Brevet FR2067218A1 — publié le 19710820

La présente invention concerne un dispositif-permettant de rendre solidaires et de relier électriquement un cristal semiconducteur et un support par soudage quasi simultané de plages métalliques de contact portées par le cristal sur des plages métalliques de contact dudit support, ce dispositif comportant un outil de soudage disposé en regard d'un plateau maintenant le support, tandis que ledit outil et le plateau sont mobiles l'un par rapport 3 l'autre. On sait que ce mode de liaison directe entre plages de contact permet d'éviter des fils de liaison électrique fragiles et difficiles d mettre en place et à fixer entre ledit cristal et son support, au moins certaines plages de contact de ce dernier étant ultérieurement reliées aux moyens de connexion extérieurs du dispositif électronique comportant ledit cristal. Pour permettre un tel mode de liaison, tout en évitant que le cristal repose par la totalité de sa face portant des plages de contact sur ledit support (ce qui risquerait de provoquer des courts-circuits), le cristal semi-conducteur est généralement muni de plages de contact épaisses en or ou en aluminium, tandis que les plages de contact du support sont minces. Toutefois, il reviendrait au meme à cette fin que les plages de contact du cristal soient minces et celles du support épaisses, ou que toutes les plages de contact soient épaisses. Dans la mise en oeuvre de ce mode de liaison directe entre plages de contact du cristal et de -son support, il est difficile de souder toutes les plages de contact d'un même cristal sur celles du support correspondant, soit simultanément, soit successivement mais rapidement, tout en maintenant une pression égale, durant le soudage, entre chaque couple de plages qui se correspondent, afin d'obtenir, pour l'ensemble des soudures, une égale homogénéité quelles que soient la planéité du support, celle du cristal et l'épaisseur desdites plages de contact. On sait également que de tels soudages sont générale- ment réalisés par la mise en oeuvre d'appareillages de thermocompression ou d'ultra-sons et que ces appareillages présentent des inconvénients. Ën effet, ils nécessitent, pour obtenir de bons résultats, un alignement parfait de l'outil de soudage et des plages de contact, et ils ne permettent pas de compenser des différences de parallélisme entre le cristal et son support ou des différences, même légères, d'épaisseur des plages épaisses, entraînant ainsi une qualité très inégale des soudures. De plus, dans le cas particulier de la technique des ultra-sons, cette dernière peut provoquer des dislocations dans la structure du cristal semi-conducteur. Afin de remédier à ces inconvénients, on a déjà propose un dispositif de soudage par thermocompression dans lequel le plateau sur lequel repose le support est soumis à un mouvement tel que la normale en son centre soit soumise à une oscillation approximativement circulaire, tandis que l'outil de thermocompression, conformé en pipette afin de pouvoir porter le cristal semi-conducteur lorsque l'on crée une dépression è l'intérieur, ne peut se déplacer que parallèlement et perpendiculairement au support, dans sa position moyenne, pour amener le cristal audessus de ce dernier et l'y déposer. Ce dispositif, décrit dans le compte rendu de 1'Inter- national electronic circuit packaging symposium de 1968, nécessite un appareillage encombrant, complexe et précis; En effet, le plateau portant le support pour le cristal est solidaire d'une demi-sphère logée dans une cavité prévue à cet effet et munie d'une pluralité de billes permettant à ladite demi-sphère de pivoter sans frottement trop important. Le mouvement est assuré par trois billes pouvant tourner librement dans un logement pré vu à cet effet à ltextrémité de trois tiges métalliques dont deux sont fixées rigidement à un bâti, la troisième pouvant glisser à travers ledit bâti tout en étant soumiseà l'effet d'un ressort de compression.Cet ensemble, encombrant en raison du nombre de pièces nécessaires à son fonctionnement, exige un réglage précis, donc difficile, pour que le mouvement soit celui que l'on désire sans que la sphère ne sorte de sa cavité et pour maintenir constante la pression exercée par le plateau sur le cristal à souder maintenu en position par succion sur l'outil de thermocompression, cette pression étant liée à la tension de