Brevet FR2611155A1 — publié le 19880826

Dispositif de soudage aux ultra-sons notamment pour des composants semi- conducteurs avec un guidage axial et radial de la tête de soudage rotative." L'invention concerne un dispositif pour mettre en contact des fils par ultra-sons, par exemple pour le soudage des pattes de composants semi- conducteurs, dispositif dans lequel une tête de souda- gequi se compose principalement d'un générateur d'ul- tra-sons avec une sonotrode et un mécanisme à pinces servant à faire avancer et à couper le fil est mobile verticalement dans la direction de l'axe de la sono- trode et est montée à rotation suivant un axe parallè- le à l'axe de la sonotrode et passant approximativement par la surface de soudage au pied de la sonotrode. Dans les dispositifs connus de soudage (mise en contact) de fils par ultra-sons, en général le fil arrive sur la surface de soudage par un perçage en biais dans la sonotrode, en étant fourni dans la direction longitudinale du générateur d'ultra- sons pour être soudé. Ce principe de travail habituel exige qu'avant l'exécution de chaque pontage par fil, on fasse coïncider la direction de liaison des deux points de raccordement avec la direction axiale du générateur d'ultra-sons. Pour cela, on règle dans la direc- tion appropriée soit le support du composant, soit une tête de soudage équipée du générateur d'ultra-sons. Dans les dispositifs automatiques, pour certains domai- nes d'application comme par exemple pour l'usinage de composants dits hybrides, il est avantageux de réaliser cela en réglant la tête de soudage. Les dispositifs connus de ce type comportent une tête de soudage suscep- tible de tourner autour d'un axe vertical passant appro- ximativement par la surface de soudage au pied de la sonotrode, tête qui peut en règle générale exécuter également un mouvement vertical. Tous les modes de réalisation connus comportent en outre un dispositif optique situé au voisinage de l'axe de rotation, et par lequel on peut visionner le composant à traiter, à l'aide d'une caméra vidéo sur un moniteur. Comme cela est connu en pratique et décrit dans le brevet U.S-A 42 39 144, on a un dis- positif dans lequel le guidage radial de la tête de soudage est assuré par un axe creux monté dans deux paliers radiaux, axe qui présente une entretoise diri- gée vers le bas. Sur cette entretoise est monté un chariot mobile verticalement dans des moyens de guida- ge à billes; ce chariot porte la tête de soudage proprement dite. Pour relier le chariot au moyen d'un en- traînement vertical, il est prévu une tige placée dans l'axe de rotation. Cette tige traverse le perçage cen- tral d'un goujon fixe qui pénètre par le haut dans l'arbre creux. Ce goujon comporte en outre un perçage excentré qui reçoit un système à lentilles fonction- nant comme objectif, ce système étant monté par en- dessous. L'inconvénient de ce mode de réa- lisation est que l'axe de l'objectif est relativement décalé par rapport à l'axe de rotation. Il en résulte des courses importantes entre la position d'observa- tion et la position de soudage pour le raccordement des composants. De plus, les paliers radiaux sont d'un diamètre relativement important, si bien que ces élé- ments ont un moment d'inertie important et le système optique doit avoir un diamètre relativement faible, ce qui ne permet pas d'utiliser un objectif habituel. En outre en pratique, on connait un dispositif dans lequel la tête de soudage est mon- tée fixe sur un ensemble formant un guidage radial et le moyen d'entraînement en rotation. Cet ensemble est fixé sur un chariot guidé verticalement et qui assure le déplacement vertical. L'inconvénient dans ce cas réside notamment dans la masse relativement importante qu'il faut déplacer verticalement, ce qui limite la vitesse de travail possible. La présente invention se propose de créer un dispositif de soudage (mise en contact) par ultra-sons, permettant d'augmenter la vitesse de travail pour la fabrication de liaisons de fils sou- dés aux ultra-sons à l'aide de dispositifs à fonction- nement automatique, comportant une tête de soudage rotative, tout en créant des conditions avantageuses de reconnaissances automatiques de la position des composants à traiter. Ainsi, l'invention se propose de créer un dispositif de soudage ou d'établissement de contact à