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PROCEDE DE BRASAGE PAR REF'QSION
DE COMPOSANTS EI~ECTRONIQUES ET DISPOSITIF
DE BRASAGE POUR IDA MISE EN OE~VRE D'üN TEI~ PROCEDE
La présente invention est relative à un procédé de
brasage par refusion de composants électroniques sur un
support tel qu'une plaquette de circuit imprimé, et se
rapporte également à un dispositif de brasage pour la mise
en oeuvre d'un tel procédé.
Les deux méthodes les plus couramment utilisées pour
effectuer une opération de brasage, sont le "brasage à la
vague" (wave soldering an anglais) et le "brasage par
refusion" (reflow soldering en anglais).
Dans le premier cas, c'est-à-dire le brasage à la
vague, le brasage consiste à amener les plaquettes portant
les composants électroniques à braser en contact avec une ou
plusieurs vagues d'alliage de soudure liquide obtenues par
circulation d'un bain de soudure contenu dans un bac, au
moyen d'une buse.
Généralement, les plaquettes sont préalablement
fluxées dans une zone amont, à l'aide d'un spray de flux ou
d'une mousse de flux, puis préchauffés de manière à activer
les flux précédemment déposés, afin de nettoyer les surfaces
à braser, pour l'élimination des oxydes, des contaminants
organiques, etc...
Dans la seconde technique de brasage "par refusion",
on dispose d'une quantité d'alliage de brasure en des
emplacements de connexion des composants sur le circuit, par
exemple en sérigraphiant une pâte à braser contenant un
mélange d'alliage métallique et de flux sur le circuit
imprimé avant d'y déposer les composants à braser.
Une autre technologie récente consiste en ce que
l'alliage de brasure avait fait l'objet de pré-dépôts) sur
le support, sur des emplacements de connexion des
composants, pré-dépôts) refondus) ("refusion"), ceci étant
en général suivi d'une opération d'aplanissement de la
surface des pré-dépôts précédemment refondus (formation de
"bumps" en anglais, on se reportera aux procédés SIPADT" ou
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encore OPTIPADT"' industriellement disponibles), voire par le
fait que l'alliage de brasure à fait l'objet pour certains
composants d'un pré-dépôt sur des terminaisons des
composants proprement dits.
Ce n'est qu'ensuite que l'on procède au
positionnement des composants sur le support.
Le support muni des composants est ensuite inséré
dans un four à refusion de manière à apporter la quantité de
chaleur nécessaire pour permettre d'obtenir la fusion de
l'alliage métallique, ainsi que l'activation de l'élément
fluxant contenu dans la pâte ou le pré-dépôt.
Comme dans le cas du brasage à la vague, cette
technique nécessite l'utilisation de flux afin de nettoyer
les surfaces à braser. (,'utilisation de ces flux présente un
certain nombre d'inconvénients, notamment en raison de leur
coût, et des résidus qu'ils laissent sur les cartes, ce qui
tend à générer des problèmes de fiabilité des cartes
électroniques ainsi conçues. I1 est donc nécessaire, avec
ces techniques, de prévoir une étape supplémentaire de
nettoyage des cartes après brasage, qui utilise le plus
souvent des solvants chlorés, dont l'utilisation tend à être
fortement limitée par les réglementations en vigueur. En
outre, cette étape de nettoyage supplémentaire tend à
augmenter de façon sensible le coût de fabrication des
circuits.
Par ailleurs, on constate une forte tendance de
l'industrie de la microélectronique à aller vers une
miniaturisation et un taux d'intégration sur les circuits
extrêmement élevés (nombre d'entrées/sorties des
composants), avec en particulier l'apparition de nouveaux
types de composants à nombre de connexions très élevé et à
géométries de liaisons sur le circuit complexes, tels les
composants appelés dans ce métier BGA, ou encore Flip Chip.
On sait par exemple que les composants BGA
présentent des performances extrêmement attractives pour
l'industrie, mais également un certain nombre
d'inconvénients, liés notamment au fait que les connexions
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et joints de soudure ne sont pas latérales au composant mais
situés sous le composant, rendant très difficiles tant le
nettoyage que les réparations éventuelles.
On se reportera, sur ces questions de nouveaux
composants, et de nouvelles technologies de dépôt de
brasure, aux différents articles de la revue "Advanced
Packaging", July/August 1997.
