Brevet FR2683474A1 — publié le 19930514

Procédé et dispositif de commande de température pour le micro-usinage par laser de matériaux - La présente invention concerne un procédé de commande de température pour le micro-usinage par laser de systèmes de matériaux formés de matériaux différents absorbant l'infrarouge, les points de liaison ayant une dimension inférieure à 100 1 nm et étant réalisés en métal précieux L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. Il est connu lors de l'irradiation laser, de commander la tem- pérature superficielle des matériaux au moyen d'un pyromètre à infra- rouge réglé par étalonnage Pour la mesure au moyen d'un pyromètre de la température de systèmes de matériaux formés de matériaux très divers absorbant le rayonnement infrarouge tels que par exemple des cartes à circuits imprimés en résine époxy renforcée par fibres de ver- re avec des pistes conductrices en cuivre et des composants en plasti- que ou en céramique on peut utiliser comme référence interne lors du soudage la courbe température-temps qui présente une discontinuité dans la plage de température de soudage ou la plage de température de fusion de la soudure. En présence d'un rayonnement thermique de grande longueur d'onde ou de températures allant jusqu'à 700 'C l'émission est généra- lement sensiblement constante dans les matériaux courants Ce procé- dé de commande de la température donne de bons résultats dans le cas du brasage tendre, tant que la surface de mesure du pyromètre ou le si- gnal infrarouge reste suffisamment grand Toutefois, la dimension des points de liaison en micro-électronique est de plus en plus fréquem- ment inférieure à 100 gm et, de plus, ceux-ci sont réalisés en métal précieux de préférence en or de sorte que des températures élevées sont nécessaires pour obtenir une meilleure absorption du rayonnement laser focalisé et effectuer des brasures à l'étain ou des soudures. Lorsque les dimensions sont micrométriques, une mesure de température par pyrométrie n'est possible que par intégration et celle- ci exige alors un micro-positionnement centré et une amplification im- portante Le rayonnement thermique ne peut pas être focalisé avec une optique en verre ou en quartz ni être amené dans une fibre de verre, car la transmission est trop faible En outre, dans les micro-soudures sur des pièces importantes conductrices de la chaleur, le point de dis- continuité température-temps n'est que faiblement marqué et difficile- ment exploitable à l'aide d'ordinateurs Ces problèmes apparaissent no- tamment lors de la réalisation de liaisons internes en or par le procédé de liaison par transfert automatique sur bande (TAB/ILB). L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé du type indiqué en introduction qui permette d'optimiser un soudage par laser de contacts très fins avec des températures de brasage ou de soudage plus élevées et qui puisse être appliqué à la soudure de contacts en microélectronique dans lesquels les points de soudure trop petits ne permettent pas une mesure de température par pyromè- tre, de telle sorte que les problèmes rencontrés jusqu'à présent ne se posent plus. Le problème est résolu selon l'invention par le fait que pour commander la puissance du laser au moyen d'un micro-ordinateur de type PC, on procède à la mesure de la rémanence lumineuse, directe- ment liée à la température, de couches de substances luminescentes perméables à la lumière laser Nd:YAG, aux ultraviolets, à la lumière visible ou aux infrarouges, lesquelles couches sont appliquées sur une plaque de verre quartzeux ou d'autres éléments utilisés comme sup- port, sont adhérentes et résistantes à l'abrasion et sont directement en contact avec le point de soudure, la substance luminescente étant exci- tée par le rayonnement UV toutes les 2 ms et la rémanence lumineuse étant déterminée par mesure différentielle, puis transmise à l'ordina- teur de type PC. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention utilise comme support une plaque de verre quartzeux qui laisse passer la lumière, du domaine UV jusqu'à la lumière laser YAG:Nd, laquelle plaque est appliquée à plat sur le point de liaison et ramollit à une température supérieure à la température de liaison, la couche de substance luminescente étant déposée par fusion ou par pul- vérisation sur la face de contact, une source de rayonnement UV exter- ne ainsi qu'une photodiode de sensibilité adaptée munie d'un filtre rou- ge et un ordinateur de type PC doté d'un programme de calcul permet- tant de déterminer la température à partir de la rémanence lumineuse. