Le présent exposé concerne le domaine des cartes électroniques, en particulier lorsque ces cartes électroniques sont destinées à être intégrées dans un dispositif portable et embarqué, par exemple dans le domaine de l’aéronautique, du spatial ou encore de l’automobile, et plus précisément la fixation de composants électroniques à des circuits imprimés.This presentation concerns the field of electronic cards, in particular when these electronic cards are intended to be integrated into a portable and on-board device, for example in the field of aeronautics, space or even automobiles, and more specifically the fixing of electronic components to printed circuits.
De manière connue en soi, une carte électronique peut comprendre des composants montés en surface (CMS), c’est-à-dire des composants électroniques brasés directement à la surface du circuit imprimé d’une carte électronique, des composants traversants, ou encore des circuits imprimés.As is known per se, an electronic card may include surface-mounted components (SMCs), i.e. electronic components soldered directly to the surface of the printed circuit of an electronic card, through-hole components, or even printed circuits.
Habituellement, les CMS sont brasés en surface soit par refusion (« reflow soldering » en anglais), soit à la vague (« solder wave » en anglais).Usually, SMDs are surface soldered either by reflow soldering or by solder wave.
Dans le cas du brasage par refusion, le circuit imprimé nu est tout d’abord sérigraphié en recouvrant les couches conductrices du circuit imprimé (généralement en cuivre) par une crème à braser à l’aide d’un écran de sérigraphie (ou pochoir) de sorte que seuls les emplacements destinés à recevoir les terminaisons des composants sont recouverts par la crème à braser. La crème à braser comprend, de manière connue en soi, un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage. Puis les terminaisons des composants (CMS) sont posées sur la crème à braser avant de subir un traitement thermique de refusion, au cours duquel la chaleur fait refondre l’alliage et évaporer le flux de brasage de manière à former des joints de brasure à partir de l’alliage métallique présent dans la crème à braser.In the case of reflow soldering, the bare PCB is first screen printed by covering the conductive layers of the PCB (usually copper) with solder paste using a screen printing screen (or stencil) so that only the locations intended to receive the component terminations are covered by the solder paste. The solder paste comprises, in a manner known per se, a metal alloy suspended in a soldering flux. Then the component terminations (CMS) are placed on the solder paste before undergoing a reflow heat treatment, during which the heat remelts the alloy and evaporates the soldering flux so as to form solder joints from the metal alloy present in the solder paste.
Les joints ainsi obtenus sont cependant fortement sollicités. En particulier, la partie des joints qui est située entre le composant et la plage de brasage est très fine. Les joints subissent donc de très fortes contraintes, notamment en cisaillement, et risquent donc de se fissurer rapidement lorsque la carte électronique subit des environnements sévères en températures et/ou en vibrations. Cela réduit donc fortement la durée de vie de la carte électronique.However, the resulting joints are subject to high stress. In particular, the part of the joints located between the component and the soldering area is very thin. The joints are therefore subject to very high stresses, particularly in shear, and therefore risk cracking quickly when the electronic board is subjected to harsh temperatures and/or vibrations. This therefore significantly reduces the lifespan of the electronic board.
Par ailleurs, en utilisation, les cartes électroniques peuvent être soumises à des environnements sévères en températures créant des déplacements relatifs (dans le plan de la surface) entre CMS et le circuit imprimé. Ces déplacements relatifs sont généralement dus à une dilatation différentielle entre les CMS et le circuit imprimé résultant d’une variation de température, les CMS et le circuit imprimé ayant généralement des coefficients de dilatation thermique dans le plan différents. Or, ces déplacements relatifs ont pour effet de générer des contraintes qui endommagent les joints de brasure, limitant ainsi leur durée de vie et leur fiabilité.Furthermore, in use, electronic cards can be subjected to harsh temperature environments creating relative displacements (in the plane of the surface) between the SMD and the printed circuit. These relative displacements are generally due to differential expansion between the SMDs and the printed circuit resulting from a temperature variation, the SMDs and the printed circuit generally having different coefficients of thermal expansion in the plane. However, these relative displacements have the effect of generating stresses which damage the solder joints, thus limiting their lifespan and reliability.
Afin de réduire ces contraintes, le document FR3069128 au nom de la Demanderesse propose d’augmenter la hauteur verticale (habituellement désignée par le terme anglais « standoff ») entre la face supérieure de la plage de brasage (qui peut être en cuivre, en cuivre recouvert de nickel-or au tout autre matériau adapté) et le point bas des terminaisons conductrices des CMS une fois brasés, afin d’augmenter la hauteur d’alliage en interface entre les CMS et les plages de brasage. A cet effet, ce document propose d’appliquer une couche isolante sur la carte électronique, d’y réaliser une cavité et d’y placer le joint de brasure. Les joints de brasure ainsi obtenus sont alors plus souples et donc plus robustes et comprennent une plus grande quantité d’alliage. Toutefois, ce procédé implique d’ajouter une couche supplémentaire sur la carte électronique, ce qui peut être difficile à réaliser dans certaines cartes électroniques.In order to reduce these constraints, document FR3069128 in the name of the Applicant proposes increasing the vertical height (usually referred to by the English term “standoff”) between the upper face of the soldering pad (which can be made of copper, nickel-gold coated copper or any other suitable material) and the low point of the conductive terminations of the SMDs once soldered, in order to increase the alloy height at the interface between the SMDs and the soldering pads. To this end, this document proposes applying an insulating layer to the electronic board, creating a cavity there and placing the solder joint there. The solder joints thus obtained are then more flexible and therefore more robust and include a greater quantity of alloy. However, this process involves adding an additional layer to the electronic board, which can be difficult to achieve in certain electronic boards.