nombreux ressorts utilisés et, en particulier, du ressort de compression. De plus, dans de telles conditions, il est difficile de chauffer le plateau. Enfin, la seule surface utile d'un tel ensemble de dimensions relativement importantes reste celle située au voisinage du centre-du plateau. La présente-invention remédie auxinconvénients de ce dispositif connu et a pour objet de permettre un soudage rapide et homogène de tous les couples de plages de contact qui se correspondent. Selon la présente invention, le dispositif permettant de rendre solidaires et de relier électriquement un cristal semi-conducteur et un support par soudage quasi simultané de plages métalliques de contact portées par ce cristal sur des plages métalliques de contact dudit support, ce dispositif comportant un outil de soudage disposé en regard d'un plateau maintenant le support, tandis que ledit outil et le plateau sont mobiles l'un par rapport à l'autre, est caractérisé en ce qu'il comporte, ledit plateau étant fixe, des moyens pour entraîneur ledit outil de soudage dans un mouvement de nutation autour d'un axe sensiblement orthogonal audit plateau, l'angle formé entre cet axe et celui de l'outil étant tel que, au cours d'une révolution de l'outil, les différents couples de plages associées soient soumis à une pression sensiblement égale. Ainsi, il est possible de presser successivement, mais presque instantanément, les différentes plages de contact du cristal sur celles du support qui leur correspondent, en remédiant aux inconvénients précités de défauts de planéité du support et du cristal et des variations d'épaisseur des plages de contact. De plus, le dispositif conforme à l'invention présente l'avantage d'être simple tant du point de vue réalisation ou réglage que du point de vue fonctionnement. En effet, au contraire du plateau qui est une pièce encombrante et lourde, l'outil de soudage est toujours très léger : en conséquence, sa mise en mouvement ne nécessite pas la mise en oeuvre de moyens mécaniques importants et complexes. Avantageusement, le plateau étant sensiblement horizontal, ledit outil est monté coulissant dans une direction, voisine de la verticale, afin de pouvoir presser le cristal contre le support sous l'action de son propre poids. Ainsi, il est facile d'agir sur la pression exercée sur le cristal à souder car cette pression est uniquement liée au poids de l'outil, poids que l'on peut réduire ou augmenter à volonté d'une manière précise, cette pression ne dépendant plus, comme dans le dispositif connu mentionné ci-dessus,d'une tension de ressorts toujours susceptibles de perdre de leur efficacité après un certain nombre d'efforts. En outre, le plateau sur lequel est disposé le support mince peut être chauffé plus facilement puisqu'il reste fixe, tandis que sa surface utile, ne dépendant que de l'outil de soudage qui peut, de préférence, se déplacer parallèlement à lui, ne se trouve donc plus limitée à sa région centrale. Avantageusement, les moyens pour entraîner l'outil de soudage en nutation comprennent un disque-rotatif entraînant en rotation une tige excentrée reliée à l'outil par un joint universel, par exemple une rotule. Afin de permettre un réglage rapide et simple de l'angle de nutation de l'outil et de la pression entre les plages métalliques du cristal et du support qui se correspondent, un porteoutil est supporté par un élément mobile solidaire, en translation verticale, dudit disque rotatif, et peut coulisser par rapport à cet élément et s'incliner lorsque le cristal arrive en butée sur le support en étant guidé par le coulissement de ladite tige, soit par rapport au disque, soit par rapport au joint universel. A cet effet, ledit élément mobile peut être une plaque percée d'un orifice à bords coniques dans lequel est engagée la portion effilée du porte-outil pour l'outil de soudage, ladite portion effilée étant raccordée à une portion de plus grand diamètre dudit porte-outil par une partie conique coopérant avec lesdits bords coniques, tandis que le joint universel peut être une rotule sphérique percée d'un orifice diamétral dans lequel coulisse ladite tige. De préférence, l'outil de soudage est un outil de thermocompression conformé pour pouvoir prendre et transporter le cristal par succion. A cet effet, ladite plaque mobile portant l'outil, outre le mouvement de translation qui vient d'être mentionné, peut se déplacer parallèlement au plateau portant le support pour le cristal. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en perspective du dispositif de soudage conforme à l'invention. La figure 2 est une coupe axiale de ce dispositif. Il est à noter que, sur les figures, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Le dispositif d'axe sensiblement vertical, montré par les figures 1 et 2 dans une position pour laquelle un cristal semi-conducteur est amené au-dessus de son support, comprend un outil de soudage par thermocompression 1, traversé axialement par un canal la et muni de spires chauffantes 2 reliées à un générateur d'électricité non représenté sur les figures. Cet outil de soudage est fixé à un porte-outil 3 comprenant une extrémité effilée 4, par exemple emmanchée a conte dans un logement 5 prévu à cet effet dans l'outil 1, et un corps cylindrique 6 de plus grand diamètre raccordé à ladite extrémité effilée par un c8ne 7. Le porte-outil 3 est percé d'un canal 8 et il comporte une canalisation 9 pour mettre l'extrémité lc de l'outil 1 en liaison avec une pompe a vide (non représentée sur les figures) par l'intermédiaire du canal 8 et du canal la. Ainsi, on peut utiliser l'outil 1, non seulement pour le soudage par thermocompression, mais également pour la mise en place par succion des cristaux sur leur support. Un corps de pression cylindrique 10, servant, comme on le verra ci-après, à assurer par son poids la pression lors de la soudure, repose sur le porte-outil 3 et est centré par rapport à celui-ci au moyen d'un ergot 11. Le corps de pression 10, qui est amovible, peut, soit être plein, ses dimensions étant alors choisies pour que son poids corresponde à la pression à appliquer, soit comporter au moins un puits pour y disposer des poids supplémentaires, par exemple sous forme de billes d'acier ou de plomb, afin de régler la pression 3 la valeur désirée. Les moyens d'entraînement en nutation de l'outil 1 comprennent un anneau 12 reposant sur le corps de pression 10 et centré sur lui par des ergots 13, cet anneau étant rendu solidaire d'une rotule sphérique 14 maintenue dans un support 15 disposé dans l'anneau 12. La rotule 14 est percée, suivant un de ses diamètres, d'un trou dans lequel peut coulisser une tige 16 dont une extrémité est fixée rigidement, par exemple par emmanchement à force, dans un trou percé dans un disque 17 solidaire de l'arbre 18 d'un moteur tournant à vitesse réduite et non représenté sur la figure. L'axe du trou percé dans le disque 17 fait un angle aigu avec l'axe du dispositif, par exemple 300, ladite tige 16 étant, par exemple, disposée dans un plan axial du disque 17. Les mouvements de translations verticale et horizontale du dispositif sont assurés par une plaque mobile 19 qui est solidaire en translation du disque 17 et de son moteur d'entraînement et qui porte l'outil 1, le porte-outil 3 et le corps cylindrique 10. Cette plaque 19 comporte une pièce annulaire rapportée 20, en métal très dur, a bords internes 26 coniques et à travers laquelle passe l'extrémité effilée 4 du porteoutil, celui-ci reposant par son cône 7 sur lesdits bords inter- nes 26 de l'anneau 20. Afin de rendre solidaire par soudage un cristal semiconducteur 21 sur un support 22 sensiblement horizontal, lui-même disposé sur une plaque chauffante 23, on commence par amener ledit cristal en regard du support et, en particulier, on met en regard les plages métalliques épaisses 24 du cristal 21 et les plages métallisées 25 du support 22 ; à cette fin, on utilise l'outil de thermocompression comme pipette à dépression pour saisir, transporter et déposer le cristal 21, les mouvements dudit outil étant commandés par la plaque 19. On fait descendre lentement le dispositif montré par les figures en direction du support 22 par abaissement de la plaque 19 etdu disque 17. Dès que la plage 24 la plus épaisse entre en contact avec la plage 25 correspondante, le mouvement de descente de la plaque 19 et du disque 17 se poursuivant, l'axe de l'ensemble 1-6-10 s'incline par rapport à la verticale, ledit ensemble étant guidé dans cette inclinaison par la coopération de la tige coulissante 16 avec la rotule 14. On arrête alors la descente de la plaque 19 et du disque 17. L'inclinaison de l'axe de l'ensemble 1-6-10 par rapport à la verticale ne dépend que de la distance dont on abaisse la plaque 19 et le disque 17 