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche de substance luminescente est formée d'europium:oxyde d'Yttrium (Eu:Y 203) appliqué par pulvérisation ou fritté transparent sur le sup- port. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la couche de substance luminescente est formée d'europium:phosphate d'Yttrium (Eu:YP 04) appliqué par fusion sur le support. Selon un mode de réalisation de l'invention, la couche indica- trice de substance luminescente, chimiquement inerte, est appliquée par pulvérisation sur les points de contact. L'idée générale de l'invention prévoit, pour la soudure de mi- cro-contacts déformables très fins, un support une plaque de verre quartzeux émaillée ou enduite d'une substance luminescente Y 203:Eu quasi-transparente grâce auquel on détermine avec une photodiode la rémanence lumineuse ou la température; on utilise ensuite le signal différentiel de rémanence ou le signal de température pour commander par ordinateur le laser, la puissance et la durée du rayonnement laser pouvant être modifiés. Il est ainsi possible de commander la puissance du laser par mesure de la rémanence lumineuse de couches de substance lumines- cente perméables à la lumière laser Nd:YAG, aux ultraviolets, à la lu- mière visible ou aux infrarouges, laquelle rémanence dépend stricte- ment de la température, lesdites couches étant appliquées sur une pla- que de verre quartzeux en contact avec les liaisons à réaliser Dans le procédé TAB/ILB mentionné précédemment, les microcontacts sont pressés au moyen d'un support de telle sorte que les contacts de cuivre revêtus d'or puissent fondre ou que des couches étain/or d'environ 10 jim d'épaisseur se soudent entre elles Lorsqu'on utilise comme support des aiguilles métalliques tel que décrit par la déposante dans la de- mande de brevet P 41 05 875 5 ou des châssis à contacts également comme décrit par la déposante dans la demande de brevet P 41 05 874 7 les éléments de contact sont enduits de la couche de substance luminescente adhérente et résistante à l'abrasion dans la mesure o ils sont situés directement au niveau du point de soudure. La plaque de verre quartzeux servant de support laisse paser la lumière du domaine ultraviolet jusqu'à la lumière laser Nd:YAG, est appliquée à plat sur le point de liaison et se ramollit à une température supérieure à la température de liaison La couche de substance lumi- nescente est appliquée par pulvérisation ou par fusion sur la face en contact du support ou de la plaque de verre quartzeux La substance luminescente peut être pulvérisée, frittée transparente comme par exemple dans le cas de Eu:Y 203 (Europium:Oxyde d'Yttrium) ou fon- due transparente comme le Eu:P 04 (Europium:Phosphate d'Yttrium), les deux matériaux présentant un coefficient de température de réma- nence lumineuse élevé dans la plage soudure/temps. L'excitation de la substance luminescente a lieu à l'aide d'une source de rayonnement UV à éclairs comportant une fraction UV dure afin d'exciter totalement le Y 203:Eu Ce rayonnement UV a lieu par exemple avec des pulsations à 500 Hz, de telle sorte que la substance lumineuse est excitée toutes les 2 ms par des impulsions de courte du- rée (environ lp s), à la suite de quoi on détermine par mesure différen- tielle la rémanence lumineuse (t 10 % y-t l O Os) de l'émission dans le rouge Il est en outre possible de ne mesurer que le rayonnement d'émission de la substance luminescente en utilisant une photodiode de sensibilité adaptée avec un filtre rouge et à lumière laser ( 1064 nm). En principe, on excite une couche de substance luminescente Y 203:Eu inerte, stable en température ( 240 nm 600 nm), le temps de pulsation UVétant de 1 gs et le temps de répéti- tion 1000 gs La rémanence lumineuse ou le temps I = 100 %o 10 % peut être déterminée avec précision et rapidement, de manière connue en soi, par intégration et est proportionnelle à la température absolue de la substance luminescente. A noter encore en ce qui concerne l'agencement et le disposi- tif de mesure que les micro-contacts à souder par exemple des liai- sons entre conducteurs intérieurs de 50 grn et distantes de 100 gm peuvent être pressées au moyen d'une fine plaque de verre quartzeux appliquée à plat On peut également utiliser un capillaire comme fibre optique, à la place de la plaque Conformément au présent procédé, la face de la plaque appliquée ou l'extrémité du capillaire est revêtue, de manière connue en soi, de la substance luminescente La couche de substance luminescente est excitée au moyen d'une lampe UV à éclairs annulaire avec des impulsions de 1 lis sous une fréquence de 100 Hz. Le rayonnement UV doit être inférieur à 300 nm pour exciter le Y 203:Eu. Le point de mesure d'un détecteur