Il a par ailleurs été proposé dans le document WO 2019/120969, également au nom de la Demanderesse, de dimensionner l’espacement entre les plages de brasage en fonction de l’espacement entre les terminaisons du CMS et des coefficients de dilatation thermique du CMS, du circuit imprimé et des joints. Cette solution permet effectivement de réduire les contraintes dans les joints et d’augmenter la durée de vie des composants. Toutefois, dans certaines configurations, elle peut avoir un impact sur la densité d’implantation des composants. Sa mise en œuvre peut en outre s’avérer complexe dans la mesure où elle implique de tenir compte du coefficient de dilatation thermique de plusieurs matériaux différents dans les différents boitiers.It has also been proposed in document WO 2019/120969, also in the name of the Applicant, to size the spacing between the soldering pads as a function of the spacing between the SMD terminations and the thermal expansion coefficients of the SMD, the printed circuit and the joints. This solution effectively reduces stresses in the joints and increases the lifetime of the components. However, in certain configurations, it can have an impact on the density of component implantation. Its implementation can also be complex since it involves taking into account the thermal expansion coefficient of several different materials in the different packages.
Il a également été proposé de renforcer le joint brasé en augmentant l’épaisseur de l’écran de sérigraphie, en dépassant les plages de brasage lors de la sérigraphie pour augmenter la quantité d’alliage ou encore en ajoutant une préforme d’alliage. Toutefois, ces procédés sont limités par le ratio de démoulage (ce qui empêche son application à des composants à pas fin), la proximité des autres composants et/ou la présence de vias.It has also been proposed to strengthen the solder joint by increasing the thickness of the screen, by extending the solder pads during screen printing to increase the amount of alloy, or by adding an alloy preform. However, these methods are limited by the demolding ratio (which prevents its application to fine-pitch components), the proximity of other components, and/or the presence of vias.
L’industrie de l’aéronautique et du spatial reste en perpétuelle recherche pour améliorer les cartes électroniques et augmenter la fiabilité et la durée de vie des joints de brasure des CMS.The aeronautics and space industry is constantly seeking to improve electronic boards and increase the reliability and lifespan of SMD solder joints.
Un objectif de l’invention est donc de proposer une carte électronique comprenant un circuit imprimé et des composants montés en surface dont la durée de vie, la fiabilité et la robustesse sont améliorées.An objective of the invention is therefore to propose an electronic card comprising a printed circuit and surface-mounted components whose lifespan, reliability and robustness are improved.
Un autre objectif de l’invention est de proposer une carte électronique dans laquelle la robustesse des joints de tout ou partie des composants est améliorée, qui puisse être sélective, simple à réaliser et de coût modéré quelle que soit la densité d’implantation des composants sur le circuit imprimé et/ou le type de composant, sans pour autant impacter le rendement d’assemblage de la carte électronique ni le routage des composants.Another objective of the invention is to propose an electronic card in which the robustness of the joints of all or part of the components is improved, which can be selective, simple to produce and of moderate cost whatever the density of implantation of the components on the printed circuit and/or the type of component, without impacting the assembly yield of the electronic card or the routing of the components.
Un autre objectif encore de l’invention est de proposer une carte électronique dans laquelle la robustesse des joints peut sélectivement être améliorée, sans modifier le procédé d’assemblage usuellement utilisé.Yet another objective of the invention is to provide an electronic card in which the robustness of the joints can be selectively improved, without modifying the assembly method usually used.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect, un procédé de fixation d’un composant sur une carte électronique comprenant les étapes suivantes :
- placer un premier écran de sérigraphie comprenant une première fenêtre sur une face de connexion d’un circuit imprimé comprenant une plage de brasage de sorte que la première fenêtre recouvre la plage de brasage ;
- remplir la première fenêtre avec une première crème à braser comprenant un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage ;
- appliquer un premier traitement thermique au circuit imprimé de sorte à transformer la première crème à braser en un plot ;
- placer un deuxième écran de sérigraphie comprenant une deuxième fenêtre sur la face de connexion, de sorte que la deuxième fenêtre chevauche le plot ;
- remplir la deuxième fenêtre avec une deuxième crème à braser comprenant un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage ;
- placer un composant sur la deuxième crème à braser en face de la plage de brasage ;
- appliquer un deuxième traitement thermique au circuit imprimé de sorte à transformer la deuxième crème à braser en joint de brasure.For this purpose, according to a first aspect, a method of fixing a component on an electronic card is proposed, comprising the following steps:
- placing a first screen printing screen comprising a first window on a connection face of a printed circuit comprising a soldering pad so that the first window covers the soldering pad;
- filling the first window with a first soldering cream comprising a metal alloy suspended in a soldering flux;
- apply a first heat treatment to the printed circuit so as to transform the first soldering cream into a pad;
- placing a second screen printing screen comprising a second window on the connection face, so that the second window overlaps the pad;
- filling the second window with a second solder paste comprising a metal alloy suspended in a soldering flux;
- place a component on the second solder paste opposite the soldering pad;
- apply a second heat treatment to the printed circuit board so as to transform the second soldering cream into a solder joint.
