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Procédé d'établissement d'un circuit électrique, et circuit obtenu par ce procédé La présente invention a pour objet un procédé d'établissement de circuits électriques tels par exemple que circuits imprimés, empilage de circuits imprimés ou module, ainsi qu'un circuit établi par ledit procédé.
D'ordinaire, des connexions entre conducteurs sont établis par serrage ou par soudage. Par suite du développement des circuits imprimés, et, surtout, des empilages de circuits imprimés ou modules, composés de plusieurs couches de circuits imprimés portés par des films isolants minces ou souples, l'établissement des connexions électriques entre circuits empilés ou superposés présente maints problèmes difficiles. L'ajustage serré est très peu satisfaisant, parce que la corrosion, l'expansion et la contraction des circuits et des connecteurs provoquent une modification de la résistance électrique ou la perte complète de contact électrique dans le circuit, ce qui modifie les caractéristiques de celui-ci d'une façon aléatoire ou le rend inopérant.
Pour l'établissement de connexions soudées dans ces circuits empilés ou modules, il était nécessaire que les connexions soient faites en dehors de la périphérie ou du périmètre des modules, où les conducteurs des circuits sont sortis. Jusqu'ici, aucune méthode pratique ne permettait le soudage des connexions, avec la sûreté et l'uniformité requises, lorsque les connexions doivent être faites à l'intérieur du périmètre du module. On a tenté d'établir de telles connexions internes en soudant celles-ci lors de l'assemblage de l'empilage ou du module.
Cette procédure prend toutefois beaucoup de temps et est hasardeuse, ce qui donne lieu à des échecs et à des rebuts, parce que la chaleur nécessaire pour le soudage d'une connexion risque souvent de dessouder une connexion déjà établie.
Un facteur, qui était considéré jusqu'ici comme limitatif, est la relation entre le point de fusion de la soudure et l'effet de la chaleur sur le film isolant ou la base qui supporte les éléments des circuits. Etant donné que les films isolants présentent des points de fusion ou de carbonisation relativement peu élevés, les soudures utilisées jusqu'ici ont des points d'écoulement inférieurs à la température qui endommagerait la matière isolante. Ces soudures exigent l'emploi de fondants pour établir des connexions convenables. Or, un écoulement approprié et uniforme des fondants n'était pas possible pour des connexions internes dans des circuits empilés ou des modules.
On a proposé d'établir des connexions entre circuits superposés par formage de trous à travers plusieurs assemblages de circuits superposés et par l'introduction d'une soudure enrobée ou d'un tube rempli de soudure, à travers les trous, en contact avec les conducteurs choisis. Les tubes sont chauffés à l'aide d'une plaque chauffante ou autre corps de chauffe, pour faire fondre la soudure et souder le ou les tubes aux divers éléments des circuits avec lesquels les tubes sont en contact.
La soudure sur ou dans les tubes présente un très bas point de fusion et d'écoulement, par exemple 90 à 1801, C, ce qui rend ce procédé peu pratique, parce que les composants électriques à fixer aux tubes creux ne peuvent pas y être soudés sans faire fondre la soudure qui sert à établir les connexions des circuits. De ce fait, il en résulte des ouvertures de circuits par fusion des soudures déjà faites, et la contraction et l'expansion des éléments provoquent l'ouverture d'autres circuits. Un autre aspect défavorable de la méthode décrite est que, même si des connexions pouvaient être faites avec des soudures à si bas point de fusion, les produis résultants seraient sans utilité dans de nombreux cas où les températures de fonctionnement atteignent 900 C et plus.
L'invention a pour but d'éliminer, au moins en partie, les difficultés mentionnées ci-dessus.
Le procédé selon l'invention, d'établissement d'un circuit électrique, dans lequel on utilise au moins un
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support isolant comprenant une matière plastique pouvant être endommagée par la chaleur à une température de moins de 425 C, ce support portant au moins un conducteur est caractérisé en ce qu'on forme un trou dans le support isolant, au voisinage du conducteur, ou insère dans ce trou un dispositif de connexion électriquement conducteur portant un revêtement d'alliage de brasage à point de fusion d'au moins 425 C, en contact avec ledit conducteur, on applique durant moins d'une seconde un courant de brasage aux extrémités opposées du dispositif de connexion, à des côtés opposés du support,
pour chauffer le dispositif de connexion à une température supérieure à 4250 C et inférieure au point de fusion du dispositif de connexion, afin de faire fondre l'alliage de brasage et braser le dispositif de connexion audit conducteur, sans endommager le support isolant.
