Brevet FR2002016A1 — publié le 19691003

i 2002016 L'invention est relative au traitement mécanique des semi-conducteurs et concerne plus particulièrement un dispositif permettant de souder par ultrasons, sur les conducteurs d'un substrat, les conducteurs de connexion faisant saillie 5 hors d'un microsemiconducteur, ce dispositif comportant une électrode de soudage qui est mobile par rapport à une surface de travail et qui est agencée dans un support relié à un générateur d'ultrasons. A l'heure actuelle, des grands nombres d'éléments 10 semi-conducteurs peuvent être diffusés dans un même disque semiconducteur. Ensuite, ces éléments sont séparés l'un de l'autre soit par décapage soit par entaillage et rupture du disque, de sorte qu'on obtient un grand nombre d'éléments semiconducteurs distincts dont chacun présente par exemple une 15 surface de 200 x 200 V- et une épaisseur de 100 F- • Chaque élément semi-conducteur ainsi obtenu peut remplir une fonction 2?lus ou moins compliquée. Dans la suite de cet exposé, ces petits éléments de matériau semi-conducteur sont désignés sous le nom de microsemiconducteurs. Il va de soi que ces microsemi-20 conducteurs sont trop petits pour être utilisés directement, et que chacun d'eux doit être fixé soit sur un substrat portant un circuit affectant la forme de couches minces pour faire partie ainsi dlun circuit dit hybride, soit sur un corps ou substrat plus grand présentant des fils d'alimentation solides ; de cette 25 façon, les microsemiconducteurs peuvent être mis sur le marché comme produit utile. Dans les deux cas, on est confronté avec le problème de la manipulation des microsemiconducteurs. Lors de cette manipulation, il est très intéressant d'utiliser des éléments semi-conducteurs désignés sous l'appellation anglo-30 saxonne "beam-lead-semiconductors." » Ce terme désigne des éléments dont les conducteurs de connexion du microsemiconductëur (par exemple ceux connectant la base, l'émetteur, le collecteur) ne se trouvent pas entièrement sur le microsemiconducteur lui- I même, nais en sortent partiellement sous forme de petits 35 barreaux. Ces barreaux peuvent alors être positionnés et soudés directement aux conducteurs correspondants du substrat par exemple à l'aide d'une électrode de soudage par ultrasons. On élimine ainsi l'emploi de minces fils d'or faisant office de conducteurs intermédiaires. Etant donné que les barreaux 40 font saillie hors du microsemiconducteur, on peut, pendant 69 03435 2 2002016 que l'on est occupé à positionner les microsemiconducteurs, voir directement les conducteurs qui entrent en contact, sans devoir recourir à l'emploi d'appareils de détection par infrarouge et autres appareils. Toutefois, la manipulation et le 5 soudage des microsemiconducteurs hors desquels font saillie les conducteurs de connexion restent des opérations qui ne sont pas faciles. Pour obtenir un dispositif permettant de positionner et de fixer les microsemiconducteurs, le dispositif conforme 10 à l'invention est caractérisé en ce que l'électrode de soudage présente une ouverture dans laquelle peut coulisser une aiguille creuse, des moyens étant prévus pour mouvoir vers l'extérieur une extrémité de l'aiguille creuse sur une distance réglable, ladite extrémité s'engageant dans l'électrode de soudage sous 15 l'influence d'une force agissant dans le sens opposé à celui dans lequel agissent lesdits moyens, alors qu'à côté de ladite ouverture d'électrode est agencée au moins une pointe de soudage et que du côté d'aiguille opposé à cette pointe, l'aiguille creuse communique avec une enceinte dans laquelle 20 peut être engendrée une dépression, de sorte que l'extrémité saillant hors de l'électrode de soudage, forme une électrode suceuse pouvant soulever un microsemiconducteur. Sur les dessins annexés ï La figure 1a montre un dispositif dans lequel on 25 utilise une électrode de soudage conforme à l'invention. La figure 1b montre en détail l'électrode de soudage. La figure 2a montre un substrat portant un certain nombre de microsemiconducteurs suivant la figure 2b. 30 La figure 2b montre en perspective un microsemi— conducteur hors duquel font saillie quatre conducteurs de connexion. La figure 3 montre en perspective un bâton de microsemiconducteurs convenant particulièrement pour être trai-35 té ^dir l'électrode de soudage. La figure 4- est -une perspective illustrant en détail un exemple d'un dispositif automatique utilisant l'électrode de soudage.conforme à l'invention. La figure 5 montre une variante de l'électrode 4-0 de soudage conforme à l'invention. 