Brevet FR2623615A1 — publié le 19890526

DISPOSITIF DE MESURE ELECTRONIQUE D'UNE SURFACE, NOTAMMENT APPLICABLE AU CONTROLE DE CONNEXION La présente invention a pour objet un dispositif électronique de mesure de l'aire d'une surface, notamment applicable au contrôle de la qualité d'une brasure, par exemple dans le domaine de la connectique. La connexion par exemple de boîtiers ou de composants électroniques sur un substrat de circuit imprimé nécessite des soudures fiables, c'est-à- dire suffisamment larges et épaisses pour que soit établi un bon contact électrique et que ce dernier résiste dans le temps, aux variations de température et aux vibrations par exemple. Cet aspect est d'autant plus important que l'environnement du circuit est sévère (applications militaires ou spatiales par exemple). 4 Différentes techniques de contrôle des connexions sont connues. Pour les applications A environnement sévère, on utilise principalement un contrôle visuel à l'aide éventuellement d'un microscope binoculaire. Cette technique présente l'inconvénient d'être longue et onéreuse, d'être limitée dans son efficacité et enfin de limiter la densité des circuits: en effet, les composants ou les boitiers doivent être suffisamment éloignés les uns des autres pour permettre ce contrôle visuel et, de plus, toutes les brasures effectuées doivent être visibles, c'est-à-dire qu'elles doivent se situer à la périphérie des boîtiers ou des composants; cela en augmente notablement l'encombrement lorsque le nombre de connexions devient important, ce qui est le cas notamment pour les circuits intégrés a très haut degré d'intégration. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de surface qui, appliqué à la connectique, permet de s'affranchir des limites précédentes. A cet effet, on dispose une électrode en vis-à-vis de la surface à mesurer et on établit une différence de potentiel entre la surface et l'électrode. Le nombre de particules chargées émises par la surface à mesurer est notamment fonction de l'étendue de cette surface. Le comptage des particules, effectué par mesure de courant, donne alors une mesure de la surface. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: - la figure 1, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqué au contrôle des brasures d'un boîtier de composant électronique; - les figures 2a et 2b, une variante de réalisation du dispositif selon l'invention pour le contrôle des connexions d'une pluralité de composants ou boîtiers montés sur un même substrat; - les figures 3, 4, 5, 6, 7 et 8, différentes variantes de réalisation de la figure; - les figures 9a et 9b, une variante de réalisation du dispositif selon l'invention dans laquelle on utilise un faisceau d'électrons auxiliaire; - la figure 10, un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqué au contrôle d'une couche isolante. Sur ces différentes figures, d'une part les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments et, d'autre part, l'échelle réelle n'a pas été respectée pour la clarté du dessin. La figure 1 représente done un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans une application au contrôle des joints de brasure d'un boîtier de composant électronique. Sur cette figure, on a donc représenté un boîtier 1 connecté électriquement par des joints de brasure 50, 51 et 52 à un substrat 4, tel qu'un circuit imprimé. Le boîtier 1 comporte une embase 11 portant un composant électronique 10 et un capot 12 recouvrant le composant. Le composant est électriquement relié (fils de connexion 13 et pistes de connexion non représentées) aux plots de connexion extérieurs du boîtier, situés par exemple sur la surface Inférieure de ce boîtier; trois d'entre eux sont présentés sur la figure et sont repérés 14. Chacun des plots 14 du boîtier est relié à un plot correspondant repéré 63 du substrat 4, par l'intermédiaire des joints 50 - 52. Chacun des plots 63 est relié par une piste conductrice 51 à un autre plot porté par le substrat 4, respectivement 60, 61 et 62 pour les joints 50, 51 et 52, situés à la périphérie du boîtier 1. Des plots tels que les plots 60 - 62 sont généralement prévus et utilisés pour le test du composant ou pour d'éventuelles modifications de connexions. Selon l'invention, on dispose une électrode 7 au dessus du joint à tester; on applique un potentiel positif sur l'électrode 7 et un potentiel négatif, à l'aide par exemple d'une pointe 8, sur celui des plots extérieurs qui correspond au joint de brasure à tester.Dans l'exemple de la figure, le joint sous test est le joint 50 et en conséquence la pointe 8 est appliquée au plot périphérique correspondant 60. Dans un mode de réalisation préféré, la pointe 8 est gainée par un isolant électrique, par exemple du type manchon rétractable, pour éviter l'émission parasite d'électrons, sauf bien entendu à son extrémité. Dans une variante, le manchon peut avoir une taille telle qu'il entoure également le plot 60 lorsque la pointe 8 est appliquée sur ce dernier, diminuant encore l'émission parasite d'électrons. Toujours sur la figure, l'électrode 7 a été représentée comme s'étendant au dessus de l'ensemble du boîtier. Dans une variante de réalisation, sa surface peut être inférieure, par exemple sensiblement de l'ordre de celle du joint à tester. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le suivant. Le joint 50 testé, relié par l'intermédiaire des éléments 60 et 8 à un potentiel négatif, constitue donc une cathode et émet des électrons, et ce de façon proportionnelle à sa surface émissive, à savoir sa surface latérale dans cet exemple. Les électrons ainsi émis pour partie sont capturés directement par l'électrode 7 jouant le rôle d'anode et, pour partie, Ionisent les atomes du gaz situé le cas échéant entre le 1 5 Joint testé et l'anode 7; les électrons produits par l'ionisation sont également recueillis par l'anode 7. L'ensemble de ces électrons crée un courant fonction de l'aire latérale du joint 50 sous test, de la pression du gaz présent entre les électrodes 7 et 50, de la tension appliquée entre l'anode et la cathode et de la distance entre ces électrodes. Il apparaît ainsi que la mesure du courant donne une mesure de la surface du joint sous test, les autres paramètres étant fixés. La mesure de la surface permet à son tour le contrôle de la qualité du joint de brasure: en effet, une surface trop grande ou trop petite, par rapport à des valeurs préalablement définies, indique respectivement une brasure trop étalée, avec risques éventuels de court circuit, ou au contraire une connexion insuffisante sur le plan électrique et/ou mécanique. Dans une variante de réalisation, afin d'affiner la mesure du courant et de s'affranchir notamment des fluctuations de pression du gaz environnant, on mesure périodiquement le courant émis par une électrode supplémentaire (non représentée) servant d'étalon et dont l'aire est connue, de préférence voisine de celle du joint sous test. Selon une autre variante de réalisation, on inverse périodiquement la polarité des tensions appliquées de sorte à utiliser périodiquement l'électrode 7 comme cathode; la surface de l'électrode 7 étant connue, elle peut servir d'étalon: ce processus permet ainsi également de normaliser les mesures du courant. D'une manière plus générale, la tension appliquée entre cathode et anode peut être continue ou alternative. Le dispositif selon l'invention permet également une mesure du volume d'un joint de brasure. Pour cela, on utilise le 1 0 fait que le courant mesuré est fonction -également de la tension et de la distance entre les électrodes et, fixant les autres paramètres, on fait varier la tension pour connaître la distance (moyenne) entre les électrodes. Connaissant la distance entre l'anode et le substrat (4), on en déduit l'épaisseur du joint et par suite son volume équivalent, sa surface latérale étant déjà connue. Cette mesure complémentaire est utile du fait que la qualité d'une brasure est liée à la quantité de matière reliant les deux parties. Les figures 2a et 2b représentent une variante de réalisation de l'invention permettant le test d'une pluralité de composants ou de boîtiers portés par un même substrat. La figure 2a représente le dispositif vu en coupe partielle. Sur cette figure on retrouve le boîtier 1 disposé sur le substrat 4 et le joint 50 sous test, relié à un potentiel négatif par l'intermédiaire de la pointe 8 et du plot 60. L'électrode unique 7 est remplacée par une pluralité d'électrodes 70, relativement étroites par rapport aux boîtiers, dont l'une seulement est portée à potentiel positif. La figure 2b représente le dispositif vu de dessus. Sur cette figure, on a représenté schématiquement le substrat 4 portant une pluralité de composants ou boîtier 15 et, parmi ceux-ci, le composant 1 dont on a représenté le joint 50 sous test et le plot 60 porté à un potentiel négatif. Les électrodes sont disposées en lignes parallèles. Une telle disposition permet de localiser l'émission d'électrons et de recueillir un courant correspondant à l'émission du seul plot sous test, sachant que sur un subtrat tel que 4, o les différents plots sont interconnectés, l'application d'un potentiel sur l'un deux (le plot 60) a pour effet la mise sous potentiel d'une pluralité de plots. L'utilisation d'anodes en bandes étroites permet de faire tendre vers zéro la probabilité d'avoir sur une même électrode plusieurs joints émissifs. Dans une variante de réalisation (non représentée), l'émission d'électrons est localisée grâce à l'utilisation d'une anode de petite surface, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur du joint à tester, rendue solidaire du support de la pointe 8 par exemple. - La figure 3 représente une variante du dispositif selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté schématiquement le boîtier 1 relié au substrat 4 par exemple par deux joints, dont l'un est repéré 50 et relié à un plot latéral 60 comme précédemment. Dans ce mode de réalisation, le substrat 4 porte une électrode 73 disposée de sorte à être placée sous le boîtier 1, donc au voisinage du joint 50 à tester. Cette électrode 73 est reliée à un plot latéral 71 de manière analogue au joint 50. Cormmre précédemment, le plot 60 est relié à un potentiel négatif et l'électrode 73, qui joue le même rôle que l'électrode 7 de la figure 1, est reliée par intermédiaire du plot 71 et d'une pointe 75 à un potentiel positif. Le joint 50 émet alors des électrons et le courant mesuré entre le joint et l'électrode 73 est représentatif de la surface latérale du joint. La figure 4 représente une autre variante de réalisation, dans laquelle le potentiel négatif est appliqué sur le joint à tester par l'intermédiaire du boîtier. Sur la figure 4, on retrouve le boitier 1 connecté au substrat 4 par deux joints dont l'un, repéré 50, est sous test. A titre d'exemple, on a représenté l'électrode positive selon la même réalisation que la figure précédente, c'est-à-dire une électrode 73 disposée sur le substrat 4 sous le boîtier 1. Dans cette variante, le boîtier comporte un plot supérieur 53 se prolongeant latéralement jusqu'au joint 50. La pointe 8 portée au potentiel négatif est alors placée sur le plot 53, portant ainsi le joint 50 à un potentiel négatif. La figure 5 représente une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention, dans laquelle l'anode est portée par le boîtier. Sur cette figure, on retrouve le boîtier 1 connecté au substrat 4 par des joints brasés dont l'un, repéré 50, est sous test. A titre d'exemple, le joint 50 est porté A un potentiel négatif par une connexion telle que celle qui est décrite figure 4, c'est-à-dire par l'intermédiaire d'un plot 53 disposé sur le dessus du boîtier 1. Selon cette variante, l'anode du dispositif, maintenant repérée 72, est portée par le boîtier lui-même sur sa face inférieure, c'est-à-dire celle qui porte les joints. Le potentiel positif est appliqué par l'intermédiaire d'une pointe entrant en contact avec un plot 73 disposé sur le dessus du boîtier, la connexion entre le plot 73 et l'anode 72 étant effectuée par l'intérieur du boîtier 1 par exemple. La figure 6 représente une autre variante de réalisation, dans laquelle l'anode est constituée par le capot lui-même. Sur cette figure, on retrouve le boitier 1 connecté au substrat notamment par le joint 50 sous test et, à titre d'exemple, le plot 60 et la pointe 8 permettant d'amener une tension négative au joint 50, comme représenté figure 3. Dans cette variante, l'anode est constituée par le capot 76 du boîtier, auquel une tension positive est apportée par la pointe 75. Bien entendu, cette variante n'est utilisable que si le capot est conducteur et isolé du reste du boitier. La figure 7 représente une autre variante de réalisation du dispositif selon l'invention, dans laquelle l'anode est disposée sur le substrat, à la périphérie du boitier. Sur cette figure, on retrouve le boîtier 1 connecté au substrat 4 par le joint 50. Il est porté à un potentiel négatif par exemple comme représenté figure 3. Dans cette variante, l'anode est constituée par un plot 74 disposé sur le substrat 4, à la périphérie du boîtier 1, i 5 un potentiel lui étant appliqué par la pointe 75. La figure 8 représente une variante du dispositif selon l'invention à laquelle le boîtier concerné est du type à grille périmétrique. Sur cette figure, le boîtier 1 est relié électriquement au substrat 4 par l'intermédiaire d'un ensemble de connexions, initialement portées par un cadre appelé "grille périmétrique", dont une connexion est repérée 54 sur la figure. Les connexions de cette grille, solidaires du boitier, sont connectées par brasure sur des plots tels que 55 du substrat 4. Selon l'invention, le substrat 4 comporte en outre un plot 74, relié à un potentiel positif par l'intermédiaire de la pointe 75. La pointe 8 reliée à un potentiel négatif est appliquée par exemple sur la partie supérieure de la connexion 54 au niveau du dessus du boîtier. Le fonctionnement du dispositif s'effectue comme précédemment, les électrons étant éjectés de l'ensemble connexion 54-plot 55 vers l'anode 74. Les figures 9a et 9b représentent respectivement, vue en coupe et vue de dessus, une variante de réalisation du dispositif selon l'invention dans laquelle on dispose la surface à mesurer dans une enceinte o on utilise un faisceau d'électrons supplémentaire. Sur la