Brevet FR2611156A1 — publié le 19880826

Dispositif de soudage aux ultra-sons pour des compo- sants électroniques, notamment à l'aide de fil des bobines classiques." La présente invention concerne un dispositif de soudage ou de fixation aux ultra-sons per- mettant de relier les points de contact par des ponts de contact réalisés par des soudures aux ultra-sons, par exemple les points de branchement de supports de composants sur les flots de fixation de plaquettes semi-conductrices. Dans les dispositifs connus de soudage aux ultra-sons en général le fil passe par un perçage en biais situé derrière la surface de soudage d'une sonotrode, pour arriver dans la direction longi- tudinale du générateur d'ultra-sons et être soudé. Ce principe habituel de travail nécessite avant exécution de chaque pont de fil, que la direction de la liaison soit alignée pour ces deux points de raccordement sur la direction axiale du générateur d'ultra-sons. Pour cela, on peut régler soit le support du composant, soit la tête de soudage équipée du générateur d'ultra-sons pour les mettre dans la direction appropriée. Dans les dispositifs à fonc- tionnement automatique, il est prévu pour certains do- maines d'application comme par exemple pour les compo- sants dits hybrides de procéder de préférence au régla- ge de la tête de soudage. Les dispositifs connus de ce type comportent une tête de soudage tournant autour d'un axe vertical passant pratiquement par la surface de soudage au pied de la sonotrode, tête qui peut en général exé- cuter également un mouvement vertical. Tous les modes de réalisation connus comportent en outre un dispositif optique prévu au voisinage de l'axe de rotation et per- mettent de visionner le composant en cours de traitement à l'aide d'une caméra vidéo sur un moniteur. Dans de tels dispositifs, l'alimentation en fil se fait en géné- ral par un perçage réalisé dans le bec de la tête de soudage et qui est incliné de 30 à 60 par rapport à la direction horizontale. L'avance et la coupure auto- matiques du fil sont généralement réalisées avec des pinces qui fixent le fil derrière la sonotrode avec deux mors. En déplaçant les mors des pinces dans la direction longitudinale du fil d'alimentation, en pro- cédant de manière coordonnée avec le mouvement de ser- rage des mors, on fait passer le fil avant d'exécuter la première liaison de soudage d'un pont de fil sous la surface de soudage de la sonotrode, puis après avoir réalisé la seconde soudure de ce pont de fil, on,l'arra- che au niveau de l'arête arrière de la surface de sou- dage de la sonotrode. Dans les dispositifs connus à tête de soudage rotative et mobile verticalement, la bobine d'alimentation en fil est montée sur la tête de soudage. Cette disposition nécessite l'utilisation de bobines de fil relativement petites et légères pour que l'en- combrement particulier nécessaire à la rotation de la tête de soudage et le moment d'inertie par rapport à l'axe de rotation restent limités. Selon la pratique et par exemple selon le brevet US-A 42 39 144, on connaît des dispo- sitifs dans lesquels une bobine légère, habituelle d'un diamètre de l'ordre de 12,5 mm et d'une longueur de 19 mm, est montée à rotation sur un goujon prévu dans la tête de soudage. Lorsqu'on tire les ponts de fil, le fil se dévide de la bobine. L'inconvénient de ce mode de réalisation est qu'il faille accélérer et faire tourner le corps de la bobine. De ce fait, les forces de traction du fil varient et il est difficile d'assu- rer l'application de la tension de contr8le nécessaire pour contrôler les défauts électriques de la soudure jusqu'au fil de masse. Un autre inconvenient est que les bobines ne conviennent que mal pour des fils d'un diamètre supérieur à environ 0,05 mm. On connait également en pratique un dispositif dans lequel le fil est tiré par-dessus l'avant d'une bobine fixée à la tête de soudage. Le corps de la bobine est plus petit que dans les bobines utilisées habituellement pour ce type de dévidage de fil. L'inconvénient est que la réserve de fil de chaque bobine est plus faible et que la bobine ne convient que pour des fils minces. De plus, l'encombrement et la masse de la bobine et son montage dans ce mode de réa- lisation sont relativement importants. Le but de la présente invention