69 03435 3 2002016 Sur les figures 1a et 1b, l'électrode de soudage 1 a la forme d'un cylindre creux et est serrée dans un bras de levier 2 pivotant autour d'un axe 3 solidaire d'une partie immobile non représentée du dispositif* Le bras 2 est couplé 5 avec un générateur d'ultrasons 4- susceptible d'engendrer une vibration dans le sens des deux flèches représentées dans ce générateur, ainsi qu'avec un contrepoids 5 et une plate-forme 6 portant le boîtier 16 dans lequel existe une enceinte à vide 7* Tous ces éléments peuvent pivoter autour de l'axe 3« La rotation 10 d'une came 8 permet de mouvoir l'électrode de soudage —sous l'influence du contrepoids 5- vers une surface de travail 11. L'enceinte 7 est reliée à un tuyau 9 qui communique avec un dispositif susceptible d'engendrer une dépression dans ladite enceinte 7* Hors de l'électrode de soudage fait saillie un 15 corps 12 réalisé en matériau constituant généralement les pointes des électrodes de soudage par ultrasons. Ce matériau est souvent du corindon - une espèce de AlgO^ ~ Présentant -une conductibilité électrique tr.ès médiocre. Le corps 12 a la forme d'un cylindre qui se termine par un cône tronqué muni d'une 20 gorge, de sorte que de part et d'autre sont formées deux pointes de soudage 13 et 14. Le corps 12 est muni d'un creux dans lequel une aiguille creuse 15 peut coulisser vers le haut et vers le bas. L'une des extrémités de l'aiguille 15 sort de la pointe de l'électrode de soudage, alors que l'autre extrémité de 25 l'aiguille est serrée dans le boîtier '16 entourant l'enceinte 7 dans laquelle cette extrémité débouche. Le boîtier 16 peut coulisser dans une ouverture pratiquée dans la plate-forme 6. Dans la position représentée sur la figure 1a, la face de butée 17 du boîtier 16 repose sur la plate-forme 6. A l'aide d'un 30 premier organe de manoeuvre non représenté, l'enceinte 7 peut être mise en communication avec le dispositif destiné à engendrer la dépression, de sorte que ce dernier peut pratiquer le vide dans cette enceinte 7 qui peut également être mise en communication avec l'air-atmosphérique à l'aide du même organe 35 de manoeuvre. Dans une position de cet organe, une dépression règne donc à l'intérieur de l'aiguille 15» -A- l'aide d'un autre • organe de manoeuvre non représenté, on règle la position angulaire de la came 8, c'est-à-dire la hauteur de la pointe de l'électrode de soudage par rapport à la surface 11. L'endroit 40 où l'aiguille 15 vient en contact avec cette surface 11 est 69 03435 4 2002016 maintenu dans le champ visuel d'un microscope, et ceci est très facile étant donné que l'aiguille est mince. A l'aide d'un micromanipulateur non représenté, la surface de travail 11 peut être glissée sur un plateau immo— 5 "bile 10. Sur cette surface, 11 on a représenté également le substrat 18 sur lequel les microsemiconducteurs doivent être soudés, ainsi que le substrat 19 sur lequel ces microsemiconducteurs sont placés librement l'un à côté de l'autre, (voir la figure 2a). Les microsemiconducteurs sont du type "beam— 10 lead" (voir la figure 2b), c'est-à-dire que les conducteurs connexion en font saillie sous forme de barreaux 20. Le dispositif fonctionne comme suit. Le substrat 19 est glissé sous l'électrode de soudage» En regardant dans le microscope, on amène ensuite, à l'aide du micromanipulateur et 15 de l'organe servant à manoeuvrer la came 8, la pointe de l'aiguille creuse 15 jusqu'au-dessus d'un des microsemiconducteiaîS sur le substrat 19» Par l'action du premier organe de manoeuvres le microsemiconducteur est aspiré et se place contre la pointe de l'aiguille 15, l'électrode de soudage étant ensuite soulevée. 