Le procédé de fixation selon le premier aspect est avantageux pour la réduction de l’empreinte environnementale de la Demanderesse. En effet, le procédé permet d’accroitre et d’optimiser la capacité de fabrication, de production et/ou de réparation et, par conséquence, de réduire de manière significative les émissions de gaz à effet de serre associées. Cette optimisation permet également de diminuer la consommation de matière première. Le procédé permet d’allonger la durée de vie des composants et, par conséquence, de réduire le nombre de remplacement par des pièces neuves. Le procédé permet en outre de diminuer significativement le nombre de pièces mises au rebut pouvant être difficilement recyclables.The fastening method according to the first aspect is advantageous for reducing the Applicant's environmental footprint. Indeed, the method makes it possible to increase and optimize manufacturing, production and/or repair capacity and, consequently, to significantly reduce the associated greenhouse gas emissions. This optimization also makes it possible to reduce the consumption of raw materials. The method makes it possible to extend the service life of the components and, consequently, to reduce the number of replacements with new parts. The method also makes it possible to significantly reduce the number of discarded parts that may be difficult to recycle.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du procédé de fixation selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- la première et la deuxième crème à braser sont identiques ;
- une épaisseur du deuxième écran de sérigraphie est au moins égale à 75 % d’une épaisseur du premier écran de sérigraphie ;
- une épaisseur du premier et du deuxième écran de sérigraphie sont choisies parmi les épaisseurs suivantes : 100 µm, 120 µm, 150 µm, 200 µm ;
- le premier et le deuxième traitement thermique comprennent un traitement par refusion ;
- la première et la deuxième crème à braser comprennent au moins 50 % d’alliage métallique, le complément étant constitué par le flux de brasage ;
- le procédé de fixation comprend en outre une étape d’usinage du plot lorsqu’une épaisseur du plot est supérieure ou égale à une épaisseur de la deuxième fenêtre ; et/ou
- le deuxième écran de sérigraphie comprend au moins une fenêtre supplémentaire et le circuit imprimé comprend au moins une plage de brasage supplémentaire, le deuxième écran de sérigraphie étant en outre placé de sorte que chaque fenêtre supplémentaire recouvre une plage de brasage supplémentaire correspondante, chaque fenêtre supplémentaire étant également remplie avec la deuxième crème à braser au cours de l’étape de remplissage, et le procédé de fixation comprenant en outre le placement d’un composant supplémentaire sur la deuxième crème à braser en face d’une plage de brasage supplémentaire correspondante avant l’application du deuxième traitement thermique.Some preferred but non-limiting features of the attachment method according to the first aspect are the following, taken individually or in combination:
- the first and second soldering cream are identical;
- a thickness of the second screen printing screen is at least equal to 75% of a thickness of the first screen printing screen;
- a thickness of the first and second screen printing screens are chosen from the following thicknesses: 100 µm, 120 µm, 150 µm, 200 µm;
- the first and second heat treatments include a remelting treatment;
- the first and second soldering creams comprise at least 50% metal alloy, the remainder being made up of the soldering flux;
- the fixing method further comprises a step of machining the stud when a thickness of the stud is greater than or equal to a thickness of the second window; and/or
- the second screen printing screen comprises at least one additional window and the printed circuit comprises at least one additional solder pad, the second screen printing screen being further positioned such that each additional window covers a corresponding additional solder pad, each additional window also being filled with the second solder paste during the filling step, and the attachment method further comprising placing an additional component on the second solder paste opposite a corresponding additional solder pad before applying the second heat treatment.
Selon un deuxième aspect, il est proposé une carte électronique obtenue conformément à un procédé de fixation selon le premier aspect et comprenant :
- un circuit imprimé comprenant une plage de brasage et une plage de brasage supplémentaire ;
- un composant comprenant une terminaison raccordée à la plage de brasage par un joint de brasure, le composant étant un composant électronique ; et
- un composant supplémentaire comprenant une terminaison supplémentaire raccordée à la plage de brasage supplémentaire par un joint de brasure supplémentaire, le composant supplémentaire étant également un composant électronique ;
un volume d’alliage métallique dans le joint de brasure étant au moins 20 % supérieur à un volume d’alliage métallique dans le joint de brasure supplémentaire.According to a second aspect, there is provided an electronic card obtained in accordance with a fixing method according to the first aspect and comprising:
- a printed circuit board comprising a soldering pad and an additional soldering pad;
- a component comprising a termination connected to the solder pad by a solder joint, the component being an electronic component; and
- an additional component comprising an additional termination connected to the additional solder pad by an additional solder joint, the additional component also being an electronic component;
a volume of metal alloy in the solder joint being at least 20% greater than a volume of metal alloy in the additional solder joint.
Selon un troisième aspect, il est proposé un procédé de réparation d’une carte électronique comprenant les étapes suivantes :
- fournir une carte électronique ;
- retirer un composant électronique usagé ;
- fournir un composant électronique de remplacement ; et
- fixer le composant électronique de remplacement sur la carte électronique conformément au procédé de fixation selon le premier aspect.According to a third aspect, a method of repairing an electronic card is proposed comprising the following steps:
- provide an electronic card;
- remove a used electronic component;
- provide a replacement electronic component; and
- fixing the replacement electronic component on the electronic board in accordance with the fixing method according to the first aspect.
La
La
La
La
La
Une carte électronique 1 comprend un circuit imprimé 2 comportant une ou plusieurs couches conductrices séparées par une ou plusieurs couches isolantes, sur lequel sont fixés des composants 3a, 3b.An electronic card 1 comprises a printed circuit 2 comprising one or more conductive layers separated by one or more insulating layers, on which components 3a, 3b are fixed.
Le composant peut être électronique ou mécanique. Par composant 3a, 3b, on comprendra dans ce qui suit tout élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de réaliser une ou plusieurs fonctions (électroniques, mécaniques) et comprenant une ou plusieurs terminaisons 5 (électrique ou mécanique) sur l’épaisseur du composant. A titre d’exemple non limitatif, un composant électronique 3a, 3b peut comprendre un composant électronique 3a, 3b discret tel qu’un composant monté en surface (CMS) (typiquement une résistance, un condensateur, un réseau de résistances, un réseau de capacités, etc.). Un composant mécanique peut comprendre une rondelle, un capot, etc.The component may be electronic or mechanical. By component 3a, 3b, we will understand in the following any element intended to be assembled with others in order to perform one or more functions (electronic, mechanical) and comprising one or more terminations 5 (electrical or mechanical) on the thickness of the component. By way of non-limiting example, an electronic component 3a, 3b may comprise a discrete electronic component 3a, 3b such as a surface-mounted component (SMD) (typically a resistor, a capacitor, a resistor network, a capacitor network, etc.). A mechanical component may comprise a washer, a cover, etc.
Le circuit imprimé 2 comprend au moins une couche électriquement isolante présentant une face de connexion sur laquelle est fixée une couche conductrice traitée de sorte à former des plages de brasage 4. De manière générale, le circuit imprimé 2 peut être du type monocouche (également appelé simple couche) et ne comprendre qu’une seule couche conductrice, double couche (également appelé double face) et comprendre une couche conductrice de part et d’autre d’une couche isolante, ou multicouche et comprendre au moins quatre couches conductrices. Chaque couche isolante peut comprendre l’un au moins des matériaux suivants : fibres de verre, résine époxy, polyimide, polyester, polymère, téflon. Par exemple, la ou les couches isolantes comprennent une résine epoxy et des fibres de verre. Les couches conductrices quant à elles peuvent être en cuivre (ou dans un alliage à base de cuivre).The printed circuit 2 comprises at least one electrically insulating layer having a connection face on which is fixed a conductive layer treated so as to form soldering pads 4. In general, the printed circuit 2 may be of the single-layer type (also called single-layer) and comprise only a single conductive layer, double-layer (also called double-sided) and comprise a conductive layer on either side of an insulating layer, or multi-layer and comprise at least four conductive layers. Each insulating layer may comprise at least one of the following materials: glass fibers, epoxy resin, polyimide, polyester, polymer, Teflon. For example, the insulating layer(s) comprise an epoxy resin and glass fibers. The conductive layers may be made of copper (or a copper-based alloy).