est de créer un dispositif de soudage aux ultra-sons permettant d'utiliser des bobines de fil habituelles, quelconques, dont le diamètre du fil utilisé puisse être plus important que dans les dispositifs connus, créant des conditions favorables pour un contrôle au- tomatique des défauts de soudage et améliorant la vitesse de travail pour la fabrication de liaisons par des fils. L'invention se propose ainsi de créer un dispositif de soudage aux ultra-sons compor- tant une alimentation en fil dont la bobine soit fixe à l'extérieur de la tête de soudage mobile en rotation et verticalement, et dont la force de traction nécessai- re pour réaliser les liaisons de fils soit faible et constante de manière repr:Juctible au niveau du fil. Pour résoudre ce problème, le point de départ est un dispositif de soudage par ultra- sons dans lequel le fil de soudage et de liaison est fourni par un perçage en biais dans le bec de la tête de soudage et la sonotrode, et par des mors de pinces prévus derrière la sonotrode pour être avancé par celle-ci et être coupé, dispositif dans lequel la tête de soudage qui se compose principalement d'un généra- teur d'ultra-sons avec une sonotrode et un mécanisme à pinces est fixée sur un manchon. Le manchon comporte un perçage longitudinal excentré avec un objectif de microscope vissé par en-dessous dans un perçage tra- versant et une bride fixée de manière centrée sur la face frontale supérieure du manchon, ce manchon étant monté dans un moyen de guidage axial et radial combiné dans lequel il est déplacé verticalement dans la di- rection de l'axe de la sonotrode par deux moyens d'en- trainement indépendants tout en pouvant tourner autour d'un axe pratiquement centré sur la surface de soudage à la base de la sonotrode. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type ci-dessus, caractérisé en ce que le manchon qui porte la tête de soudage est muni d'une rainure longitudinale dans la direction du générateur d'ultra-sons, rainure qui reçoit un tube de guidage dont l'extrémité supérieure dépasse verticalement par rapport à la bride au voisinage de l'axe de rotation, et dont l'extrémité inférieure est en saillie en-des- sous du moyen de guidage axial et radial combiné, en biais vers l'extériev!r, sensiblement en direction d'une tangente à la zone périphérique supérieure d'un manchon de renvoi prévu sur la tête de soudage, en sortant de manière inclinée du manchon, et la zone pé- riphérique inférieure du manchon de renvoi est sensi- blement tangente à la direction du perçage du bec de la tête de soudage, et en ce qu'à une certaine distan- ce au-dessus de l'extrémité supérieure du tube de gui- dage, il est prévu un élément de renvoi non associé au mouvement de rotation du manchon, le fil de soudage étant guidé à partir de la direction horizontale ou d'une direction inclinée vers l'extérieur en passant par-dessus l'élément de renvoi à travers le tube de guidage autour du manchon de renvoi, puis à travers le perçage du bec et la pince jusqu'à la sonotrode. Grâce à l'association solidaire entre la tête de soudage, le dispositif optique et le tube de guidage ainsi que l'entrée de fil au voisinage de l'axe, la position angulaire de la tête de soudage n'influence pas l'alimentation en fil. Suivant un développement avanta- geux de l'invention, le manchon de renvoi est monté sur un levier pivotant autour d'un axe parallèle au manchon, levier qui est tiré par un ressort de trac- tion vers l'intérieur par rapport au fil de soudage contre une butée, le levier étant muni d'un goujon mon- té parallèlement à l'axe, et en ce qu'au-dessus de ce goujon, il est prévu une entretoise réglable en hau- teur sur le moyen de guidage radial de la tête de soudage, et qui pousse vers l'extérieur le levier par l'intermédiaire du goujon au cours des mouvements en hauteur de la tête de soudage. Lorsqu'on soulève la tête de soudage, l'entretoise peut pousser le goujon vers l'extérieur et ainsi le manchon de renvoi peut se déplacer vers l'extérieur par rapport au fil de soudage. L'entretoise est réalisee de façon que ce mouvement dans la zone supérieure de la course de soulèvement se fasse à la fin de la réalisation d'un pont de fil. A ce moment, la pince à fil est fermée et le mouvement du manchor de renvoi tire le