Les documents EP-658391 et EP-747159 au nom de la
Demanderesse avaient proposé des procédés et installations
de fluxage par voie sèche, avant brasage ou étamage, à
l'aide de mélanges gazeux comportant des espèces chimiques
excitées ou instables et substantiellement dépourvus
d'espèces électriquement chargées.
Les travaux menés à bien par la Demanderesse ont
montré que ces procédés devaient encore être améliorés dans
le cas du brasage par refusion, non seulement pour améliorer
les conditions de brasage des composants spéciaux mais
également de façon générale les conditions de fluxage
permettant d'éviter l'opération de nettoyage des supports en
aval.
Le but de l'invention est d'apporter une réponse
technique aux problèmes ci-dessus mentionnés.
Elle a donc pour objet un procédé de brasage par
refusion de composants électroniques sur un support, au
cours duquel .
- on dispose d'une quantité d'alliage de brasure,
- on place les composants sur des emplacements de
connexion du support, et
- on effectue une opération de brasage proprement
dite des composants à l'aide du dit alliage de brasure, par
traitement thermique du support,
et se caractérise en ce qu'on procède audit
traitement thermique du support pour réaliser le brasage des
composants à l'aide de l'alliage de brasure, par mise en
contact du support, à une pression voisine de la pression
atmosphérique, avec une atmosphère de traitement comportant
des espèces chimiques excitées ou instables et
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substantiellement dépourvue d'espèces électriquement
chargées, l'atmosphère étant obtenue par passage d'un gaz
initial de traitement dans une décharge électrique, et le
traitement thermique du support étant obtenu au moyen des
espèces chimiques ainsi chauffées sous l'action de la
décharge.
Le procédé suivant l'invention peut en outre
comporter une ou plusieurs des étapes suivantes .
- préalablement à l'étape de dépôt des composants,
on dépose de la colle polymérisable sur des emplacements de
collage du support, et l'on procède à la polymérisation de
ladite colle afin de coller les composants sur le support au
niveau des emplacements de collage ;
- on dispose de l'alliage de brasure en procédant à
une sérigraphie de pâte à braser sur le support en des
emplacements de connexion des composants ;
- on dispose de l'alliage de brasure par le fait que
l'alliage de brasure avait fait l'objet sur le support de
pré-dépôt(s), sur. les ou des emplacements de connexion des
composants, pré-dépôts) ayant ensuite subi une opération de
refusion , puis ayant ensuite avantageusement fait l'objet
d'une opération d'aplanissement de leur surface ;
- on dispose de l'alliage de brasure par le fait que
l'alliage de brasure avait fait l'objet de pré-dépôts) sur
des emplacements/terminaisons des composants proprement
dits, pré-dépôts) ayant ensuite subi une opération de
refusion ;
- préalablement ou postérieurement à l'étape de
dépôt de colle sur les emplacements de collage du support,
ou encore après dépôt des composants sur le support, on
procède à une opération de fluxage préalable du support par
traitement de ce dernier, à une pression voisine de la
pression atmosphérique, au moyen d'une atmosphère de fluxage
comportant des espèces chimiques excitées ou instables et
substantiellement dépourvue d'espèces électriquement
chargées ;
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- l'atmosphère de fluxage du support est obtenue
par passage d'un gaz initial de fluxage dans une décharge
électrique, le gaz initial de fluxage comportant
avantageusement un mélange gazeux réducteur comportant de
5 l'hydrogène ;
- le gaz initial de traitement comporte un mélange
gazeux réducteur comportant de l'hydrogène ;
- l'atmosphère de traitement est obtenue à une
sortie de gaz d'un appareil de formation d'espèces excitées
ou instables, dans lequel a été transformé le gaz initial de
traitement ;
- l'atmosphère de fluxage est obtenue à une sortie
de gaz d'un appareil de formation d'espèces excitées ou
instables, dans lequel a été transformé le gaz initial de
fluxage ;
- les étapes de placement des composants et de
brasage sont effectuées sur les deux grandes faces du
support, ladite opération de traitement étant effectuée au
moyen de deux appareils de formation d'espèces chimiques
excitées ou instables, disposés chacun en regard de l'une
des faces du support ;
- le procédé comporte en outre une étape de
refroidissement du support, postérieure au dit traitement,
par passage de cette dernière dans une atmosphère de
refroidissement comportant un gaz neutre.