Les terminaisons 5 du composant électronique 3a, 3b sont raccordées aux plages de brasage 4 du circuit imprimé 2 par l’intermédiaire de joints de brasure 6a, 6b.The terminations 5 of the electronic component 3a, 3b are connected to the soldering pads 4 of the printed circuit 2 via solder joints 6a, 6b.
Afin d’augmenter la durée de vie de la carte électronique 1, il est proposé d’augmenter la section résistante du joint de brasure 6a de tout ou partie des composants électroniques 3a soumis à de fortes contraintes en fixant les composants électroniques 3a par double sérigraphie sélective. De la sorte, la carte électronique 1 peut comprendre des premiers composants électroniques 3a comprenant des terminaisons 5 dont le joint de brasure 6a est plus résistant et, le cas échéant, des deuxièmes composants électroniques 3b comprenant des terminaisons 5 dont le joint de brasure 6b peut être conventionnel. Le joint de brasure 6a étant plus résistant, il se déforme moins. Par ailleurs, le temps de fissuration est augmenté, ce qui améliore la durée de vie de la carte électronique 1. L’augmentation de la hauteur du joint de brasure 6a permet par railleurs de réduire l’angle de cisaillement pour une même différence de dilatation. La contrainte est donc diminuée dans le joint 6a et sa durée de vie augmentée.In order to increase the lifetime of the electronic card 1, it is proposed to increase the resistant section of the solder joint 6a of all or part of the electronic components 3a subjected to high stresses by fixing the electronic components 3a by double selective screen printing. In this way, the electronic card 1 can comprise first electronic components 3a comprising terminations 5 whose solder joint 6a is more resistant and, where appropriate, second electronic components 3b comprising terminations 5 whose solder joint 6b can be conventional. Since the solder joint 6a is more resistant, it deforms less. Furthermore, the cracking time is increased, which improves the lifetime of the electronic card 1. Increasing the height of the solder joint 6a also makes it possible to reduce the shear angle for the same difference in expansion. The stress is therefore reduced in the joint 6a and its lifetime increased.
Pour cela, on effectue une sérigraphie des plages de brasage 4 destinées à recevoir les premiers composants électroniques 3a suivie d’une sérigraphie des plages de brasage 4 destinées à recevoir les premiers et les deuxièmes composants 3a, 3b.To do this, screen printing of the soldering pads 4 intended to receive the first electronic components 3a is carried out, followed by screen printing of the soldering pads 4 intended to receive the first and second components 3a, 3b.
Plus précisément, au cours d’une étape E1, un premier écran de sérigraphie 7 est placé sur la face de connexion 2a du circuit imprimé 2. Le premier écran de sérigraphie 7 comprend une première épaisseur e1 et au moins une première fenêtre 8 traversante. De préférence, le premier écran 7 comprend autant de fenêtres traversantes que le circuit imprimé 2 comprend de plages de brasage 4 destinées à être raccordées à une terminaison 5 d’un des premiers composants 3a.More precisely, during a step E1, a first screen printing screen 7 is placed on the connection face 2a of the printed circuit 2. The first screen printing screen 7 comprises a first thickness e1 and at least one first through window 8. Preferably, the first screen 7 comprises as many through windows as the printed circuit 2 comprises soldering pads 4 intended to be connected to a termination 5 of one of the first components 3a.
Le premier écran 7 est placé de sorte que chaque première fenêtre 8 recouvre une plage de brasage 4 correspondante (voir
Au cours d’une étape E2, de la crème à braser 9, comprenant un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage, est forcée dans chaque première fenêtre 8 pour remplir les premières fenêtres 8, par exemple à l’aide d’une raclette 10 (voir
Le procédé de fixation P permet d’utiliser tout type de crème à braser 9, et en particulier des crèmes à braser sans plomb, permettant ainsi de respecter les normes actuelles et en particulier la directive européenne RoHS n°2002/95/CE - bannissement du Plomb, Chrome hexavalent, Mercure, Cadmium, Polybromobiphényle et décabromodiphényl-éthers. Par exemple, l’alliage métallique de la crème à braser 9 peut comprendre l’une des compositions suivantes, qui sont les plus couramment utilisées : étain/plomb 63/37 ou 10/90 ou 90/10, étain/plomb/Argent 62/36/2, pour les produits exemptés de la directive Rohs ou des alliages étain/argent 96.5/3.5., étain/Argent/Cuivre 96.5/3.8/0.7 ou 96.6/3.0/0.5 ou 98.5/1.0/0.5. Cette technique s’adapte à tous les types d’alliage (comprenant du bismuth, de l’antimoine, etc.). Le flux de brasage dépend du type d’alliage métallique en suspension dans la crème à braser 9 et du procédé d’assemblage avec ou sans nettoyage.The P fixing process allows the use of any type of solder paste 9, and in particular lead-free solder pastes, thus allowing compliance with current standards and in particular the European RoHS directive n°2002/95/CE - banning of Lead, Hexavalent Chromium, Mercury, Cadmium, Polybrominated biphenyls and decabromodiphenyl ethers. For example, the metal alloy of solder paste 9 may include one of the following compositions, which are the most commonly used: tin/lead 63/37 or 10/90 or 90/10, tin/lead/Silver 62/36/2, for products exempted from the Rohs directive or tin/silver alloys 96.5/3.5., tin/Silver/Copper 96.5/3.8/0.7 or 96.6/3.0/0.5 or 98.5/1.0/0.5. This technique is suitable for all types of alloy (including bismuth, antimony, etc.). The soldering flux depends on the type of metal alloy suspended in the solder paste 9 and the assembly process with or without cleaning.