photo-électrique est placé au foyer du rayon laser Le détecteur photo-électrique, dans le disposi- tif et l'agencement décrits, a un temps de réponse court de 1 2 ns, une sensibilité maximale de 580 620 nm et une surface de mesure de 1 mm x 1 mm Le point laser et la surface de mesure du détecteur pho- to-électrique coïncident Etant donné que l'on ne mesure pas l'intensité mais uniquement le décalage dans le temps proportionnel à la tempéra- ture de l'émission dans le rouge, la surface de mesure du détecteur photo-électrique peut être plus grande que le point laser On obtient la température de la substance luminescente ou du point de soudure irra- dié à partir de la rémanence lumineuse (par exemple 10 % de l'intensité d'origine de l'impulsion d'excitation) Il est avantageux d'éliminer la lumière du laser YAG en utilisant un filtre de 1064 nm placé en avant. De la même manière qu'avec la commande de température par pyrométrie, on exploite dans un ordinateur de type PC le signal de ré- manence lumineuse proportionnel à la température et on l'utilise pour la régulation du laser On procède à un étalonnage de l'émission dans le rouge par comparaison avec une couche de substance luminescente normale non sollicitée, à température ambiante. Un ordinateur de type PC avec un programme de calcul per- mettant de déterminer la température à partir de la rémanence lumi- neuse compare les températures mesurées aux données entrées et com- mute la puissance de rayonnement ou la durée. Le procédé décrit et le dispositif pour sa mise en oeuvre of- frent, par rapport au circuit à pyromètre, une solution nettement plus compacte et surtout plus économique; un autre avantage réside dans le fait que la mesure de températures absolues n'exige aucun étalonnage particulier, ni aucune norme interne De la même manière, le point la- ser et la surface de mesure ne sont plus critiques comme avec le py- romètre étant donné que seule la rémanence lumineuse qui est indé- pendante de l'intensité est importante pour la mesure de température. A noter encore que pour des usinages de matériaux simples, la substance luminescente indicatrice, inerte chimiquement, peut aussi être appliquée directement, par exemple par pulvérisation, de très fai- bles quantités suffisant du fait de l'émission de rayonnement forte et spécifique à la longueur d'onde et la substance n'ayant aucune inciden- ce sur la liaison métallique. REVENDICATIONS 1 Procédé de commande de température pour le micro-usina- ge par laser de systèmes de matériaux formés de matériaux différents absorbant l'infrarouge, les points de liaison ayant une dimension infé- rieure à 100 pm et étant réalisés en métal précieux, caractérisé par le fait que pour commander la puissance du laser au moyen d'un micro- ordinateur de type PC, on procède à la mesure de la rémanence lumi- neuse, directement liée à la température de couches de substance lumi- nescente perméables à la lumière laser Nd:YAG, à la lumière UV, à la lumière visible ou à la lumière IR, lesquelles couches sont appliquées sur une plaque de verre quartzeux ou d'autres éléments utilisée comme support, sont adhérentes et résistantes à l'abrasion et sont directement en contact avec le point de soudure, la substance luminescente étant excitée par le rayonnement UV toutes les 2 ms et la rémanence lumi- neuse étant mesurée par mesure différentielle et transmise à l'ordina- teur de type PC. 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la re- vendication 1, caractérisé par le fait que la plaque de verre quartzeux servant de support laisse passer la lumière, du domaine UV jusqu'à la lumière laser YAG:Nd, est appliquée à plat sur le point de liaison et se ramollit à une température supérieure à la température de liaison, la couche de substance luminescente vitreuse étant appliquée par fusion ou par pulvérisation sur la face en contact et une source de rayonne- ment UV externe ainsi qu'une photodiode de sensibilité adaptée munie d'un filtre rouge et un ordinateur de type PC équipé d'un programme de calcul permettant de déterminer la température à partir de la réma- nence lumineuse. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche de substance luminescente est formée d'europium:oxyde d'Yttrium (Eu:Y 203) appliqué par pulvérisation ou fritté transparent sur le support. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche de substance luminescente est formée d'europium:phos- phate d'Yttrium (Eu:YP 04) appliqué par fusion sur le support. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la couche de substance luminescente indica- trice, chimiquement inerte est appliquée par pulvérisation sur les points de contact.