L'invention a également pour objet un dispositif de
brasage par refusion de composants électroniques sur un
support, par exemple une plaquette de circuit imprimé, pour
la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus,
caractérisé en ce qu'il comporte un organe de convoyage des
supports portant, sur au moins une de leur face les
composants à braser sur des emplacements de connexion,
emplacements sur lesquels on dispose d'un alliage de
brasure, l'organe de convoyage assurant le transfert des
supports en regard de premiers moyens permettant la
polymérisation de points de colle présents sur des
emplacements de collage du support, et en regard de seconds
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moyens comportant au moins un appareil de formation d'une
atmosphère de traitement comportant des espèces chimiques
excitées ou instables et étant substantiellement dépourvue
d'espèces électriquement chargées, atmosphère de traitement
dont la température la rend utilisable pour réaliser, à une
pression voisine de la pression atmosphérique, un traitement
thermique du support, en vue du brasage proprement dit des
composants.
Le dispositif comporte avantageusement, intercalé le
long du convoyeur en amont des premiers moyens ou entre les
premiers moyens et les seconds moyens, au moins un appareil
de formation d'une atmosphère de fluxage comportant des
espèces chimiques excitées ou instables et étant
substantiellement dépourvue d'espèces électriquement
chargées, atmosphère de fluxage utilisable pour réaliser un
fluxage en phase gazeuse du support.
On entend par l'expression "pression voisine de la
pression atmosphérique" selon l'invention, une pression se
situant avantageusement dans l'intervalle X0,1 x 105 Pa, 3 x
105 PaJ .
Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui
précède, le "support" sur lequel sont brasés les composants
selon l'invention peut étre de nature très variée, suivant
en cela les différents supports utilisés dans l'industrie,
tout comme bien sur les composants électroniques à braser. A
titre illustratif, il pourra s'agir de supports du type
circuits imprimés (quel que soit leur état de surface ou
finition), ou encore par exemple de supports céramiques
métallisés tels les circuits hybrides, voire de fonds de
boîtiers sur lesquels doivent être brasés des circuits dans
un procédé global d'encapsulation.
De même les composants concernés pourront être
extrêmement variés, depuis les composants électroniques
traditionnels passifs ou actifs jusque des composants plus
complexes et délicats de manipulation, qu'ils soient
encapsulés ou puces nues (BGA, MCM, Flip Chips etc..). Les
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"composants" selon l'invention pourront également consister
en des circuits qu'il faut braser sur un autre support ou
encore sur un fond de bottier avant encapsulation.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront
de la description suivante, donnée uniquement à titre
d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés sur
lesquels .
- la figure 1 est une vue schématique d'un
dispositif de brasage pour la mise en oeuvre du procédé
selon l'invention ; et
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un
exemple de module de formation d'espèces chimiques excitées
ou instables entrant dans la constitution du dispositif de
la figure 1.
Sur la figure 1 on a représenté une vue générale
d'un dispositif de brasage par refusion convenant pour la
mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce dispositif
comporte un organe de convoyage 10 comportant un tapis 12,
représenté en traits mixtes, disposé dans une enceinte 14 et
s'étendant entre deux rouleaux de guidage, 16 et 18, dont au
moins l'un est moteur.
Comme on le voit sur cette figure, sur le tapis 12
sont disposées ici un ensemble de plaquettes de circuit
imprimé, tel que 20, sur au moins une des grandes faces
desquelles sont disposés un ensemble de composants
électroniques, tel que 22, qu'il convient de braser.
Les composants électroniques sont disposés au niveau
d'emplacements de connexion sur lesquels est appliquée de la
pâte à braser, par exemple un alliage d'étain et de plomb.
Par ailleurs des points d'une colle polymérisable appropriée
pour l'utilisation envisagée, ont été déposés sur des points
de collage adéquats de la plaquette (par exemple sur des
surfaces polymères de la plaquette de circuit imprimé, entre
deux emplacements de connexion), assurant le maintien des
composants en place au cours de leur brasage.
Le tapis 12 assure le transfert des plaquettes de
circuit imprimé 20 portant les composants 22 en regard d'un
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premier poste 24 permettant par transfert thermique la
polymérisation de la colle déposée (par exemple par
rayonnement), puis à travers un deuxième poste 28 de
traitement thermique, au niveau duquel le brasage proprement
dit des composants 22 est effectué.
Enfin, le tapis 12 assure le transfert des
plaquettes 20, en aval du deuxième poste 28 de traitement
thermique vers un poste 30 de refroidissement au niveau
duquel les plaquettes sont disposées dans une atmosphère
azotée.