20 On éloigne ensuite le substrat 19 sous l'électrode, et on y amène ensuite le substrat 18. A l'aide du microscope, de la came 8 et du micromanipulateur, le microsemiconducteur adhérant à la pointe d'aiguille, est posé de manière précise sur l'endroit de substrat où les barreaux 20 devront être soudés sur 25 ce substrat 18. L'organe pour manoeuvrer la came 8 permet ensuite de tourner celle-ci davantage, de sorte que le système entier pivotant autour de l'axe 5, s'incline davantage sous l'effet du contrepoids•5, et ne repose donc plus sur la came 8 mais sur la pointe de l'électrode. L'aiguille 15 glisse ainsi dans l'électro 30 de de soudage et du fait que l'aiguille est serrée dans le boîtier 16, ce dernier se soulève de la plate-forme 6. Le système repose alors finalement sur les pointes 13 et 14, et ce de manière telle que ces pointes reposent alors, avec une tension réglée au préalable à l'aide du contrepoids 5, sur les 35 barreaux 20 faisant saillie hors du microsemiconducteur. Le générateur 4 est ensuite mis en action, et les conducteurs 20 sont donc soudés sur les conducteurs du substrat 18. Enfin, à l'aide dudit premier organe de manoeuvre, on met fin à la succion exercée par l'aiguille 15 et on fait tourner la came 8 40 à l'aide du deuxième organe de manoeuvre. L'électrode se soulève 69 03435 5 2002016 ainsi et lâche donc le microsemiconducteur» Pendant ce mouvement, l'aiguille 15 sort à nouveau de l'électrode de soudage sous l'influence du poids du "boîtier 16. Grâce à la face de butée 1?j l'aiguille ne sort alors pas plus que nécessaire de 5 l'électrode. Le dispositif suivant la figure 1 est un exemple montrant la façon dont l'électrode de soudage peut être utilisée de façon efficace. Un dispositif dans lequel on utilise une électrode de soudage conforme à l'invention, comportera donc une 10 surface de travail sur laquelle peuvent se déplacer les substrats portant les microsemiconducteurs. La position relative entre cette surface de travail et l'électrode de soudage agencée au-dessus de celle-ci, pourra donc toujours être commandée par un certain nombre d'organes de manoeuvre, 15 mais il est essentiel que le mouvement relatif de la surface de travail dans la direction suivant laquelle l'aiguille creuse peut glisser dans l'électrode ou en sortir, soit commandé par un seul organe de manoeuvre, les autres organes de manoeuvre n'influençant que le mouvement dans le plan perpendiculaire à 20 l'aiguille. Il n'est pas nécessaire que ce plan de mouvement soit parallèle au plan de la surface de travail. On peut réaliser des dispositifs plus ou moins automatisés dans lesquels les" mouvements et les opérations sont commandés par un programme, sans aide d'une personne intermédiaire. S'il en est ainsi, 25 on est confronté avec le problème de la précision du positionnement des substrats sur lesquels il y a lieu de souder les microsemiconducteurs, et surtout la précision du positionnement des microsemiconducteurs fournis au dispositif. On conçoit que surtout en cas d'un dispositif plus ou moins automatisé, il 30 faut que les microsemiconducteurs soient au préalable positionnés de façon très précise sur le substrat alimentateur 19 (voir la figure 2a). Il est d'ailleurs nécessaire qu'avant ce positionnement, les microsemiconducteurs soient déjà testés et trouvés aptes à l'emploi. Ceci ne constitue aucun problème, 35 car comme il ressortira de l'exemple suivant la figure 4, le programme imposé au dispositif peut encore comporter un test. La difficulté consistant à positionner les micro-semiconducteurs ne se pose pas lorsque ces derniers sont fournis sous forme d'un bâton de microsemiconducteur, tel 40 celui illustré sur la figure 3» Ces bâtons sont obtenus du 69 03435 6 2002016 fait que dans