L'invention a aussi pour objet un circuit obtenu selon le procédé de l'invention et qui est caractérisé en ce qu'il comprend un support isolant comprenant unematière plastique isolante pouvant être endommagée par la chaleur à une température de moins de 425 C et portant au moins un conducteur électrique qui y est encapsulé, et au moins un connecteur électriquement conducteur traversant le support à une certaine distance de son périmètre et relié à une partie dudit conducteur, par un alliage de brasage à point de fusion d'au moins 4250 C.
Le dessin illustre, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du procédé et du circuit obtenu par ce procédé la fig. 1 est une vue éclatée d'une partie d'un empilage de circuits imprimés ou d'un module, montrant quatre circuits imprimés, disposés en position d'assemblage, la fig. 2 est une vue en plan d'un empilage typique de circuits imprimés ou d'un module, composé de huit des circuits imprimés individuels de la fig. 1, la fig. 3 illustre schématiquement l'opération de per- çage d'un module du type représenté à la fig. 2, la fig. 4 illustre schématiquement un module dans lequel a été inséré une tige de connecteur,
la fig. 5 illustre schématiquement l'opération de brasage de la tige de connecteur aux composants du module, la fig. 6 est une vue en coupe d'une tige de connecteur, la fig. 7 est une vue en perspective d'un joint typique entre une tige de connecteur et des conducteurs du module, représenté d'une manière très agrandie, l'isolation ayant été enlevée, la fig. 8 est une vue en plan depuis le dessus, montrant un autre type de connexion entre un élément de connecteur et des composants d'un circuit imprimé, la fig. 9 est une vue en coupe par la ligne 9-9 de la fig. 8, et la fig. 10 est une vue en perspective d'une partie d'un circuit imprimé, montrant une forme modifiée de connecteur.
En se référant à la fig. 1, des circuits empilés ou un module typique peuvent être constitués par une série de circuits imprimés 10, 11, 12, 13, etc., qui comprennent une feuille isolante 14, en matière plastique ou en fibres de verre, imprégnée ou revêtue de matière plastique isolante, et de plusieurs éléments conducteurs 15, 16, 17, etc., en métal conducteur, par exemple en cuivre, appliqués sur la base isolante d'une manière connue, par exemple par électrodéposition, par gravure à l'acide, etc.
Comme le montre la figure, les circuits imprimés 10, 11, 12 et 13 sont les mêmes mais orientés par rapport les uns aux autres, comme l'indiquent les marques 18, 19, 20 et 21 qu'ils portent, de façon à obtenir une configuration des conducteurs 15 à 17, etc., qui convient par un circuit requis. Les circuits imprimés individuels étant disposés comme il convient, ils peuvent être stratifiés les uns aux autres à chaud et sous pression, pour produire un module 22, comme le montre la fig. 2, avec une configuration de circuits 23. N'importe quelle autre disposition voulue des partie conductrices de circuits imprimés et empilés peut être obtenue, selon les exigences.
Le module de la fig. 2 est composé de huit circuits principaux, du type des circuits 10 à 32 et donne lieu à la configuration de circuits 23, dont des parties des circuits sont superposées et doivent être reliées entre elles.
Pour relier par exemple le point central ou tous autres points d'intersection du circuit 23 du module 22, un ou plusieurs trous sont percés à travers tout le module, aux points de connexion désirés. Ces trous peuvent être faits avec des vrilles 24 ou autrement, en nombre voulu pour l'établissement des connexions nécessaires entre les circuits imprimés superposés.
Dans chacun des trous des modules une tige de connecteur 25 est insérée. Comme le montre la fig. 6, chacune de ces tiges se compose d'un membre conducteur 26, sous forme d'un tube, d'un fil ou d'une barre en cuivre ou en nickel, avec un revêtement 27 en alliage de brasage, tel qu'un alliage d'argent.