fil de la bobine d'alimentation. Suivant un autre développement avantageux de l'invention, l'élément de renvoi est fixé sur un levier servant à transmettre le mouvement verti- cal du moyen d'entralnement à la bride du manchon. Cela permet un mouvement vertical du manchon. Suivant un autre développement de l'invention, le tube de guidage se poursuit à sa sortie du manchon par un arc d'abord dirigé vers l'ex- térieur, puis vers l'intérieur et dont la direction de sortie correspond sensiblement à la direction du per- çage du bec de la tête de soudage. Le fil de soudage passe ainsi sans autre déviation du tube de guidage dans le perçage du bec. Il est en outre avantageux que le tube de soudage soit fixé de manière isolée par rap- port aux autres parties du dispositif ou encore soit réalisé en un matériau isolant. 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-dessus partielle du dispo- sitif. - la figure 2 est une vue partielle de côté. - la figure 3 est une coupe du moyen de guidage de la tête de soudage suivant la ligne A-A de la figure 1. - la figure 4 est une vue de côté du dispositif avec coupe partielle selon la ligne B-B de la figure 1. Le dispositif de soudage aux ultra-sons selon les figures 1 à 4 est monté par l'in- termédiaire d'un support 1 sur un bâti non représenté aux dessins et ce dispositif est soit fixe, soit monté sur une table mobile suivant les directions x/y. 7. Le moyen de guidage radial de la tête de soudage 1 est constitué par un palier à billes à deux rangées, réglable sa jeu, dont la bague exté- rieure 9 est montée sur le support 1. La bague inté- rieure 10 du moyen de guidage radial constitue égale- ment la douille extérieure d'un moyen de guidage lon- gitudinal concentrique de la tête de soudage 2, moyen constitué de la douile intérieure 11 et de la cage de roulement 12 garnie de billes 13. Le mouvement de rota- tion commandé de la tête de soudage 2 est transmis par une courroie crantée 15 par un moyen d'entraînement monté sur le support 1 à un pignon à courroie crantée 14 vissé sur la face frontale supérieure de la bague intérieure 10. Un tambour 16 est fixé à la face fron- talé inférieure de la bague intérieure 10. Ce tambour sert à fixer et à guider les lignes d'alimentation électrique 17, souples vers la tête de soudage 2. La tête de soudage 2 qui se compose principalement du générateur d'ultrasons 35, d'un bec 36 et d'une sonotrode 39 ainsi que du support du géné- rateur d'ultra-sons et d'un mécanisme à pince non détaillé ici avec une pince 38 pour faire avancer et couper le fil, est fixée sur la face frontale d'un man- chon 3; l'axe du manchon est parallèle à l'axe de la sonotrode et passe pratiquement par la surface de sou- dage au pied de la sonotrode. Le manchon 3 est logé dans la douille intérieure 11 du moyen de guidage et est fixé par une douille de serrage 7 à l'aide de vis contre la bride 6 placée sur la face supérieure. La bride 6 sert en outre à induire le mouvement vertical commandé par la tête de soudage 2. Pour cela, des galets 26 s'ap- pliquent contre sa zone frontale extérieure par au- dessus et par en-dessous; ces galets sont reliés par un mécanisme à.levier à un moyen d'entraînement ver- tical monté sur le support 1. Un goujon 19 est prévu sur le tambour 16, parallèlement à l'axe de rotation, tambour lui-même fixé sur la bague intérieure 10. Deux galets 18 portés par la tête de soudage 2 s'appli- quent de part et d'autre contre le manchon et transmet- tent ainsi le mouvement de rotation à la tête de sou- dage 2 et au manchon 3 relié à celle-ci. Le manchon 3 et la bride 6 ont un perçage excentré 8 dans lequel est vissé par en- dessous un objectif de microscope 20. Par rapport au générateur d'ultrasons 35, l'objectif de microscope est à c6té de l'axe du générateur et en avant de l'axe de la sonotrode. A une certaine distance au-dessus de l'orifice de sortie du perçage excentré 8, on a une caméro vidéo 21 ou dans une autre variante de réalisa- tion, un autre ensemble optique. Au-dessus de l'objectif de microscope 20, on peut mettre en place un miroir semi-transparent 22 incliné à 45 par rapport à l'axe. Des perçages transversaux réali- sés dans le manchon 3 et dans les éléments de guidage, on peut à l'aide d'un dispositif d'éclairage 23 prévu sur le support 