance de brasure étant disposée dans un flux de fluide réfrigérant. [0017] L'invention se rapporte également à une utilisation d'un circuit imprimé tel que décrit précédemment pour dissiper une énergie thermique, la protubérance de brasure de l'insert étant disposée dans un flux de fluide réfrigérant. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - figure 1, une illustration, vue de dessus, d'un circuit imprimé avant une dépose de pâte à braser ; - figure 2, une illustration, vue de dessous, du circuit imprimé avant une dépose de pâte à braser ; - figure 3, une illustration, vue en coupe, d'un trou de fluage du circuit imprimé avant le brasage ; et - figure 4, une illustration, en coupe, d'un circuit imprimé à la fin du procédé ; [0019] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. [0020] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0021] La figure 1 montre une partie d'une première face 110 d'un circuit imprimé 100 avant une dépose de pâte à braser. La face 110 est aussi appelée face supérieure. Dans cette description la face supérieure est celle sur laquelle est déposée la pâte à braser. La face 110 comporte un emplacement 120 de composant destiné à recevoir un composant électronique. Le composant est de type CMS (Composant Monté en Surface). L'emplacement 120 de composant est matérialisé par un emplacement principal muni d'un pad 130 thermique pour le brasage d'une semelle (partie métallique disposée sous le composant électronique) du composant électronique sur le circuit imprimé 100 et une pluralité d'emplacements 140i destinés à recevoir les terminaisons, aussi appelées pattes, du composant électronique. [0022] La figure 1 montre que le circuit imprimé 100 comporte une pluralité de trous 150i. Ces trous 150i sont des trous de fluage selon l'invention. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention ces trous 150i sont des via thermiques. Ces trous 150i traversent de part en part le circuit 100 imprimé. Plus précisément, ces trous 150i traversent la plaque du circuit imprimé. Au niveau de la face supérieure 110, chaque trou 150i comporte un orifice supérieur 151i. [0023] La figure 2 montre une partie d'une deuxième face 160 du circuit 100 imprimé opposée à la partie de la première face 110 illustrée par la figure 1. La deuxième face est aussi appelée face inférieure. La figure 2 montre, par transparence, l'emplacement 120 de composant destiné à recevoir le composant électronique. La figure 2 montre, dans l'emplacement 120 de composant, que les trous 150i sont traversant. Au niveau de la face inférieure 160, chaque trou 150i comporte un orifice inférieur 152i. La figure 2 montre que chaque orifice 152i est entouré d'une couronne 153i. Dans la pratique la face inférieure 160 est vernie. Une couronne est une zone d'épargne de vernis autour d'un orifice inférieur. [0024] Pour une illustration plus détaillée, la figure 1 montre un premier trou 1501 de fluage comportant : - un premier orifice 151i sur la face supérieure 110, - un deuxième orifice 152i sur la face inférieure 160, - autour du deuxième orifice 152i une première couronne 153i. [0025] La figure 3 montre une vue en coupe au niveau du premier trou 150i de fluage. La figure 3 montre la première face 110 du circuit 100 imprimé sur laquelle est fixé le pad 130 thermique. Le pad 130 est, par exemple, une plaque de cuivre. La figure 3 montre que le circuit 100 imprimé, et le pad 130 thermique, ont été percés pour former le premier trou 150i de fluage. La formation de ce premier trou de fluage a entrainé : - la formation du premier orifice 151i supérieur du premier trou de fluage 150i, et - la formation du premier orifice 152i inférieur du premier trou de fluage 150i. [0026] La figure 3 montre que, dans une variante possible de l'invention, la surface interne du premier trou 1501 de fluage est métallisée. Cette métallisation est réalisée, par exemple, avec du cuivre. Un tel trou est appelé un via thermique. [0027] La figure 3 montre que la deuxième face 160 du circuit imprimé 100 est recouverte d'une couche 170 de vernis. La figure 3 montre une zone d'épargne de vernis de la forme générale d'une couronne 153i autour de l'orifice inférieur 152i. Cette zone d'épargne peut être obtenue de diverses manières : - A l'aide d'un écran de sérigraphie, ou - par polissage après le vernissage, ou - par dépôt d'un vernis