rotation, avec un moyen de guidage axial et radial de la tête de soudage, rotative présentant une masse d'ensemble plus faible par rapport à celles des modes de réalisation connus pour les pièces mobiles verticalement ainsi qu'un couple plus réduit autour de l'axe de rotation. De plus, l'invention se propose de réaliser le dispositif de façon que le système optique puisse être constitué par un objectif de mi- croscope habituel, puissant, situé au voisinage de l'axe de rotation de la tête de soudage, cet objectif devant pouvoir se mettre automatiquement à la distance nécessaire pour donner une image précise, par rapport au plan des points de branchement sur le composant. Pour résoudre ce problème, l'in- vention a pour point de départ un dispositif de sou- dage ou de mise en contact de fils qui comporte une tête de soudage composée principalement d'un généra- teur d'ultra-sons avec une sonotrode et un mécanisme à pinces pour faire avancer et pour couper le fil. La tête de soudage est mobile verticalement par rap- port à l'axe de la sonotrode et peut tourner autour d'un axe pratiquement parallèle à l'axe de la sono- trode et passant par la surface de soudage au pied de la sonotrode. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type ci-dessus, caractérisé en ce que la tête de soudage est fixée sur la face frontale ln- férieure d'un manchon centré sur l'axe de rotation, manchon lui-même fixé dans une douille, une bride ser- vant à induire la course verticale étant fixée contre la face frontale supérieure de cette douille, la douil- le étant montée librement mobile dans la direction lon- gitudinale, sans jeu dans une cage de roulement à bil- les garnie de billes, dans la bague intérieure d'un palier radial réglable sans jeu et fonctionnant comme palier à billes incliné à deux rangées, et en ce que sur la face frontale inférieure de la bague intérieure est fixé un tambour pour recevoir les lignes d'alimen- tation électrique alimentant la tête de soudage et sur sa face frontale supérieure est fixé un pignon à courroie crantée et en ce qu'en outre un goujon est prévu de manière excentrée sur le tambour, deux galets portés par la tête de soudage s'appliquant contre ce goujon, un goujon étant prévu dans le pignon à courroie crantée et l'extrémité en gradins d'un levier maintenu en position axiale par rapport à l'axe de rotation par des ressorts pénètre dans la plage de mouvement du goujon, en ce qu'en outre une butée fixe est montée de manière telle que le mouvement de rotation du le- vier est limité de manière fixe dans une direction et en ce que le. manchon et la bride comportent un perçage excentré, parallèle à l'axe, perçage dans lequel est vissé dans sa partie inférieure un objectif de micro- scope. Le fonctionnement de la solution selon l'invention sera explicité ci-après. La bague intérieure du palier conique à billes à deux rangées, réglable sans jeu assure le guidage radial et en même temps il constitue un manchon de guidage d'un guidage longitudinal, con- centrique, le guidage longitudinal se composant de la bague intérieure du guidage radial constituant la douille extérieure, d'une douille intérieure dont les extrémités ou bords ont des cones intérieurs et avec interposition d'une cage à billes qui assure le gui- dage longitudinal sans jeu de la douille intérieure. La bride fixée au manchon sert à induire le mouvement vertical. La liaison de la tête de soudage fixée par le manchon dans le guidage longitudinal et le mouvement de rotation du guidage radial se font de façon que les galets prévus sur la tête de soudage s'appliquent de part et d'autre sur le goujon porté par le tambour et qui est parallèle à l'axe de rota- tion. La tête de soudage suit ainsi (indépendamment de sa position verticale instantanée) le mouvement de rotation du tambour fixé sur la bague intérieure du guidage radial. Pour avoir la position exacte- ment reproductible de l'objectif nécessaire dans la position de base de la tête de soudage, suivant un système de coordonnées x-y partant de l'axe de rota- tion, on limite par blocage le mouvement de rotation de la tête de soudage dans une direction. Pour cela, le goujon porté par le pignon à courroie crantée entraîne l'extrémité en gradins du levier maintenu par des ressorts dans la direction radiale par rapport à l'axe de rotation et pousse contre la