Le flux de brasage de la crème à braser 9 comprend généralement une résine (typiquement une résine naturelle, modifiée ou synthétique), des agents d’activation et des additifs permettant d’optimiser la sérigraphie et la refusion. Le rôle du flux de brasage est d’assurer le décapage des plages de brasage 4 (à l’aide des activateurs contenus dans le flux de brasage), d’assurer leur protection pendant les étapes de montée en température au cours du traitement thermique et de jouer un rôle tensioactif pour favoriser le mouillage de l’alliage métallique. Par exemple, le flux de brasage peut comprendre de la colophane.The soldering flux of the solder paste 9 generally comprises a resin (typically a natural, modified or synthetic resin), activating agents and additives to optimize screen printing and reflow. The role of the soldering flux is to ensure the stripping of the soldering pads 4 (using the activators contained in the soldering flux), to ensure their protection during the temperature increase steps during the heat treatment and to play a surfactant role to promote the wetting of the metal alloy. For example, the soldering flux may comprise rosin.
La crème à braser 9 comprend par exemple 50 % en volume d’alliage métallique et 50 % en volume de flux de brasage.Solder paste 9 comprises, for example, 50% by volume of metal alloy and 50% by volume of soldering flux.
De manière connue en soi, la raclette 10 peut comprendre une tôle métallique qui est appliquée sur le premier écran 7 suivant un angle pouvant être compris entre 45° et 60° afin de mieux pousser la crème à braser 9 dans les premières fenêtres 8.In a manner known per se, the scraper 10 may comprise a metal sheet which is applied to the first screen 7 at an angle which may be between 45° and 60° in order to better push the soldering cream 9 into the first windows 8.
Une fois les premières fenêtres 8 remplies de crème à braser 9, le premier écran 7 peut être retiré.Once the first windows 8 are filled with solder paste 9, the first screen 7 can be removed.
Au cours d’une étape E3, un premier traitement thermique est appliqué au circuit imprimé 2 sur lequel a été appliquée la crème à braser 9 de sorte à transformer la crème à braser 9 en plots 11 (voir
Le traitement thermique peut notamment comprendre une refusion (« reflow soldering » en anglais) de l’alliage métallique présent dans la crème à braser 9. De manière connue en soi, un traitement thermique de refusion comprend successivement une étape de montée en température (« ramp up » en anglais), une étape dite de préchauffage (« preheat » en anglais) pour le séchage des flux (« soak » or « preflow » en anglais) et de préparation de nettoyage des terminaisons 5 de brasage du circuit imprimé 2 et composants, une étape dite de refusion (« reflow » en anglais) où l’alliage métallique fond et une étape de refroidissement rapide jusqu’à la température ambiante. On pourra se référer au document WO2019/012136 au nom de la Demanderesse pour plus de détails sur le traitement thermique de refusion.The heat treatment may in particular comprise reflow soldering of the metal alloy present in the solder paste 9. In a manner known per se, a reflow heat treatment successively comprises a temperature rise step (ramp up), a so-called preheat step for drying the fluxes (soak or preflow) and preparing for cleaning the solder terminations 5 of the printed circuit 2 and components, a so-called reflow step where the metal alloy melts and a rapid cooling step to room temperature. Reference may be made to document WO2019/012136 in the name of the Applicant for further details on the reflow heat treatment.
On notera que le flux de brasage s’évapore progressivement lors de l’étape de montée en température (et de préchauffage/séchage), laissant ainsi uniquement l’alliage métallique sur les plages de brasage 4. Les plots 11 obtenus ne comprennent donc plus que l’alliage métallique.It should be noted that the brazing flux gradually evaporates during the temperature rise (and preheating/drying) step, thus leaving only the metal alloy on the brazing pads 4. The pads 11 obtained therefore only comprise the metal alloy.
Au cours d’une étape E4, un deuxième écran de sérigraphie 12 est placé sur la face de connexion 2a du circuit imprimé 2. Le deuxième écran de sérigraphie 12 comprend une deuxième épaisseur e2 et au moins une deuxième fenêtre 13 traversante. De préférence, le deuxième écran 12 comprend autant de deuxièmes fenêtres 13 traversantes que le circuit imprimé 2 comprend de plages de brasage 4 destinées à être raccordées à une terminaison 5 des premiers et deuxièmes composants électroniques 3a, 3b. Lorsque la carte électronique 1 à fabriquer comprend des premiers et des deuxièmes composants électroniques 3a, 3b, le deuxième écran 12 comprend donc davantage de fenêtres 13 que le premier écran 7.During a step E4, a second screen printing screen 12 is placed on the connection face 2a of the printed circuit 2. The second screen printing screen 12 comprises a second thickness e2 and at least one second through window 13. Preferably, the second screen 12 comprises as many second through windows 13 as the printed circuit 2 comprises soldering pads 4 intended to be connected to a termination 5 of the first and second electronic components 3a, 3b. When the electronic card 1 to be manufactured comprises first and second electronic components 3a, 3b, the second screen 12 therefore comprises more windows 13 than the first screen 7.
Le deuxième écran 12 est placé de sorte que chaque deuxième fenêtre 13 recouvre une plage de brasage 4 correspondante (voir
De préférence, la deuxième épaisseur e2 est inférieure ou égale à l’épaisseur des plots 11 obtenus à l’étape E3 afin de garantir que le composant électronique 3a destiné à être placé sur le plot 11 reste en place. En effet, le flux de brasage de la crème à braser 14, en plus de son rôle pendant le traitement thermique, permet de maintenir en position le composant électronique 3. Il est donc préférable que le composant électronique 3 soit en contact avec la crème à braser 14 et pas seulement avec le plot 11.Preferably, the second thickness e2 is less than or equal to the thickness of the pads 11 obtained in step E3 in order to ensure that the electronic component 3a intended to be placed on the pad 11 remains in place. Indeed, the soldering flux of the solder paste 14, in addition to its role during the heat treatment, makes it possible to keep the electronic component 3 in position. It is therefore preferable for the electronic component 3 to be in contact with the solder paste 14 and not only with the pad 11.
A cet effet, soit le deuxième écran 12 est choisi de sorte que la deuxième épaisseur e2 soit supérieure à l’épaisseur du plot 11 obtenu à l’étape E3. De préférence, e2 est supérieure ou égale à la somme de l’épaisseur du plot 11 et du diamètre d’une bille d’alliage de taille maximum.For this purpose, either the second screen 12 is chosen so that the second thickness e2 is greater than the thickness of the pad 11 obtained in step E3. Preferably, e2 is greater than or equal to the sum of the thickness of the pad 11 and the diameter of an alloy ball of maximum size.