Les alliages de brasage typiques sont les alliages d'argent de Handy & Harman suivants
EMI2.36
<tb> Point <SEP> de <SEP> Point
<tb> Composition <SEP> fusion <SEP> d'écoulement
<tb> oc <SEP> OC
<tb> Sil-Fos <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 15 <SEP> % <SEP> Ag <SEP> 80'% <SEP> Cu <SEP> 5 <SEP> % <SEP> P <SEP> 640 <SEP> 700
<tb> 603 <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 60 <SEP> % <SEP> Ag <SEP> 30 <SEP> % <SEP> Cu <SEP> 10 <SEP> % <SEP> Sn <SEP> 600 <SEP> 720
<tb> BT <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 72 <SEP> '% <SEP> Ag <SEP> 28 <SEP> % <SEP> Cu <SEP> 780 <SEP> 780
<tb> Premabraze <SEP> 615 <SEP> . <SEP> .
<SEP> 61,5 <SEP> 0/a <SEP> Ag <SEP> 24 <SEP> % <SEP> Cu <SEP> 14,5'% <SEP> In <SEP> 625 <SEP> 707
D'autres alliages de brasage analogues conviennent également. Du fait des températures de fusion et d'écoulement élevées de ces alliages de brasage à l'argent, des dispositifs de chauffage usuels, tels que fers à souder, torches, etc., ne peuvent pas servir pour élever suffisamment la température de la tige 25 afin de faire fondre l'alliage de brasage, sans endommager en même temps la partie
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isolante du module. Le chauffage s'opère à l'aide d'un appareil de soudage par points 28, avec électrodes 29 et 30 qui peuvent être amenées l'une contre l'autre et appuyées sur les extrémités opposées de la tige 25.
N'importe quel appareil de soudage par point est utilisable, si ses électrodes peuvent être appuyées contre les extrémités de la tige 25 et s'il comporte un mécanisme permettant d'appliquer à la zone de brasage des impulsions électriques de la durée voulue. Des résultats satisfaisants sont obtenus avec une soudeuse par points de 3 kVA, modèle 93V3, fabriquée par Eisler Engineering Co., Inc., Newark, New Jersey. Cette soudeuse, du type à 220 volts, a été modifiée pour fonctionner à 110 volts, avec 11 prises donnant, aux électrodes, des tensions allant de 1,05 à 1,6 volt, en échelons à peu près égaux.
Avec une telle soudeuse et la tige 25, une impulsion de relativement peu de périodes d'un courant à 60 Hz fond l'alliage de brasage 27, qui coule et forme une robuste connexion électriquement conductrice entre la barre ou le fil 26 et les conducteurs 15, 16, 17, etc., adjacents ou s'engageant, de plusieurs couches dans le module 22, comme le montre la fig. 7. Dans des connexions typiques, le métal de brasage forme, à chaque joint, un filet 31 qui s'étend sur une assez grande distance 32 le long de chacun des conducteurs, garantissant ainsi une connexion mécaniquement robuste, résistante à la chaleur et électrique-conductrice, entre les conducteurs et la tige 25.
La résistance mécanique des connexions entre la barre ou le fil 26 du connecteur et les conducteurs 15,. 16, 17, etc. est effectivement si grande, que le joint ne se rompt pas, même si la partie isolante est arrachée des connecteurs, en exposant ceux-ci.
Les circuits imprimés peuvent avoir une base isolante en fibres de verre imprégnées avec une résine isolante appropriée, par exemple du polyuréthane 2000/ AH-3 de la Conap, Inc., décrite dans le Bulletin Conap, Inc., U-1500-1. Cette résine à deux composants doit être traitée à 1000 C pendant quatre heures.
Elle présente alors une dureté Shore de 80, une possibilité d'allonge- ment de 150%, une résistance à la traction de 1300, une hygroscopicité de 1,1% après immersion pendant 24 heures dans de l'eau, un facteur de pertes de 0,08 à 25 C, et une constante diélectrique de 4,6. Elle présente également une viscosité Brookfield de 9000, à 25o C, et de 300,à 800 C.