1 et du miroir 22, éclairer l'objet placé sous l'objectif de microscope 20 lorsqu'on se trouve dans la position de base représentée à la fi- gure 1. Pour assurer l'alimentation en fil, le manchon 3 comporte une rainure longitudinale 4 dans la direction du générateur d'ultra-sons 35. Un tube de guidage 5 est logé dans cette rainure longitudinale 4; l'extrémité supérieure de ce tube se trouve au voisinage de l'axe de rotation toutefois en dehors du chemin optique du perçage ex- centré 8 pour sortir verticalement de la bride 6. Au- dessus de celui-ci est prévu un élément de renvoi 24 non associé au mouvement de rotation et qui est cons- titué par un chas fermé dans le cas de l'exemple de réalisation représenté. L'extrémité inférieure du tube de guidage 5 débouche en biais vers l'extérieur au ni- veau de la fixation de la tête de soudage dans le man- chon 3. Un manchon de renvoi 27 est prévu sur la tête de soudage 2 de façon que sa périphérie soit sensiblement tangente à la direction du perçage 37 du bec 36 et à la direction de sortie du tube de guidage 5. Le fil de soudure 40 qui sort horizontale- ment ou incliné dans le sens descendant en provenance d'une bobine d'alimentation non décrite en détail et qui est tenue en dehors du moyen de guidage de la tête, sur le support 1, passe sur l'élément de renvoi 24, traverse le tube de guidage 5 et passe autour du man- chon de renvoi 27 pour arriver dans le perçage 37 du bec 36, puis entre les mors des pinces 38 pour aller vers la sonotrode 39. Les éléments servant au guidage du fil sont fixés de manière électriquement isolée par rapport aux autres parties du dispositif; ils peuvent également être réalisés en un matériau isolant électrique. Le tube de guidage 5 est de préférence un tube en-verre. Dans l'exemple de réalisation, le manchon de renvoi 27 est monté sur un levier 29 pivo- tant autour d'un axe 28 parallèle à ce manchon. Un res- sort de traction 30 relié au levier 29 tire le manchon de renvoi 27 vers l'intérieur par rapport au fil 40 jusqu'à être limité par une butée réglable 31. Le le- vier 29 est muni d'un goujon 32 parallèle à l'axe 28. De plus, un goujon 33 porté par le tambour 16 est muni d'une entretoise 34 réglable en hauteur. Lorsque la tête de soudage 2 est soulevée, l'entretoise 34 peut pousser le goujon 32 vers l'extérieur et ainsi le manchon de renvoi 27 peut également se déplacer vers l'extérieur par rapport au fil 40. L'entretoise 34 est réglée de façon que ce mouvement se fasse dans la zone supérieure du soulè- vement à la fin de la réalisation d'un pont de fil. Les pinces à fil 38 sont à ce moment fermées et le mou- vement du manchon de renvoi 27 tire le fil de la bobine d'alimentation. A la descente pour exécuter le pont de fil suivant, le manchon de renvoi 27 se dépla- ce de nouveau vers l'intérieur et forme ainsi une ré- serve libre de fil au niveau du bec 36. Au cours de la réalisation du pont de fil, il n'est de ce fait pas nécessaire de tirer du fil de la bobine. Dans cet In- tervalle, la tête de soudaàe 2 n'est soulevée que suf- fisamment pour que le manchon de renvoi 27 reste dans sa position d'extrémité, intérieure. Dans une autre variante de réali- sation représentée à la figure 2, le renvoi du fil de soudage 40 se fait dans la direction du perçage Incli- né 37 dans le bec 36, directement à travers le tube de guidage 5. La partie inférieure du tube de guidage se prolonge à sa sortie du manchon 3 par un arc tout d'abord dirigé vers l'extérieur, puis vers l'intérieur et se termine sensiblement dans la direction du perçage 37. Dans l'exemple de réalisation, l'élément de renvoi 24.est prévu sur le levier 25 servant à transmettre la course verticale à la bride 6. L'élément de renvoi 24 suit ainsi le mouvement ver- tical, de sorte qu'il n'y a pas de modification de lon- gueur entre l'élément de renvoi 24 et la sonotrode 39 qui pourrait agir sur le fil de liaison 40. REFERENCES: 1 Support 2 Tête de soudage 3 Manchon 4 Rainure longitudinale Tube de guidage 6 Bride 7 Douille de serrage 8 Perçage excentré 9 Bague extérieure Bague intérieure 11 Douille intérieure 12 Cage de soulèvement à billes 13 Billes 14 Pignon à courroie crantée Courroie crantée 16 Tambour 17 Lignes souples d'alimentation électrique 18 Galets 19 Goujon Objectif de microscope 