Comme on le voit sur cette figure 1, le deuxième
poste de traitement thermique 28, peut être considéré comme
confondu avec un poste de fluxage 26, tous deux constitués
par un module 32 de formation d' un gaz de traitement et de
fluxage comportant des espèces chimiques excitées ou
instables et substantiellement dépourvu d'espèces
électriquement chargées.
Sur cette figure 1, on a considéré que les
composants 22 sont disposés sur l'une des grandes faces de
la plaquette 20, le module 32 de formation d'espèces
excitées ou instables étant tourné vers cette face. Mais
comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, dans le
cas où les composants 22 sont disposés sur les deux grandes
faces mutuellement opposées de chaque plaquette 20, le
dispositif peut comporter deux modules 32 de formation
d'espèces chimiques excitées ou instables disposés chacun en
regard de l'une des grandes faces de la plaquette 20.
Le module 32 a pour fonction de faire passer un gaz
initial de traitement, comportant avantageusement un mélange
gazeux réducteur, par exemple à base d'azote et d'hydrogène,
complété, le cas échéant de vapeur d'eau, à travers une
décharge électrique, à l'intérieur de laquelle le gaz
initial est transformé, de manière à générer, en sortie de
gaz du module, le gaz de traitement qui comporte les espèces
gazeuses excitées ou instables et qui est substantiellement
dépourvu d'espèces électriquement chargées (situation de
post-décharge).
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Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui
précède, selon les circuits à braser, et selon l'alliage de
brasure considéré, la température des espèces en sortie de
décharge sera en général directement suffisante (> 190°C).
Cependant dans certains cas particuliers (certains
eutectiques métalliques par exemple), on pourra envisager de
préchauffer quelque peu le gaz initial avant son entrée dans
la décharge.
On a représenté sur la figure 2 une vue en coupe
d'un exemple de module 32 capable de générer de telles
espèces chimiques.
On voit sur cette figure que le module 32 comprend
une première électrode tubulaire 34, formée par exemple par
une face interne d'un bloc métallique 36, et dans laquelle
est disposé concentriquement un ensemble formé d'un tube en
matériau diélectrique 38, par exemple en céramique, sur la
face interne duquel est déposée, par métallisation, une
deuxième électrode 40, exagérément épaissie sur la figure 2,
afin d'améliorer la clarté.
Le tube diélectrique 38 et la deuxième électrode 40
définissent, avec la première électrode 34, un passage
tubulaire de gaz 42, et, intérieurement, un volume interne
44 dans lequel on fait circuler un fluide réfrigérant.
Le bloc 36 comporte, diamétralement opposées, deux
fentes longitudinales 46 et 48, formant respectivement
l'entrée du gaz initial de traitement à transformer
(exciter) dans le passage 42 et la sortie de flux
d'atmosphère de traitement comportant les espèces gazeuses
excitées ou instables mais substantiellement dépourvue
d'espèces électriquement chargées.
Les fentes 46 et 48 s'étendent sur toute la longueur
axiale de la cavité 42.
Par ailleurs, le bloc 36 comporte en outre,
avantageusement, à la périphérie de la première électrode
34, une pluralité de conduits, tels que 50, pour le passage
d'un fluide réfrigérant, par exemple de l'eau.
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1~
On voit par ailleurs sur la figure 2 que la fente 46
d'entrée de gaz communique avec une chambre
d'homogénéisation 52 ,formée dans un bottier 54 accolée au
bloc 36 et comportant une tubulure 56 d'amenée de gaz
initial.
Le module est complété par un générateur électrique
58 à haute tension et haute fréquence destiné à engendrer
une décharge dans le mélange gazeux circulant dans le
passage de gaz 42 de manière à provoquer, par ionisation,
une excitation des molécules gazeuses entrant dans sa
constitution et à générer ainsi des espèces chimiques
excitées ou instables, en particulier des radicaux H~ ou Hz~,
qui viennent désoxyder et décontaminer la surface externe
des plaquettes de circùit imprimé 20 (figure 1).
Le procédé de brasage de composants électroniques
sur une plaquette de circuit imprimé s'effectue ici de la
façon suivante.