un disque, les éléments semi-conducteurs sont diffusés suivant des rangées et des colonnes ; au lieu de pratiquer ensuite des entailles de nature à pouvoir séparer par rupture chaque élément voisin d'un autre, on sépare 5 l'une de l'autre seulement les rangées de l'ensemble grâce à une opération de décapage, réduisant aussi fortement la résistance de la rupture des éléments d'une même rangée» Les éléments formant un bâton sont de ce fait encore reliés l'un à l'autre, soit par le silicium subsistant après le déca-10 page, soit par un barreau de métal ou par une structure de métal, agencés au préalable à la surface du disque et que le décapage n'a pas fait disparaître. La figure 4 montre un détail d'une partie d'un dispositif automatisé. Sur le plateau immobile 10, la surface 15 de travail 11 peut être déplacée uniquement dans le sens des deux flèches repérées par 21. Dans une gorge d'une plaque 22, un bâton de microsemiconducteurs 23 est fourni à un côté de la surface de travail 11 jusqu'à ce que le premier microsemi— conducteur 24 du bâton 23 ait dépassé le bord 25 de ladite 20 plaque 22. Sous ce microsemiconducteur est agencé un substrat de mesure 26 présentant un certain nombre de conducteurs isolés 27 qui, à l'aide d'un fil de connexion (non représenté), sont reliés à un appareil testeur fournissant l'information si l'élément à traiter convient ou non. Par rapport au bord 25 25 de la plaque 22, le substrat de mesure 26 est agencé tel que lorsque, sous l'effet d'une force exercée sur le microsemi-conducteur 24, ce dernier est détaché du bâton auquel il appartient, le microsemiconducteur détaché parvienne immédiatement à l'endroit exact sur le substrat de mesure. Par ailleurs, une 30 bande de verre 28, se déplaçant dans le sens de la flèche indiquée par 29, est fournie à la surface de travail 11. Cette bande 28 est munie de configurations identiques régulièrement espacées obtenues par du matériau conducteur déposé par évaporation. La bande 28 avance pas à pas, de sorte qu'à 35 chaque pas, une configuration se trouve sous l'électrode de soudage. Un certain nombre de fils d'alimentation solides peuvent être fixés à chaque configuration, de sorte qu'après la fixation d'un microsemiconducteur, le recouvrement de résine synthétique et la séparation des configurations entre elles, 40 on peut obtenir des produits fins utiles. A côté de la partie 69 03435 7 2002016 de bande de verre où a lieu l'opération de soudage par ultrasons, on a prévu une ouverture 30 dans laquelle l'électrode de soudage 1 peut laisser tomber un microsemiconducteur défecteux pouvant être aspiré par exemple vers un bac à déchets. 5 L'électrode de soudage 1 est de mime type que celle décrite dans l'exemple précédent, et comporte le corps en corindon 12 que traverse l'aiguille 15« On. n'a plus représenté le mécanisme permettant de mouvoir vers le haut et vers le bas l'électrode de soudage ainsi que l'aiguille. La surface de 10 travail 11 peut se déplacer dans le sens des flèches répérées par 21, et être arrêtée de façon très précise en trois endroits déterminés suivant l'avancement du programme, ces endroits étant : là ÇÙ l'aiguille se trouve au-dessus du microsemiconducteur 24 devant être détaché du bâton 23, au-dessus 15 du lieu où le microsemiconducteur doit être soudé sur la bande de verre 28, et au-dessus de l'ouverture à déchets 30. Au début du programme, l'électrode de soudage se trouve au-dessus du microsemiconducteur 24, les opérations suivantes étant ensuite effectuées automatiquement î 20 - l'électrode de soudage 1 descend, ce qui donne lieu à ce que le microsemiconducteur 24 se détache du bâton 23 et est placé sur le substrat de mesure 26, alors que sous l'effet de la force transmise à la pointe de l'électrode, l'aiguille glisse dans celle-ci et le corps en corindon 12 applique les 25 conducteurs de connexion du microsemiconducteur contre les conducteurs 27 sur le substrat de mesure} — le microsemiconducteur est testé (le corindon n'est pas