photo-imageable sur toute la surface suivi d'une étape d'insolation et développement, ou - par tout autre procédé de l'état de la technique. [0028] Une telle zone d'épargne de vernis favorise la formation d'une boule de soudure lors d'une étape de brasage selon l'invention. [0029] La figure 3 montre aussi que le premier trou 1501 traverse, au niveau de la deuxième face 160, une plaque de métal correspondant à un plan de cuivre. Ce plan de cuivre, existe ou n'existe pas sur un circuit imprimé. S'il existe, alors, de manière connue pour les via thermiques, il est traversé par les trous de fluage selon l'invention. [0030] Tous les trous de fluage 150i ont avantageusement une structure identique à celle décrite pour le premier trou de fluage 1501. [0031] Les trous de fluage 150i sont, avantageusement mais non nécessairement, uniformément répartis dans l'emplacement 120 de composant et plus particulièrement sous un corps d'un composant électronique destiné à être fixé sur l'emplacement 120 de composant. [0032] La figure 1 et la figure 2 illustrent que cette répartition produit un quadrillage, quatre trous de fluage voisins formant, aux tolérances de fabrication près, les sommets d'un carré. La répartition ainsi illustrée n'est bien entendu pas limitative. [0033] Un circuit imprimé peut comporter une pluralité d'emplacements de composants. Cette pluralité d'emplacements de composants peut être répartie sur plusieurs faces du circuit imprimé. [0034] Comme visible sur la figure 4, le trou de fluage est rempli de pâte à braser, l'orifice 1521 du trou de fluage étant obturé par une protubérance 210 de soudure. Sur la figure 4, la protubérance 210 est de forme générale sphérique. Ceci est du au fait que la zone d'épargne de vernis est en forme de couronne 1531. Néanmoins, la forme sphérique de la protubérance n'est pas limitative et dépend de la forme donnée à la zone d'épargne. [0035] Préférentiellement, un trou de fluage a un diamètre intérieur d'au moins 0.3 millimètre. Ce diamètre varie, entre autre, selon la composition de la pâte à braser. Cette composition influe sur la viscosité de la pâte à braser en fusion. Le diamètre intérieur des trous de fluage est tel qu'il permet de dépasser la tension de surface de la pâte à braser en fusion. La pâte à braser en fusion coule donc dans les trous de fluage. [0036] Un procédé de brasage d'un composant électronique sur le circuit imprimé 100 selon la présente invention comporte au moins les étapes suivantes : - étape de dépôt du composant électronique sur l'emplacement 120 du circuit imprimé 100 comprenant le ou les trous de fluage, et - étape de brasage sur le circuit imprimé 100 du composant électronique en faisant fluer une pâte à braser en fusion dans le trou de fluage, de sorte qu'un orifice du trou de fluage, préférentiellement l'orifice inférieur, est obturé par la protubérance de brasure 210. A l'issue de ce procédé de brasage est obtenu le circuit imprimé 100 tel que décrit 25 précédemment. [0037] Le procédé de brasage comprend préférentiellement une étape de formation de la zone d'épargne 153i, comme déjà expliqué, avant l'étape de brasage. [0038] La zone d'épargne de vernis est réalisée autour de l'orifice inférieur 30 152i d'un trou de fluage et a préférentiellement la forme d'une couronne 153i. Cette couronne a avantageusement une largeur de l'ordre de 0.1 millimètre. C'est-à-dire que le grand diamètre de la couronne est supérieur au diamètre interne d'un trou de fluage, la différence entre les deux diamètres est de l'ordre de 0.2 millimètre. [0039] Dans l'invention la quantité de pâte à braser est légèrement supérieure à celle de l'état de la technique, de quelques pourcents. Cela permet au surplus de pâte à braser de fluer dans les trous de fluage lors de l'étape de brasage. [0040] Seules les étapes d'un procédé de production d'un circuit imprimé intéressant l'invention sont illustrées et décrites. Par exemple on ne décrit pas l'étape de mise en place des composants qui intervient, naturellement, après la dépose de la pâte à braser mais avant le brasage. [0041] Lors de l'étape de brasage, la pâte à braser fondue flue dans les trous de fluage depuis les orifices supérieurs des trous de fluage vers les orifices inférieurs des trous de fluage. Lorsque la pâte à braser en fusion arrive au niveau des orifices inférieurs des trous de fluage elle forme les protubérances en forme de demi-sphères, une pour chaque orifice. Ces demi-sphères sont d'autant plus étendues que des zones larges d'épargne de vernis auront été ménagés au niveau des orifices inférieurs des trous de fluage. [0042] On note que les protubérances se forment également en l'absence de zone d'épargne de vernis. [0043] Il est notable que les enseignements de l'état de la technique cherchent 20 à éviter ce phénomène de formation de demi-sphères. L'enseignement de l'invention cherche lui à le favoriser. 