butée fixe prévue dans ce sens de déplacement. Cette butée fixe se trouve ainsi en dehors de la plage de déplacement du goujon. Grâce à la disposition de l'ob- jectif de microscope, le réglage de la distance entre l'objectif et le composant se fait directement à l'aide de l'entraînement vertical commandé de la tête de soudage et pour cela aucun élément de guidage ou d'en- traInement complémentaire n'est nécessaire. Cette disposition permet en outre de prévoir l'axe de l'objectif à la distance minimale possible par rapport à l'axe de rotation; ainsi tout en utilisant un objectif de microscope habituel, on a un diamètre relativement faible pour le manchon logé dans le guidage longitudinal. L'extension radiale, fai- ble rendue ainsi possible du guidage longitudinal con- centrique permet en liaison avec la réalisation combi- née du guidage radiale et du guidage longitudinal, une réalisation de masse plus faible pour les pièces mobi- les verticalement par rapport aux réalisations connues ainsi qu'un moment d'inertie plus faible autour de l'axe de rotation de la tête de soudage. Suivant une caractéristique avan- tageuse de l'invention, le perçage parallèle à l'axe, excentré, du manchon reçoit un miroir semi-transparent incliné de 45 par rapport à l'axe du perçage et en ce que le manchon, la douille, la cage de roulement à bil- les, la bague intérieure ainsi que la bague extérieure du palier radial constituant un palier conique à billes à double rangée sont munis de perçages transversaux si- tués à la hauteur du milieu du miroir. Cela permet dans la position de base déterminante de la tête de soudage d'éclairer directement l'objet situé sous l'objectif de microscope à l'aide d'un dispositif d'éclairage situé à l'extérieur du palier radial. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les lignes d'alimentation électrique et un câble de traction sans action électrique, sont portés par deux zones du tambour séparées par un col- let, et sur un autre tambour monté à rotation dans le dispositif, en y étant fixéschaque fois par une extré- mité, et en étant fixésdans un sens opposé en étant partiellement enroulés, et en formant un brin de trac- tion d'une transmission de traction, fermée, reliant les deux tambours. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réa- lisation représenté schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue de coté du dispositif. - la figure 2 est une vue de-dessus du dispositif. - la figure 3 est un schéma de principe des lignes d'alimentation électriques de la tête de soudage. - la figure 4 est une coupe selon A-A de la tête de soudage suivant l'axe de rotation. - la figure 5 est une vue partielle de la tête de sou- dage et, - la figure 6 est une vue de-dessus partielle du dis- positif de limitation de l'angle de rotation. Le dispositif pour réaliser le soudage par ultra-sons d'un conducteur selon les figu- res 1 à 6 est monté par un élément de base 1 dans un châssis non représenté en détail aux dessins et qui est soit fixe, soit monté sur une table mobile dans les directions x/y. L'élément de base 1 porte un manchon 14. Ce manchon constitue la cage extérieure d'un roulement à billes composé en outre de la cage intérieure 10, de la cage conique 11 et de deux p.ar- ties de cage 13 comportant des billes 12 et servant de guidage radial pour la tête de soudage 2. Une pou- lie à courroie crantée 15 est montée sur cette bague conique 11. Cette poulie est serrée par des vis 16 contre la cage intérieure 10 et s'appuie contre celle- ci par l'intermédiaire de goujons filetés 17 prévus entre les vis. Par un réglage approprié des goujons filetés 17, on peut assurer. le réglage sans jeu du guidage radial. La cage intérieure 10 sert également de douille extérieure du guidage longitudinal concen- trique comprenant le manchon 7 et la cage 9 garnie de billes 8. La tête de soudage 2 qui se com- pose principalement du générateur d'ultra-sons 42 avec un bec à ultrasons 43 et une sonotrode 44, du support du générateur d'ultra-sons et un mécanisme à pinces 45 non décrit en détail ici pour faire avancer et pour couper le fil est fixée sur la face avant d'un manchon 3 pour que l'axe du manchon soit paral- lèle à l'axe de la sonotrode et passe approximative- ment par la surface de soudage au pied de la sonotrode 44. Le manchon 3 est logé dans une douille 