On considérera par la suite que l'on utilise des
plaquettes 20 sur lesquelles de la pâte à braser a été
sérigraphiée, en des emplacements de connexion des
composants. On aurait également pu utiliser un alliage de
brasure ayant fait l'objet de pré-dépôts sur la plaquette
sur des emplacements de connexion des composants, et d'une
pré-refusion, en général suivie d'une opération
d'aplanissement de la surface des pré-dépôts ainsi obtenus
(procédés industriellement disponibles bien connus de
l'homme du métier de la microélectronique). I1 pourrait
également s'agir de composants possédant eux mëme des
emplacements/terminaisons sur lesquels un pré-dépôt
d'alliage de brasure a été effectué.
On dépose selon l'invention comme décrit plus haut,
sur des emplacements de collage, des points de colle de
manière à assurer un maintien- des composants au cours du
brasage.
On place ensuite les composants sur les emplacements
de connexion puis l'on dispose les plaquettes ainsi
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préparées sur l'organe de convoyage, en particulier sur le
tapis 12.
Celui-ci procède au transfert des plaquettes du
poste de chargement vers le premier poste 24 de
polymérisation de la colle, et le circuit est ainsi
préchauffé.
Au cours de la phase suivante, les plaquettes sont
transférées jusqu'au module 32 de formation d'espèces
chimiques excitées ou instables, décrit précédemment en
référence à la figure 3, au niveau duquel les plaquettes,
d'une part, subissent une opération de fluxage, sous
l'action des espèces chimiques délivrées par le module 32
et, d'autre part et en méme temps, sous l'action de la
chaleur transmise à ces espèces excitées sous l'effet de la
décharge, les composants sont brasés sur la plaquette.
Le procédé se poursuit ici par une étape de
refroidissement des plaquettes, sous l'action d'un flux
d'azote fourni au niveau du poste 30 de refroidissement.
Dans l'exemple de réalisation décrit en référence à
la figure 1, on a considéré que la première étape de
traitement thermique de polymérisation et de préchauffage de
la plaquette est effectuée au moyen d'un poste 24
spécifique.
I1 serait toutefois possible, en variante,
d'effectuer ce chauffage préalable au moyen du gaz chauffé
délivré en sortie d'un module 32 de production d'espèces
chimiques excitées.
I1 serait par ailleurs possible de prévoir une étape
de fluxage préalable des plaquettes 20 au moyen d'espèces
chimiques excitées ou instables délivrées par un module
identique au module 32, avant l'enduction des emplacements
de collage au moyen de colle.
Enfin, et selon un mode de réalisation non
représenté, il serait également possible de réaliser le
fluxage des supports et le traitement thermique de brasage
non pas au moyen d'un seul et unique module mais au moyen de
deux modules 32 distincts.
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On conçoit que l'invention qui vient d'être décrite,
utilisant une étape de refusion/traitement thermique
utilisant les espèces chimiques excitées ou instables et
substantiellement dépourvue d'espèces électriquement
chargées, chauffées sous l'action d'une décharge permet
d'améliorer considérablement la qualité des brasures ainsi
obtenues, tout en évitant un décapage ultérieur par solvant
chloré
- le traitement thermique proprement dit de refusion
est réalisé avec des espèces actives (nettoyage,
désoxydation..) permettant d'éviter tout phénomène
d'oxydation et donc d'améliorer substantiellement les
performances de mouillage ;
- on conçoit d'autre part qu'en utilisation avec des
pâtes à braser faiblement fluxées (faible activité/faible
taux de résidus sur le support après brasage) ou mieux
encore en utilisant des systèmes de pré-dépôt d'alliage de
brasure sans flux sur des emplacements adéquats du support
ou des terminaisons de composants, le procédé selon
l'invention permet d'allier des performances de brasage tout
à fait satisfaisantes, tout en permettant d'éviter
l'opération de nettoyage ultérieure des supports.
Quoique la présente invention ait été décrite en
relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne
s'en trouve pas limitée pour autant mais est au contraire
susceptible de modifications et de variantes qui
apparaîtront à l'homme de l'art dans le cadre des
revendications ci-après.
Ainsi, si l'invention a été tout particulièrement
exemplifiée dans ce qui précède en positionnant sur le
trajet des supports un module de formation de l'atmosphère
de traitement ou de fluxage (voire un module par face) , on
peut bien entendu envisager la présence de plusieurs modules
en série et /ou en parallèle permettant d'obtenir l'effet
requis, mais on peut également envisager (selon le cas de
chaque site utilisateur) le fait de ne mettre en place, en
regard d'une ou de chaque face du support, qu'un module
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(qu'il soit de traitement ou de fluxage), en effectuant des
repassages successifs en regard du module pour obtenir
l'effet voulu.