Une autre résine polyuréthane appropriée est la résine 7021 de Bonner Chemicals Division de la By State Chemical Co., Inc. L'emploi de ces résines ou de résines analogues permet d'obtenir une base isolante de la minceur et de la durabilité désirées, avec d'autres propriétés convenables. D'autres polyuréthanes appropriés, de même que des résines polyesters, telles que du mylar, conviennent pour l'imprégnation et le revêtement de la base isolante 14.
Une tige de connecteur typique 25 comprend un noyau en cuivre 26, d'un diamètre de 0,68 mm et une gaine d'alliage de brasage 27, de 0,08 mm, par exemple en un alliage de Handy & Harman décrit précédemment. Cette gaine peut s'étendre jusqu'aux extrémités du noyau 26, mais elles se terminent de préférence peu avant les extrémités, afin d'éviter que de l'alliage s'écoule sur les électrodes.
Lors du brasage de la tige 25 aux conducteurs des circuits du module 22 de la fig. 5, l'appareil de soudage par points était pourvu d'électrodes en tungstène, d'un diamètre de 1,5 mm. Une pression de 2,3 kg était appliquée aux extrémités opposées de la tige 25 par les élec- trodes 29 et 30 et le brasage avait lieu en amenant du courant à la tige 25 pendant un cinquième de seconde, c'est-à-dire durant 12 périodes, à la prise no 11 (1,6 volt). Le brasage était constaté par un chauffage presque instantané de la tige et la production d'une petite bouffée de fumée ou de vapeur, causée par la vaporisation de la matière plastique à proximité immédiate du connecteur.
La continuité de la matière isolante n'était toutefois pas visiblement modifiée et il n'y avait pas de carbonisation. Les conditions de brasage indiquées sont optimales, mais d'autres combinaisons de tension et de périodes de la soudeuse peuvent être nécessaires pour des tiges 25 enrobées d'un alliage de brasage différent ou pour des tiges plus grosses ou plus minces, afin que le chauffage des connecteurs suffise pour faire fondre le métal de brasage 27 et l'adhérer aux conducteurs du module 22.
Une méthode analogue peut être appliquée pour établir des connexions brasées dans des circuits imprimés à une seule couche et d'autres types de connecteurs peuvent être utilisés si cela est désiré. Ainsi, par exemple, en se référant aux fig. 8 et 9, un connecteur tubulaire ou oeillet 40 sert à relier un composant électrique à un conducteur 41 sur une base isolante 42, constituée ou revêtue d'une résine appropriée, telle que de la résine Bonner 7021. L'oeillet 40 comporte un épaulement 43 et est introduit dans un trou 44 formé dans la base 42 du connecteur 41, par perçage ou autrement.
Entre l'épaulement 43 et le conducteur 41 est interposé un mince disque ou une mince bande 45 d'alliage de brasage. Il n'est pas nécessaire de chauffer sur toute sa longueur l'#illet 40 pour faire fondre la bande 45, de sorte que l'électrode inférieure 46 de la soudeuse peut être en cuivre et pourvue d'un évidement 47 pour recevoir l'extrémité de l'oeillet. L'électrode supérieure 47 est en molybdène et, dans un exemple typique, son diamètre extérieur est de 1,25 mm ou un peu plus grand que l'extrémité supérieure de l'#illet 40. L'électrode en molybdène 47 est chauffée par le passage du courant et elle fait fondre l'alliage de brasage 45, par conduction à travers l'#illet 40.
Des oeillets typiques en cuivre ont un diamètre extérieur de 0,8 mm, un épaulement 43 d'un diamètre de 1,2 mm et une ouverture centrale traversante d'un diamètre de 0,55 mm. L'alliage de brasage 45 est de l'un ou l'autre des types décrits ci-dessus. Avec cette disposition et avec la soudeuse ajustée à la prise no 4 (1,2 volt) et une pression de 1,5 kg appliquée à l'oeillet, un brasage convenable a été accompli avec une impulsion électrique d'une durée de cinq périodes (un douzième de seconde). On a constaté que le brasage était amélioré en enduisant la base 42 avec une résine polyuréthane. D'autres résines d'imprégnation ou de revêtement donnaient également de bons résultats et permettaient un brasage sans carbonisation ou autre endommagement.