Soit le deuxième écran 12 est choisi de sorte que la deuxième épaisseur e2 soit inférieure à l’épaisseur du plot 11. Dans ce cas, le procédé P peut en outre comprendre une étape d’usinage du plot 11 (E8) afin de réduire son épaisseur jusqu’à ce qu’elle devienne inférieure à la deuxième épaisseur e2. L’usinage peut notamment être réalisé par arasement. On notera que cette forme de réalisation permet d’augmenter le volume d’alliage métallique dans le plot 11 obtenu à l’étape E3 (puisqu’il est possible de réaliser un plot 11 plus haut lors de la première sérigraphie (étapes E2 à E5) qui remplira donc davantage la deuxième fenêtre 13) et donc le volume d’alliage métallique dans le joint de brasure consolidé 6a (voir l’étape E6 décrite ci-après).Either the second screen 12 is chosen so that the second thickness e2 is less than the thickness of the pad 11. In this case, the method P can further comprise a step of machining the pad 11 (E8) in order to reduce its thickness until it becomes less than the second thickness e2. The machining can in particular be carried out by leveling. It will be noted that this embodiment makes it possible to increase the volume of metal alloy in the pad 11 obtained in step E3 (since it is possible to produce a higher pad 11 during the first screen printing (steps E2 to E5) which will therefore fill the second window 13 more) and therefore the volume of metal alloy in the consolidated solder joint 6a (see step E6 described below).
Ainsi, certaines deuxièmes fenêtres 13 du deuxième écran 12 sont placées sur le circuit imprimé 2 de sorte à recouvrir les plot 11 obtenus à l’étape E3 tandis que les autres deuxièmes fenêtres 13 sont placées sur des plages de brasage 4 dépourvues de plot 11 (ces plages de brasage 4 ayant été recouvertes par une portion du premier écran 7 dépourvue de fenêtre 8 à l’étape E2 afin de ne pas recevoir de crème à braser 14 – voir
Au cours d’une étape E5, de la crème à braser 14, comprenant un alliage métallique en suspension dans un flux de brasage, est forcée dans chaque deuxième fenêtre 13 pour remplir les deuxièmes fenêtres 13, par exemple à l’aide d’une raclette 10 (voir
La crème à braser 14 appliquée à l’étape E5 peut être identique à la crème à braser 9 appliquée à l’étape E2. En variante, les crèmes à braser 9, 14 peuvent être différentes.The solder cream 14 applied in step E5 may be identical to the solder cream 9 applied in step E2. Alternatively, the solder creams 9, 14 may be different.
Une fois les deuxièmes fenêtres 13 remplies de crème à braser 14, le deuxième écran 12 peut être retiré. Le circuit imprimé 2 comprend alors :
- des premiers tas 15a de crème à braser 14 positionnés sur les plots 11 obtenus à l’étape E3 ; et
- des deuxième tas 15b de crème à braser 14 positionnés sur des plages de brasage 4 dépourvues de plot 11.Once the second windows 13 are filled with solder paste 14, the second screen 12 can be removed. The printed circuit 2 then comprises:
- first piles 15a of solder paste 14 positioned on the pads 11 obtained in step E3; and
- second piles 15b of solder cream 14 positioned on solder pads 4 without a pad 11.
Lorsque la deuxième épaisseur e2 du deuxième écran 12 est constante, l’épaisseur des ensembles formés par les plots 11 et les premier tas 14a associés et l’épaisseur des deuxièmes tas 15b de crème à braser 14 est identique.When the second thickness e2 of the second screen 12 is constant, the thickness of the assemblies formed by the pads 11 and the first associated piles 14a and the thickness of the second piles 15b of solder paste 14 is identical.
Au cours d’une étape E6, des premiers et deuxièmes composants électroniques 3a, 3b sont placés sur le circuit imprimé 2 de sorte que chaque terminaison 5 des composants électroniques 3a, 3b se trouve sur un tas 15a, 15b de crème à braser 14 correspondant. Plus précisément, les terminaisons 5 des premiers composants électroniques 3a sont placées sur les premiers tas 15a de crème à braser 14 et les terminaisons 5 des deuxièmes composants électroniques 3b sont placées sur les deuxièmes tas 15b de crème à braser 14.During a step E6, first and second electronic components 3a, 3b are placed on the printed circuit 2 so that each termination 5 of the electronic components 3a, 3b is located on a corresponding pile 15a, 15b of solder paste 14. More precisely, the terminations 5 of the first electronic components 3a are placed on the first piles 15a of solder paste 14 and the terminations 5 of the second electronic components 3b are placed on the second piles 15b of solder paste 14.
Au cours d’une étape E7, un deuxième traitement thermique est appliqué au circuit imprimé 2 sur lequel a été appliquée la crème à braser 14 de sorte à transformer la crème à braser 14 en joints de brasure 6a, 6b. Le traitement thermique peut être identique au traitement thermique décrit à l’étape E3. Le cas échéant, les températures, pentes et durées des différentes étapes du traitement thermique E3 sont adaptés à la composition de la crème à braser 14 utilisée à l’étape E5.During a step E7, a second heat treatment is applied to the printed circuit 2 on which the solder paste 14 has been applied so as to transform the solder cream 14 into solder joints 6a, 6b. The heat treatment may be identical to the heat treatment described in step E3. Where appropriate, the temperatures, slopes and durations of the different steps of the heat treatment E3 are adapted to the composition of the solder cream 14 used in step E5.
La carte électronique 1 ainsi obtenue comprend à la fois des joints de brasure consolidés 6a, formés par les plots 11 obtenus à l’étape E3 sur lesquels ont été réalisés des joints de brasure supplémentaires à l’étape E7, et des joints de brasure conventionnels 6b obtenus à l’étape E7 à partir des deuxièmes tas 15b de crème à braser 14 (voir
On notera que, les joints de brasure consolidés 6a comprenant un plus gros volume d’alliage métallique, leur résistance est augmentée, ce qui permet d’améliorer la durée de vie de la carte électronique 1. Leur inspection visuelle est en outre facilitée en comparaison avec l’inspection de joints de brasure conventionnels 6b qui sont de plus petit volume.It will be noted that, the consolidated solder joints 6a comprising a larger volume of metal alloy, their resistance is increased, which makes it possible to improve the service life of the electronic card 1. Their visual inspection is furthermore facilitated in comparison with the inspection of conventional solder joints 6b which are of smaller volume.