21 Caméra vidéo 22 Miroir semi-transparent 23 Dispositif d'éclairage 24 Elément de déviation Levier 26 Galets 27 Manchon à renvoi 28 Axe 29 Levier pivotant Ressort de traction 31 Butée 32 Goujon 33 Goujon 34 Entretoise Générateur d'ultra-sons 36 Bec de la tête de soudage 37 Perçage 38 Pince 39 Sonotrode Fil de soudure RE VE N D I C A T I 0 N S ) Dispositif de liaison par ultra-sons par exemple pour souder des composants semi-conducteurs, dispositif selon lequel le fil de soudure est fourni par un perçage en biais du bec de la tête de soudage et de la sonotrode et est poussé vers l'avant par les mâchoires des pinces placées der- rière la sonotrode pour être coupé, dispositif dans lequel la tête de soudage formée principalement par un générateur d'ultra-sons avec une sonotrode et un méca- nisme de pinces est fixée à un manchon qui comporte un perçage longitudinal excentré dans lequel est vissé par en-dessous un objectif de microscope, ainsi qu'une bri- de fixée de manière centrée sur la face frontale supé- rieure, manchon qui est monté dans un moyen de guidage axial et radial combiné, dans lequel il est déplacé verticalement dans la direction de l'axe de la sono- trode par deux moyens d'entraînement indépendants et peut être tourné autour d'un axe pratiquement centré sur la surface de soudage au pied de la sonotrode, dispositif caractérisé en ce que le manchon (3) qui porte la tête de soudage (2) est muni d'une rainure longitudinale (4) dans 1-a direction du générateur d'ultra-sons (35), rainure qui reçoit un tube de gui- dage (5) dont l'extrémité supérieure dépasse vertica- lement par rapport à la bride (6) au voisinage de l'axe de rotation, et dont l'extrémité inférieure est en saillie en-dessous du moyen de guidage axial et radial combiné, en biais vers l'extérieur, sensible- ment en direction d'une tangente à la zone périphéri- que supérieure d'un manchon de renvoi (27) prévu sur la tête de soudage (2), en sortant de manière incli- née du manchon (3), et la zone périphérique inférieure du manchon de renvoi (27) est sensiblement tangente à la direction du perçage (37) du bec (36) de la tête de soudage, et en ce qu'à une certaine distance audessus de l'extrémité supérieure du tube de guidage (5), il est prévu un élément de renvoi (27) non associé au mouvement de rotation du manchon (3), le fil de sou- dure (40) étant guidé à partir de la direction horizon- tale ou d'une direction inclinée vers l'extérieur en passant par-dessus l'élément de renvoi (24) à travers le tube de guidage (5) autour du manchon de renvoi (27) puis à travers le perçage (37) du bec (36) et la pince (38) jusqu'à la sonotrode (39). 2 ) Dispositif selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le tube de guidage (5) est fixé de manière isolée électriquement par rapport aux autres pièces du dispositif ou est réalisé en un matériau isolant électrique'de préférence en verre. ) Dispositif selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le manchon de renvoi (27) est monté sur un levier (29) pivotant autour d'un axe (28) parallèle au manchon, levier qui est tiré par un ressort de traction (30) vers l'intérieur par rap- port au fil de soudage (40) contre une butée (31), le levier (29) étant muni d'un goujon (32) monté parallè- lement à l'axe (28), et en ce qu'au-dessus de ce gou- jon (32) il est prévu une entretoise (34) réglable en hauteur sur le moyen de guidage radial de la tête de soudage (2), et qui pousse vers l'extérieur le levier (29) par l'intermédiaire du goujon (32) au cours des mouvements en hauteur de la tête de soudage (2). 4 ) Dispositif selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'élément de renvoi (24) est fixé sur un levier (25) servant à transmettre le mouvement vertical du moyen d'entraînement à la bride (6) du manchon (3). ) Dispositif selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce 261 l156 qu'après sa sortie inférieure du manchon (3), le tube de guidage (5) se prolonge tout d'abord par un arc dirigé vers l'extérieur, puis vers l'intérieur et dont la direction de sortie correspond sensiblement à la direction du perçage (37) du bec (36) de la tête de soudage et en ce que le fil de soudage (40) passe sans être autrement dévié, du tube de guidage (5) dans le perçage (37) du bec (36).