à partir du moment où la plage 24 la plus épaisse touche le support 22. Après coupure de la liaison avec la pompe à vide, l'outil 1 étant chauffé à l'aide des spires 2 et le plateau 23 à l'aide d'un dispositif non représenté sur les figures, on met en rotation le moteur solidaire du disque 17. Celui-ci, par l'intermédiaire de la tige 16 et de la rotule 14, imprime à l'outil 1, porté à la température appropriée, un mouvement de nutation autour de l'axe vertical. Ceci permet une soudure homogène et quasi simultanée de toutes les plages épaisses 24 du cristal 21 sur les plages métallisées 25 du support 22 puisque, à chaque tour de l'arbre 18, chaque plage 24 est sensiblement pressée de la même façon que les autres contre la plage 25 qui lui correspond, la pression nécessaire au soudage par thermocompression étant fournie notamment par le corps 10. La pratique a montré qu'il était avantageux de soumettre le cristal 21, pour un soudage, à plusieurs tours de l'arbre 18. Le dispositif conforme à l'invention présente l'avanta ge d'être simple à réaliser et à régler. En effet, il est formé par un empilage de pièces centrées les unes par rapport aux autres dans lequel n'intervient aucun élément élastique, tel que ressort, toujours sujet à allongement et à déformation au fur et à mesure de son usure. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif permettant de rendre solidaires et de relier électriquement un cristal semi-conducteur et un support par soudage quasi simultané de plages métalliques de contact portées par ce cristal sur des plages métalliques de contact dudit supports ce dispositif comportant un outil de soudage disposé en regard d'un plateau maintenant ledit support, tandis que ledit outil et le plateau sont mobiles l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte, ledit plateau étant fixe, des moyens pour entraîner ledit outil de soudage dans un mouvement de nutation-autour d'un axe sensiblement orthogonal audit plateau, l'angle formé entre cet axe et celui de l'outil étant tel que, au cours d'une révolution de l'outil, les différents couples de plages associées soient soumis à une pression sensiblement égale. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le plateau étant sensiblement horizontal, ledit outil est monté coulissant dans une direction voisine de la verticale afin de pouvoir presser le cristal contre le support sous l'action de son propre poids. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner l'outil de soudage en nutation comprennent un disque rotatif solidaire en rotation d'une tige excentrée par rapport à laquelle outil est guidé par un joint universel. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'outil est supporté par un élément mobile solidaire en translation verticale dudit disque rotatif, et par rapport auquel il peut coulisser et s'incliner lorsque le cristal arrive en butée sur le support, en étant guidé par le coulissement de ladite tige, soit par rapport au disque, soit par rapport au joint universel. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le joint universel comporte une rotule sphérique percée d'un trou diamétral dans lequel coulisse ladite tige. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément mobile est une plaque percée d'un orifice à bords coniques dans lequel est engagée la portion effilée d'un porteoutil porteuse de l'outil de soudage, ladite portion effilée étant reliée à une portion de plus grand diamètre dudit porteoutil par un cône s'appuyant sur lesdits bords coniques. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tige est disposée dans un plan diamétral du disque rotatif. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil de soudage est un outil de thermocompression. 9. Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que l'outil de soudage est conformé en pipette de préhension et de transport par succion du cristal, l'élément mobile et le disque rotatif pouvant être déplacés en translation horizontale. 10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la tige fait un angle d'environ 600 avec le plan dudit disque. 11. Dispositif selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce quef entre la portion de grand diamètre du porteoutil et le joint universel, est disposé un corps de pression dont le poids est choisi pour exercer la pression désirée sur les plages de contact qui se correspondent.