7 jusqu'à venir en appui contre un épaulement conique réalisé sous forme de cône intérieur dans les faces frontales de la douille 7. L'extrémité du manchon 3 en saillie par rapport à la douille 7 reçoit une douille de serrage fendue6 dont le bord avant est muni d'une surface conique qui déborde légèrement par rap- port à l'extrémité du manchon. Une bride 4 prévue sur la douille de serrage 6 est fixée par des vis contre la face frontale du manchon 3 en appliquant celui-ci contre le cône intérieur de la douille 7. La bride 4 sert en outre à induire le mouvement vertical commandé de la tête de soudage 2. Pour cela deux galets 37, 38 s'appliquent contre sa surface frontale extérieure; ces galets sont reliés par des leviers à une transmis- sion à vis montée sur le support 1 en étant reliée au moteur 39. Le manchon 3 et la bride 4 pré- sentent un perçage excentré 5 dans lequel est vissé par en-dessous un objectif de microscope 46. En-des- sous de l'objectif de microscope 46, on peut avoir un miroir semitransparent 35 incliné à 45 par rapport à l'axe. A la hauteur du milieu du miroir, le manchon 3, la douille 7, la cage de roulement à billes 9, la bague intérieure 10 et le manchon 14 (cage extérieure) ont des perçages transversaux. Un dispositif d'éclai- rage 36 prévu sur le support 1 à l'extérieur du man- chon 14 éclaire à travers ces perçages et par le mi- roir 35 l'objet situé en-dessous de l'objectif de microscope 46,lorsque le dispositif occupe la position angulaire représentée à la figure 4 et correspondant à la position de base de la tête de soudage-2, par rapport à la douille 14. Le mouvement de rotation commandé de la tête de soudage 2 est transmis par l'intermédiai- re d'une courroie crantée 40 à partir du moteur 41 porté par le support 1 au pignon à courroie crantée 15 et ainsi à la bague intérieure 10. Un tambour 19 sub- divisé en deux zones par des collets est fixé contre la face inférieure de la bague intérieure 10. Ce tam- bour sert à la fixation et au guidage des lignes d'ali- mentation électrique souples 33 vers la tête de sou- 1.0 dage 2. Les lignes d'alimentation 33 sont fixées dans la zone inférieure du tambour 19 sur un tambour 30 de même type prévu sur le support 1, suivant une fixation unilatérale et ces câbles sont partiellement enroulés. Dans la zone supérieure des tambours 19, 30, on a un câble de traction 34 sans action électrique qui est également fixé d'un coté et est enroulé partiellement dans la direction opposée. Les lignes d'alimentation 33 et le câble 34 forment ainsi comme cela est repré- senté à la figure 3, un brin de traction d'une trans- mission de traction, bouclée. Pour clarifier la figu- re 3, on a représenté les deux zones superposées des tambours 19, 30 avec des diamètres différents. Le tambour 30'est monté à rota- tion sur un levier 31 et un ressort 32 agissant sur le levier assure simultanément la tension des brins de traction. Un goujon 20 est prévu sur le tambour 19 parallèle à l'axe de rotation, tambour qui est fixé sur la bague intérieure 10. Deux galets 21, 22 prévus sur la tête de soudage 2 s'appliquent laté- ralement contre le tambour et transmettent ainsi le mouvement de rotation à la tête de soudage 2 et au manchon 3 relié à la tête. L'un des deux galets 21, 22 est fixe et l'autre est de préférence appliqué avec une tension de ressort. Dans l'exemple de réalisation représenté, le galet 22 est monté sur un levier 23 qui est lui-même appliqué par un ressort-lame 24. Un levier 26 comportant une ex- trémité 27 en forme de gradins, est monté sur un axe sur le support 1, cet axe étant parallèle à l'axe de rotation. Cette extrémité 27 du levier est mainte- nue par des ressorts 28 agissant sur le levier 26 dans une position radiale par rapport à l'axe de rota- tion et ce levier arrive dans la plage de mouvement 2 6 11155 1 1 d'un goujon 18 porté par le pignon à courroie crantée , et parallèle à l'axe de rotation. L'extrémité 27 du levier peut être entraînée par le goujon 18 et être poussée vers l'extérieur contre l'action des ressorts 28. Pour un premier sens de rotation, l'extrémité 27 du levier s'applique contre une butée 29 fixe prévue sur le support 1 et limite ainsi le mouvement de rotation dans ce sens. La butée 29 se trouve à l'extérieur de la plage de déplacement du goujon 18. Pour le second sens de rotation, il n'y a