conducteur) et la succion est établie dans l'aiguille^ — l'électrode de soudage 1 se soulève, aspire le 30 microsemiconducteur 24 et l'emporte. Deux cas peuvent se présenter : le microsemiconducteur peut convenir à l'emploi ou non. 1 - Lorsque le microsemiconducteur convient à l'emploi : — la surface de'travail 11 se déplace et s'arrête 35 lorsque l'aiguille 15 se trouve au-dessus de l'endroit ou les conducteurs de connexion du microsemiconducteur doivent être soudés sur la bande de verre, (position illustrée sur la figure 4). La bande 23 avance d'un pas. — l'électrode de soudage 1 descend ce qui donne lieu 40 à ce que le microsemiconducteur est placé sur la bande de 69 03435 8 2002016 verre (28), l'aiguille glisse dans l'électrode de soudage et le corps en corindon 12 applique les "barreaux de contact contre les conducteurs correspondants sur la bande de verrez - le générateur fournissant les vibrations ultra- 5 sonores est mis en action et l'effet de succion dans l'aiguille est arrêté ; - l'électrode de soudage 1 remonte ; - la surface de travail 11 se déplace et s'arrête dans sa position de départ, la bande de verre avançant d'un 10 pas. 2 - Par contre, lorsque le microsemiconducteur ne convient pas à l'emploi ï - la surface de travail 11 se déplace et s'arrête à l'endroit où l'aiguille se trouve au-dessus de l'ouver- 15 ture 305 - l'effet de succion dans l'aiguille est arrêté, de sorte que le microsemiconducteur tombe dans l'ouverture | - la surface de travail 11 reprend sa position de départ. 20 le problème consistant à positionner les microsemi— conducteurs fournis au dispositif est donc résolu grâce à l'emploi d'un bâton de microsemiconducteurs. Indépendamment de cette solution et de l'automatisation du dispositif, on a, comparativement à l'exemple précédent, encore obtenu la 25 possibilité d'effectuer les tests à l'aide du même appareil avec lequel sont soudés les conducteurs de connexion des microsemiconducteurs, de sorte que dans un seul appareil, chaque microsemiconducteur doit être manipulé une seule fois pour être testé et soudé. 30 L'explication des différentes opérations à effectuer illustre clairement l'avantage de l'invention î grâce à une électrode de soudage dont la pointe est munie d'une aiguille suceuse pouvant glisser dans l'électrode et en sortir, le nombre maximal des opérations de positionnement est limité 35 à trois î une opération pour soulever le microsemiconducteur, une opération pour le tester, et une opération pour le placer sur le substrat à couches minces. Lorsque les microsemiconducteurs sont testés et soudés séparément, le nombre d'opérations de positionnement est beaucoup plus grand : les microsemiconducteurs doivent être placés sur un bloc de mesure, un 40 69 03435 9 2002016 repère doit être apporté sur les microsemiconducteurs défectueux, les microsemiconducteurs doivent être soulevés et soudés sur le substrat à couches minces, et les pointes de soudage mises en place. 5 L'emploi du dispositif conforme à l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit. La foce obligeant l'aiguille à sortir de l'électrode de soudage ne doit pas nécessairement provenir de la force de pesanteur, mais peut être fournie également par élasticité ou par une pression d'air, alors que 10 pour obtenir l'effet de succion, il est suffisant que le creux dans l'aiguille communique avec une enceinte dans laquelle règne une dépression. Il se peut également que le corps en corindon se présente sous forme de plusieurs petits blocs dont chacun peut venir en contact avec un des barreaux formant contact, 15 et former ainsi chacun une pointe de soudage. D'autres matériaux conviennent également, mais lorsque l'électrode de soudage est utilisée pour l'application contre un substrat de mesure, il faut que le matériau utilisé soit électriquement isolant. Il est possible par exemple d'utiliser ainsi une électrode de 20 soudage représentée sur.la figure 5, cette électrode étant serrée également dans un corps que peut mettre