La première épaisseur e1 du premier écran 7 et la deuxième épaisseur e2 du deuxième écran 12 sont choisies en fonction du volume d’alliage métallique recherché pour le composant électronique 3a, 3b correspondant.The first thickness e1 of the first screen 7 and the second thickness e2 of the second screen 12 are chosen as a function of the volume of metal alloy sought for the corresponding electronic component 3a, 3b.
Par exemple, les première et deuxième épaisseurs e1, e2 peuvent être choisies parmi les épaisseurs suivantes : 100 µm, 120 µm, 150 µm, 200 µm. On notera que la première épaisseur e1 et la deuxième épaisseur e2 peuvent être différentes.For example, the first and second thicknesses e1, e2 may be chosen from the following thicknesses: 100 µm, 120 µm, 150 µm, 200 µm. It will be noted that the first thickness e1 and the second thickness e2 may be different.
Lorsque la première épaisseur e1 et la deuxième épaisseur e2 sont égales et constantes sur toute la surface des écrans 7, 12 et que la surface des premières et deuxième fenêtres 8, 13 sont égales, le volume d’alliage métallique dans les joints de brasure consolidés 6a est égal à 150 % du volume d’alliage métallique dans les joints de brasure conventionnels 6b.When the first thickness e1 and the second thickness e2 are equal and constant over the entire surface of the screens 7, 12 and the surface of the first and second windows 8, 13 are equal, the volume of metal alloy in the consolidated solder joints 6a is equal to 150% of the volume of metal alloy in the conventional solder joints 6b.
Par ailleurs, le volume d’alliage dans les joints de brasure consolidés 6a obtenus conformément au procédé de fixation P avec un premier et un deuxième écran 7, 12 d’épaisseur e1, e2 constante égale à 100 µm est égal à 125 % du volume d’alliage métallique obtenu avec un procédé de fixation P conventionnel (une seule étape de sérigraphie) avec un écran d’épaisseur égale à 120 µm. De même, le volume d’alliage dans les joints de brasure consolidés 6a obtenus conformément au procédé de fixation P avec un premier et un deuxième écran 7, 12 d’épaisseur e1, e2 constante égale à 100 µm est égal au volume d’alliage métallique obtenu avec un procédé de fixation P conventionnel (une seule étape de sérigraphie) avec un écran d’épaisseur égale à 150 µm.Furthermore, the volume of alloy in the consolidated solder joints 6a obtained in accordance with the attachment method P with a first and a second screen 7, 12 of constant thickness e1, e2 equal to 100 µm is equal to 125% of the volume of metal alloy obtained with a conventional attachment method P (a single screen printing step) with a screen of thickness equal to 120 µm. Similarly, the volume of alloy in the consolidated solder joints 6a obtained in accordance with the attachment method P with a first and a second screen 7, 12 of constant thickness e1, e2 equal to 100 µm is equal to the volume of metal alloy obtained with a conventional attachment method P (a single screen printing step) with a screen of thickness equal to 150 µm.
Le choix du type de joint de brasure (consolidé 6a par double sérigraphie conformément aux étapes E2 à E7 ou conventionnel 6b conformément aux étapes E5 à E7) et du volume de crème à braser 9, 14 déposé est fait en fonction des besoins en matière de quantité d’alliage métallique des composants électroniques 3a, 3b :
- un composant électronique 3b ne nécessitant pas une résistance accrue (faible sollicitation mécanique en utilisation) pourra être fixé sur une plage de brasage 4 par une sérigraphie simple conformément aux étapes E5 à E7 (uniquement) ;
- un composant électronique 3a nécessitant une résistance moyenne (sollicitation mécanique moyenne en utilisation), tel qu’un BGA, pourra être fixé sur une plage de brasage 4 conformément aux étapes E2 à E7 (voire E8), avec un premier écran de sérigraphie 7 présentant une ouverture moyenne (par exemple une première épaisseur e1 de l’ordre de 100 µm ou 120 µm et une surface de l’ordre de 75 % de la surface de la plage de brasage 4) et un deuxième écran 12 présentant une petite ouverture (par exemple une deuxième épaisseur e2 de l’ordre de 80 µm ou 100 µm et une surface de l’ordre de 100 % de la surface de la plage de brasage 4) ; et
- un composant électronique 3a nécessitant une résistance mécanique importante (sollicitation mécanique ou thermomécanique forte en utilisation), tel qu’une résistance R1206, pourra être fixé sur une plage de brasage 4 conformément aux étapes E2 à E7 (voire E8) avec un premier écran de sérigraphie 7 présentant une ouverture épaisse (par exemple une première épaisseur e1 de l’ordre de 150 µm ou 200 µm et une surface de l’ordre de 95 % ou 100 % de la surface de la plage de brasage 4) et un deuxième écran 12 présentant une ouverture plus fine (par exemple une deuxième épaisseur e2 de l’ordre de 100 µm et une surface de l’ordre de 95% ou 100 % de la surface de la plage de brasage 4). On notera que l’utilisation d’une ouverture ayant une deuxième épaisseur e2 plus faible aux étapes E4 et E5 limite l’étalement de la crème à braser 14 par rapport au plot 11 obtenu à l’étape E3.The choice of the type of solder joint (consolidated 6a by double screen printing in accordance with steps E2 to E7 or conventional 6b in accordance with steps E5 to E7) and the volume of solder paste 9, 14 deposited is made according to the requirements in terms of quantity of metal alloy of the electronic components 3a, 3b:
- an electronic component 3b not requiring increased resistance (low mechanical stress in use) may be fixed on a soldering pad 4 by simple screen printing in accordance with steps E5 to E7 (only);
- an electronic component 3a requiring average resistance (average mechanical stress in use), such as a BGA, may be fixed on a soldering pad 4 in accordance with steps E2 to E7 (or even E8), with a first screen printing screen 7 having an average opening (for example a first thickness e1 of the order of 100 µm or 120 µm and a surface area of the order of 75% of the surface area of the soldering pad 4) and a second screen 12 having a small opening (for example a second thickness e2 of the order of 80 µm or 100 µm and a surface area of the order of 100% of the surface area of the soldering pad 4); and
- an electronic component 3a requiring significant mechanical strength (high mechanical or thermomechanical stress in use), such as a resistor R1206, may be fixed on a soldering pad 4 in accordance with steps E2 to E7 (or even E8) with a first screen printing screen 7 having a thick opening (for example a first thickness e1 of the order of 150 µm or 200 µm and a surface area of the order of 95% or 100% of the surface area of the soldering pad 4) and a second screen 12 having a finer opening (for example a second thickness e2 of the order of 100 µm and a surface area of the order of 95% or 100% of the surface area of the soldering pad 4). It will be noted that the use of an opening having a second, smaller thickness e2 in steps E4 and E5 limits the spreading of the solder paste 14 relative to the pad 11 obtained in step E3.