D'autres types de connecteurs peuvent également être prévus pour relier des composants ou conducteurs de circuits imprimés empilés, par exemple un connecteur de la forme indiquée à la fig. 10. Ce connecteur 50 peut consister en un petit disque de cuivre 51, d'un diamètre approprié, de l'ordre du diamètre de la barre 26 représentée à la fig. 6, et portant à ses extrémités opposées des revêtements 52 et 53 d'alliage de brasage à l'argent. Un bras 54, qui peut être recouvert d'un alliage de brasage du type indiqué ci-dessus ou ayant au moins
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à sa surface de dessous une mince couche d'un tel alliage, part latéralement du disque 51.
Pour établir la connexion entre le connecteur 50 et un conducteur 55 sur une base isolante 56, celle-ci peut être percée pour recevoir le disque 51, le connecteur étant placé de façon que le bras 54 appuie sur le conducteur 55. Une série de circuits peuvent être pourvus de connecteurs 50 à des endroits appropriés et, comme le montre la fig. 10, une colonne de connecteurs 50, 50' et 50" empilés peut servir pour établir une liaison entre le conducteur 55 et les conducteurs 57 et 58 de circuits imprimés superposés. Lorsque le dessus du disque supérieur 51 est touché par une électrode de la soudeuse, que le dessous du connecteur le plus bas 50" est touché par l'électrode inférieure de la soudeuse et qu'une pression est appliquée, les connecteurs 50, 50' et 50" se touchent.
A la suite du passage du courant de brasage, le métal de brasage qui en recouvre les extrémités fond, ce qui joint mécaniquement et électriquement ces connecteurs, tandis que l'alliage de brasage sur les bras 54 est fondu pour braser ces bras aux conducteurs 55, 57 et 58, établissant ainsi une connexion mécaniquement robuste et électriquement conductrice entre les divers conducteurs. Il va de soi que des variations sont possibles dans la forme et les dimensions des boutons ou disques 51 et des bras 54, pour les adapter à divers circuits. Ainsi, par exemple, en prévoyant des bras en forme de L au disque 51, on peut établir une connexion entre le connecteur 50 et un conducteur 55 qui ne s'étend pas radialement. On obtient ainsi une grande souplesse dans l'établissement de connexions dans des circuits de divers types.
D'autres variations de connecteurs sont naturellement possibles, par exemple des connecteurs sous forme de torons en cuivre et alliage de brasage à l'argent, torons en cuivre enrobés ou enrubannés d'alliage de brasage à l'argent. De même, mais moins convenablement, les conducteurs du circuit imprimé peuvent être plaqués ou recouverts d'une manière ou d'une autre d'une couche d'alliage de brasage à l'argent ou de couches de ces composants d'alliage qui, après chauffage, forment un joint par brasage ou diffusion avec une tige, un oeillet, un disque ou autre de connecteur nu.
Pour toutes ces connexions, en employant des types appropriés d'alliage de brasage et de bases isolantes en matières plastiques qui se vaporisent, au lieu de se carboniser, à la température de brasage, on peut obtenir de robustes et nettes connexions et des résultats convenables, de sorte qu'il ne se produit que peu de rebuts, voire aucun, même pour des modules ou circuits imprimés empilés les plus compliqués.
La présente invention permet ainsi la production de modules auxquels d'autres composants peuvent être aisément soudés, même avec des soudures à haute température ou avec des métaux de brasage d'une température plus basse que celles utilisées directement sur les connecteurs, sans provoquer d'interruptions ou autres endommagements des connexions déjà établies. De cette manière, des composants peuvent être ajoutés au circuit sans nécessiter l'attention et l'habileté qu'exigent des soudures ordinaires à bas point de fusion. Les produits finis sont beaucoup plus durables et beaucoup mieux capables de supporter des conditions de fonctionnement à des températures élevées, qui endommageraient ou détruiraient des modules fabriqués selon les anciennes techniques de soudage.