en vibration le1 générateur d'ultrasons. Lors de la pression effectuée sur l'aiguille , celle-ci glisse dans l'électrode de soudage ce qui entraîne un ressort 31 qui est comprimé par un cône 32,solidaire 25 de l'aiguille. La tension du ressort 31 est réglée par la profondeur sur laquelle un bouchon 33 est enfoncé ou vissé dans le creux de l'électrode. L'aiguille traverse une ouverture dans ce bouchon et débouche dans -une enceinte 34- qu'un tuyau 35 relie à une enceinte dans laquelle règne une dépression. Au 30 bas de l'électrode de soudage, autour de l'ouverture dans laquelle l'aiguille peut glisser, on a fixé deux pointes de soudage 36 et 37» Lorsque l'électrode de soudage est réalisée en variante d'un de ces exemples, il y a lieu de prendre soin que la construction soit> telle que 1-es constituants d'électrodes 35 eux-mêmes ne puissent être soudés l'un à l'autre par ultrasons. Ce contact par soudage peut être évité si l'on fait le nécessaire pour que les contacts de surface soient le moins possible parallèles à la direction de vibration, et aient une grande surface, de sorte que la pression de contact peut se répartir 40 sur la surface entière. 69 03435 10 2002016 Les microsemiconducteurs peuvent également avoir une forme autre que celle illustrée sur la figure 2b..Moyennant une réalisation appropriée des pointes de soudage, du substrat de mesure et du substrat sur lequel le microsemi-5 conducteur est soudé, d'autres formes de microsemiconducteurs conviennent également. Toutefois, il est essentiel que les conducteurs de connexion fassent saillie hors du microsemiconducteur et que ce dernier ait une surface supérieure relativement lisse pouvant subir efficacement l'effet de succion 10 de l'aiguille. 69 03435 n 2002016 REVENDICATIONS 1•— Dispositif permettant de souder par ultrasons sur les conducteurs d'un substrat les conducteurs de connexion faisant saillie liors d'un microsemiconducteur, ce dispositif 5 comportant une électrode de soudage qui est mobile par rapport à une surface de travail et qui est agencée dans un support relié à un générateur d'ultrasons, caractérisé en ce que l'électrode de soudage présente une ouverture dans laquelle peut coulisser une aiguille creuse, des moyens étant prévus 10 pour mouvoir vers l'extérieur une extrémité de l'aiguille creuse sur une distance réglable, ladite extrémité s'engageant dans l'électrode de soudage sous l'influence d'une force agissant dans le sens opposé à celui dans lequel agissent lesdits moyens, alors qu'à côté de ladite ouverture d'électrode est 15 agencée au moins une pointe de soudage et que du côté d'aiguille opposé à cette pointe, l'aiguille creuse communique avec une enceinte dans laquelle peut être engendrée une dépression, de sorte que l'extrémité saillant hors de l'électrode de soudage, forme une électrode suceuse pouvant soulever un 20 microsemiconducteur. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une surface de travail au-dessus de laquelle est agencée l'électrode de soudage, un premier organe de manoeuvre pour régler la distance de cette électrode par 25 rapport à ladite surface de travail dans la direction suivant laquelle l'aiguille glisse dans l'électrode, ainsi qu'au moins un organe de manoeuvre pour régler la position de l'électrode de soudage et de la surface de travail dans un plan perpendiculaire à ladite direction. 50 3.- Dispositif suivant revendication 2, caractérisé en ce que la surface de travail comporte un substrat de mesure dont des conducteurs, reliés à un appareil de mesure pour tester le microsemiconducteur à traiter, sont situés à la face supérieure du substrat dans une configuration qui 55 correspond au positionnement des conducteurs sur le microsemiconducteur. r 4.- Dispositif suivant revendication 2, caractérisé 69 03435 12 2002016 en ce que la surface de travail comporte -une plaque ali-mentatrice munie d'une gorge dans laquelle un "bâton de microsemiconducteurs peut être glissé jusqu'au-delà du "bord de cette plaque.