pas de limitation en mou- vement. Pour arriver à une position angulaire repro- ductible de manière exacte lorsque la tête de soudage 2 est en position de base, le guidage radial est tiré contre la limite fixe par le moteur d'entraînement 41 et cela avec un couple constant. REFERENCES: 1 Support 2 Tête de soudage 3 Manchon 4 Bride Perçage excentré parallèle à l'axe 6 Douille de serrage, fendue 7 Douille 8 Billes 9 Cage de roulement à billes Bague intérieure 11 Bague conique 12 Billes 13 Cage à billes 14 Manchon (cage extérieure) Pignon pour courroie crantée 16 Vis 17 Tiges filetées 18 Goujon 19 Tampon GouJon 221)Galets 22) 23 Levier 24 Ressort-lame 25 Axe 26 Levier 27 Extrémité de levier en gradins 28 Ressorts 29 Butée 30 Tambour rotatif 31 Levier 32 Ressort 33 Lignes d'alimentation électrique 34 Cable de traction 35 Miroir semi-transparent REFERENCES (suite): 36 Dispositif d'éclairage 38) Galets 38) 39) Moteur 40 Courroie crantée 41 Moteur 42 Générateur d'ultra-sons 43 Bec de la tête de soudage 44 Sonotrode 45 Mécanisme à pinces 46 Objectif de microscope. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Dispositif pour mettre en con- tact des fils par ultra-sons, par exemple pour le sou- dage des pattes de composants semi-conducteurs, dispo- sitif dans lequel une tête de soudage qui se compose principalement d'un générateur d'ultra-sons avec une sonotrode et un mécanisme à pinces servant à faire avancer et à couper le fil est mobile verticalement dans la direction de l'axe de la sonotrode et est montée à rotation suivant un axe parallèle à l'axe de la sonotro- de et passant approximativement par la surface de sou- dage au pied de la sonotrode, dispositif caractérisé en ce que la tête de soudage (2) est fixée sur la face frontale inférieure d'un manchon (3) centré sur l'axe de rotation, manchon lui-même fixé dans une douille (7), une bride (4) servant à induire la course vertica- le.,étant fixée contre la face frontale supérieure de cette douille, la douille (7) étant montée librement mobile dans la direction longitudinale, sans jeu dans une cage de roulement à billes (9) garnie de billes (8), dans la bague intérieure (10) d'un palier radial réglable sans jeu et fonctionnant comme palier à bil- les incliné à deux rangées, et en ce que sur la face frontale inférieure de la bague intérieure (10) est fixé un tambour (19) pour recevoir les lignes d'ali- mentation électrique (33) alimentant la tête de sou- dage (2) et sur sa face frontale supérieure est fixé un pignon à courroie crantée (15) et en ce qu'en outre un goujon (20) est prévu de manière excentrée sur le tam- bour (19), deux galets (21, 22) portés par la tête de soudage (2) s'appliquant contre ce goujon (20), un goujon (18) étant prévu dans le pignon à courroie cran- tée (15) et l'extrémité (27) en gradins d'un levier (26) maintenue en position radiale par rapport à l'axe de rotation p.ar des ressorts (28) pénètre dans la 1.5 plage de mouvement du goujon (18), en ce qu'en outre une butée fixe (29) est montée de manière telle que le mouvement de rotation du levier (26) est limité de manière fixe dans une direction et en ce que le manchon (3) et la bride (4) comportent un perçage (5) excentré, parallèle à l'axe, perçage dans lequel est vissé dans sa partie inférieure un objectif de micro- scope (46). 2 ) Dispositif selon la reyendi- cation 1, caractérisé en ce que le perçage (5) paral- lèle à l'axe, excentré, du manchon (3) reçoit un mi- roir (35) semi-transparent incliné à 45 par rapport à l'axe du perçage et en ce que le manchon (3), la douille (7), la cage de roulement à billes (9), la bague intérieure (10) ainsi que la bague extérieure (14) du palier radial constituant un palier conique à billes à double rangée sont munis de perçages trans- versaux situés à la hauteur du milieu du miroir. 3 ) Dispositif selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les lignes d'alimenta- tion électrique (33-) et un câble de traction (34) sans action électrique, sont portés par deux zones du -tambour (19) séparées par un collet, et sur un autre tambour (30) monté à rotation dans le dispositif, en y étant fixéschaque fois par une extrémité, et en étant fixésdans un sens opposé en étant partiellement enroulés,et en formant un brin de traction d'une trans- mission de traction, fermée, reliant les deux tambours (19, 30).