25 [0044] A la fin du brasage : [0045] les trous de fluage sont remplis partiellement ou complètement de pâte à braser solidifiée, et les orifices inférieurs des trous de fluage sont recouverts, chacun, par une excroissance en forme générale de demi-sphère, ou boule de soudure, de pâte à braser solidifiée. Le remplissage des trous de fluage permet une conduction améliorée des calories. L'excroissance augmente la surface d'échange des calories avec le 30 milieu ambiant. L'excroissance permet l'amélioration de la dissipation des calories conduites. Ces excroissances agissent comme des picots d'un radiateur. Ces excroissances sont particulièrement efficaces si le circuit imprimé ainsi obtenu est placé dans un flux d'air. [0046] Comme visible sur la figure 4, à l'endroit du premier orifice inférieur 1521 s'est formée une boule 210 de soudure ayant la forme d'une demi-sphère. Une telle boule agit comme un picot de radiateur. [0047] L'invention permet donc de produire des circuits imprimés ayant des capacités de refroidissement améliorées. [0048] L'invention concerne également un dispositif de refroidissement du composant électronique, comprenant le circuit imprimé 100 tel que précédemment décrit, la ou les protubérance(s) de brasure étant disposée(s) dans un flux de fluide réfrigérant. [0049] Par fluide réfrigérant, on entend tout fluide conducteur thermique et compatible avec le circuit imprimé 101. Il s'agit par exemple d'air. [0050] L'invention concerne également l'utilisation d'un circuit imprimé tel que décrit précédemment pour dissiper une énergie thermique la protubérance de brasure 210 étant disposée dans un flux de fluide réfrigérant, tel qu'un flux d'air.15 REVENDICATIONS1. Procédé de brasage d'un composant électronique, tel qu'un composant électronique de puissance, sur un circuit imprimé comprenant un trou de fluage (150i) comportant au moins les étapes suivantes : - Dépôt du composant électronique sur un emplacement du circuit imprimé comprenant ledit trou de fluage, et - Brasage sur le circuit imprimé du composant électronique en faisant fluer une pâte à braser en fusion dans le trou de fluage, de sorte qu'un orifice (152i) du trou de fluage est obturé par une protubérance (210) de brasure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation d'une zone d'épargne de vernis (153i) dans une partie d'une face du circuit imprimé munie dudit orifice inférieur du trou de fluage à l'exclusion d'un espace contenant ledit orifice inférieur, ladite étape de formation de zone d'épargne étant antérieure à l'étape de brasage. 3. Circuit imprimé caractérisé en ce qu'il comporte un composant électronique (200), au moins un trou (150i) de fluage rempli de brasure, un orifice (152i) du trou de fluage étant obturé par une protubérance (210) de brasure. 4. Circuit imprimé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'orifice du trou de fluage est disposé sur une deuxième face du circuit imprimé opposée à la première face du circuit imprimé. 5. Circuit imprimé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le trou de fluage est un via thermique. 6. Circuit imprimé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le diamètre du trou de fluage est tel qu'il permet de dépasser la tension de surface de la pâte à braser en fusion. 7. Circuit imprimé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le diamètre du trou de fluage est supérieur à 0.3mm. 8. Dispositif de refroidissement d'un composant électronique, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit imprimé selon l'une des revendications 3 à 7, la protubérance de brasure (210) étant disposée dans un flux de fluide réfrigérant. 9. Utilisation d'un circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 pour dissiper une énergie thermique, la protubérance de brasure (210) étant disposée dans un flux de fluide réfrigérant.