Le procédé de fixation P peut être appliqué à tout composant électronique 3a, 3b (capacité, résistance, BGA (acronyme anglais de Ball Grid Array pour matrice de billes), LGA (acronyme anglais de Land Grid Array pour matrice de pastilles), QFN ou DFN (acronymes anglais de Quad Flat No-leads ou Dual Flat No-leads en anglais, pour boîtier de circuit intégré plat et sans broche), etc.), quel que soit le pas des terminaisons 5 de ces composants électroniques 3a, 3b (0,5 mm, etc.) et sans réduire la densité d’implantation de la carte électronique 1 : la position des plages de brasage 4 n’est en effet pas impactée par le procédé de fixation P.The P fixing process can be applied to any electronic component 3a, 3b (capacitor, resistor, BGA (Ball Grid Array), LGA (Land Grid Array), QFN or DFN (Quad Flat No-leads or Dual Flat No-leads, for flat integrated circuit package without pin), etc.), whatever the pitch of the terminations 5 of these electronic components 3a, 3b (0.5 mm, etc.) and without reducing the implantation density of the electronic card 1: the position of the soldering pads 4 is in fact not impacted by the P fixing process.
De plus, le volume d’alliage métallique dans le joint de brasure consolidé 6a n’est plus limité par la taille de la fenêtre 8, 13 des écrans 7, 12 de sérigraphie. On rappelle en effet que la taille d’une fenêtre d’un écran de sérigraphie est limitée par le rapport entre la surface de la fenêtre et la surface des parois internes de la fenêtre, qui doit être supérieur ou égal à 0,66 pour permettre le démoulage de la crème à braser. Jusqu’à présent, pour rapprocher les composants électroniques sur un circuit imprimé, il était soit nécessaire de réduire l’épaisseur de l’écran, ce qui impliquait une diminution du volume de crème à braser, soit d’augmenter la surface de la fenêtre, ce qui empêchait d’implanter des composants à pas fin. La fixation P des composants électroniques 3a, 3b par double sérigraphie sélective conformément aux étapes E1 à E7 (et le cas échéant E8) permet donc de s’affranchir de cette difficulté en augmentant le volume d’alliage métallique dans le joint de brasure 6a consolidé tout en permettant de réduire la surface des deuxièmes fenêtres 13 du deuxième écran 12 et donc d’implanter des composants 3a à pas fins et/ou d’augmenter la densité de composants électroniques 3a, 3b sur le circuit imprimé 2 sans modifier le routage des plages de brasage 4.Furthermore, the volume of metal alloy in the consolidated solder joint 6a is no longer limited by the size of the window 8, 13 of the screen printing screens 7, 12. It is recalled that the size of a window of a screen printing screen is limited by the ratio between the surface area of the window and the surface area of the internal walls of the window, which must be greater than or equal to 0.66 to allow the demolding of the solder paste. Until now, to bring electronic components closer together on a printed circuit, it was either necessary to reduce the thickness of the screen, which involved a reduction in the volume of solder paste, or to increase the surface area of the window, which prevented the installation of fine-pitch components. The fixing P of the electronic components 3a, 3b by double selective screen printing in accordance with steps E1 to E7 (and where appropriate E8) therefore makes it possible to overcome this difficulty by increasing the volume of metal alloy in the consolidated solder joint 6a while making it possible to reduce the surface area of the second windows 13 of the second screen 12 and therefore to implant components 3a with fine pitches and/or to increase the density of electronic components 3a, 3b on the printed circuit 2 without modifying the routing of the solder pads 4.
Le procédé de fixation P peut en outre être mis en œuvre dans la réparation R d’une carte électronique 1 (voir
- retirer un composant électronique usagé S2 de la carte électronique 1 ;
- fournir un composant électronique 3a de remplacement S3 ; et
- fixer le composant électronique 3a de remplacement sur la carte électronique 1 conformément au procédé de fixation (P) décrit ci-avant.The fixing method P can furthermore be implemented in the repair R of an electronic card 1 (see
- remove a used electronic component S2 from the electronic card 1;
- provide a replacement electronic component 3a S3; and
- fix the replacement electronic component 3a on the electronic card 1 in accordance with the fixing method (P) described above.
En particulier, lorsque le composant électronique 3a doit être fixé à l’aide d’un joint de brasure consolidé 6a, c’est-à-dire de plus gros volume, le composant électronique 3a de remplacement peut être brasé sur la carte électronique 1 en appliquant successivement les étapes E1 à E7 (et le cas échéant E8) décrites ci-avant.In particular, when the electronic component 3a must be fixed using a consolidated solder joint 6a, i.e. of larger volume, the replacement electronic component 3a can be soldered onto the electronic card 1 by successively applying the steps E1 to E7 (and where appropriate E8) described above.
Le cas échéant, le procédé de réparation R comprend en outre une opération de préparation des plages après l’étape S2, avant l’étape de fixation du composant électronique conformément au procédé de fixation P, afin d’uniformiser la quantité d’alliage et de nettoyer les restes de flux utilisé dans les procédés précédents.Where appropriate, the repair method R further comprises an operation of preparing the areas after step S2, before the step of fixing the electronic component in accordance with the fixing method P, in order to standardize the quantity of alloy and to clean the remains of flux used in the previous methods.
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