figure 9a, on a représenté le substrat 4 portant des boîtiers tels que 1, ainsi qu'une anode 7 et une pointe 8 respectivement reliées à un potentiel positif et un potentiel négatif, le tout étant disposé dans une enceinte E. La pression dans cette enceinte est par exemple réduite par rapport à la pression extérieure, pour atteindre une pression qui peut être de l'ordre de quelques millibars. Dans l'enceinte E on a également disposé des moyens pour engendrer un faisceau d'électrons F, sous forme d'une cathode émissive K et d'une anode collectrice A par exemple, le faisceau F traversant l'enceinte entre les joints à tester et l'électrode 7. Ce faisceau auxiliaire F permet de diminuer la tension nécessaire entre l'électrode 7 et la pointe 8. La figure 9b est une vue de dessus de la figure précédente, illustrant une variante de réalisation selon laquelle on dispose non pas une anode A mais une pluralité d'anodes A1, A2... A... A n. Selon celui des composants qui est sous test, on choisit de porter à un potentiel positif l'une seulement des anodes A1... An, de sorte à ne faire passer le faisceau F qu' au dessus du composant sous test et localiser ainsi l'émission d'électrons. Il apparaît ainsi qu'à l'aide du dispositif de mesure de surface selon l'invention, il est possible de contrôler la qualité d'une brasure par mesure de sa surface latérale et de son volume équivalent, et ce que la brasure soit visible ou non, quelle que soit la forme (plane, développable ou gauche) de sa surface, et quelle que soit son application: brasure de boîtier (du type connu sous le nom de Pad Grid Array par exemple), de composant (du type connu sous le nom de "flip chip" par exemple), ou autre. Ce contrôle peut s'effectuer par comparaison des valeurs obtenues pour chacun des Joints à tester à une fourchette de valeurs de référence préétablies, ou encore par mesure successive de toutes les surfaces des brasures d'un même ensemble, détermination d'une moyenne et élimination des valeurs extrêmes. Ce dispositif est également applicable, par exemple, au contrôle des motifs conducteurs déposés sur un substrat, par sérigraphie notamment. Il est encore applicable, comme illustré sur la figure , au contrôle de motifs isolants. Sur cette figure, on a représenté un substrat isolant sur lequel a été déposé un motif isolant 91 dont on souhaite contrôler l'aire. A cet effet, on dispose sur l'autre face du substrat 90 un motif conducteur 93 de surface voisine de celle du motif 91, qu'on porte à un potentiel négatif à l'aide d'une pointe 94. Au dessus du motif 91, on dispose une électrode 92 reliée à un potentiel négatif. 2 0 La fonction du motif conducteur 93 est de permettre de porter la surface du motif isolant 91 à un potentiel négatif. La différence de potentiel appliquée aux électrodes 92 et 93 est continue ou alternative. Le fonctionnement du dispositif est alors analogue à ce qui est décrit précédemment. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure électronique de l'aire d'une surface, caractérisé par le fait qu'il comporte une électrode, disposée en vis-à-vis de la surface à mesurer et susceptible d'être portée à un premier potentiel; des moyens pour porter la surface à un potentiel négatif par rapport au premier potentiel, de sorte que la surface émette des électrons dont le nombre est fonction de l'étendue de la surface, et des moyens de mesure du courant entre la surface et l'électrode, le courant étant représentatif du nombre d'électrons et par suite de l'étendue de la surface. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface est conductrice. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface est isolante et que les moyens pour porter cette surface à un potentiel comporte un motif conducteur sensiblement de même étendue que la surface, disposé en vis à 1 vis de la surface de l'autre côté par rapport à l'électrode, en contact avec la surface ou avec un substrat intermédiaire. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'étendue de l'électrode est voisine de celle de la surface. 5. Dispositif selon I 'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface et l'électrode sont placées dans une enceinte dans laquelle règne une faible pression gazeuse. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de génération d'un faisceau d'électrons entre la surface et l'électrode. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de localisation de l'émission d'électrons. 8. Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes au contrôle d'une brasure, caractérisée par le fait que cette dernière constitue la surface A mesurer. 9. Application du dispositif selon l'une des revendications précédentes au contrôle d'un motif déposé sur un substrat, caractérisé par le fait que le motif constitue la surface à mesurer.