Brevet FR2707540A1 — publié le 19950120

PROCEDE DE BRASAGE D'UN ELEMENT DE COMPENSATION EN DILATATION THERMIQUE ET D'UN BOITIER EN CERAMIQUE, ET OUTILLAGE UTILISE POUR LA MISE EN OEUVRE DU PROCEDE La présente invention concerne un procédé particulier de brasage d'un élément de compensation en dilatation thermique entre un boîtier en céramique et un substrat, avec des plots de brasage dudit boîtier, et un outillage spécialement conçu pour être utilisé dans la mise en oeuvre du procédé. II est connu d'effectuer l'assemblage de boîtiers en céramique contenant des composants électroniques, avec un substrat, par brasage tendre, c'est-à-dire avec un alliage d'apport dont la température de fusion est inférieure à 450"C. Or, le substrat peut être en un matériau incompatible en dilatation avec la céramique du boîtier, et les assemblages résultant présentent des défaillances à la fois électriques et mécaniques lorsqu'ils sont soumis à des environnements thermiques stressants, par exemple à des températures de -55 C ou de +125"C. Le problème précédent a déjà été résolu par l'utilisation d'un élément de compensation intermédiaire sous forme de pilotis ou colonnettes, qui vient s'intercaler entre le substrat et le boîtier en céramique, et dont le rôle est de compenser les dilatations différentielles susceptibles d'exister entre les différents matériaux assemblés. Un tel élément est plus connu sous le sigle CCMD, initiales anglosaxonnes mises pour Chip Carrier Mounting Device (Elément d'assemblage pour support de puce). A l'heure actuelle, I'assemblage utilisant un CCMD est effectué par un équipement spécialement conçu pour réaliser le brasage par transfert calorifique de vapeurs saturées d'un produit fluoré dont le point d'ébullition est d'environ 21 5 C. Les vapeurs saturées de fluorine présentent l'avantage d'être insensibles, sur le plan thermique, au chromatisme des matériaux à assembler. La qualité du brasage obtenue est donc la même, quelle que soit la couleur des composants. De plus, la vapeur de fluorine saturée possède la faculté d'ignorer les reliefs, de sorte qu'il n'y a pas création de zones d'ombres thermiques. Ainsi, la vapeur de fluorine permet de chauffer les masses d'une manière uniforme. Malgré tous les avantages précédents, qui ont fait que les équipements phase vapeur utilisant les vapeurs de fluorine saturées sont actuellement les seuls utilisés par les industriels, I'inconvénient majeur des vapeurs chimiques caloporteuses de produits fluorés est le risque de dégagement de produits toxiques. Par ailleurs, les produits fluorés étant très coûteux, il était jusqu'à maintenant habituel d'utiliser une couverture des vapeurs fluorées par vapeur de chloro-fluo-carboné (CFC) pour limiter les pertes. Or, ce type de solvant est très néfaste pour l'environnement, et contribue notamment à la destruction de la couche d'ozone. II s'ensuit que ce type de produits polluants est soumis à la réglementation sur les agents destructeurs de l'environnement, et il est prévu d'en interdire prochainement leur utilisation.. Enfin, les équipements phase-vapeur ne sont pas facilement intégrables dans une chaîne de production. Tous ces inconvénients précédents ont conduit la Demanderesse à rechercher un procédé de substitution qui soit capable d'effectuer un assemblage par brasage de haute qualité métallurgique, sans avoir une influence néfaste sur l'environnement. Plus précisément, la présente invention a pour premier objet un procédé de brasage d'un élément de compensation de dilatation thermique entre un boîtier de composants électroniques en céramique et un substrat avec des plots de brasage dudit boîtier, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes: - Préparation du boîtier en céramique en vue de déposer sur les plots de brasage dudit boîtier un alliage de brasage de température de fusion donnée; - Positionnement de l'élément de compensation en vis-à-vis avec les plots du boîtier céramique par l'intermédiaire d'un outillage de positionnement permettant une forte convection lors d'un chauffage; - Chauffage par infra-rouge avec une forte convection forcée de gaz sur l'ensemble constitué de l'élément d'assemblage et du composant, selon un profil de chauffage déterminé pour obtenir, au niveau du joint brasé, un profil de température prédéterminé. Pour assurer une forte convection, il a fallu adapter l'outillage permettant de positionner en vis-à-vis le CCMD avec les plots de brasage du boîtier en céramique. Aussi, un second objet de la présente invention est un outillage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé et notamment pour la mise en oeuvre de l'étape de positionnement, I'outillage étant du type comportant une partie inférieure et une partie supérieure que l'on dispose de part et d'autre respectivement du boîtier et de l'élément de compensation, et qui possèdent des moyens coopérant avec des moyens situés sur l'élément de compensation pour assurer ledit positionnement, et étant caractérisé en ce que les deux parties comportent des perforations placées en vis-à-vis pour permettre ladite convection. L'invention, ainsi que les avantages qu'elle procure, seront mieux compris au vu de la description suivante faite en référence aux figures annexées: - La figure 1 illustre un exemple de boîtier céramique et d'un élément de compensation disponibles dans le commerce; - La figure 2 illustre les différentes étapes du procédé selon l'invention; - Les figures 2a, 2b, 2c et 2d montrent différentes vues des parties principales d'un outillage spécifique selon l'invention qui permet le positionnement du CCMD par rapport au boîtier en céramique, tout en permettant, selon l'invention, une forte convection et une faible inertie thermique; - La figure 3 illustre, à titre d'exemple, le profil en température qu'il est nécessaire d'avoir, selon l'invention, au niveau du joint brasé; - La figure 4 illustre un exemple de profil de température au niveau d'un four du commerce, permettant d'obtenir le profil en température au niveau du joint brasé. Nous avons représenté sur la figure 1, un exemple de boîtier céramique 1 et d'un CCMD 2 associé, que l'on peut trouver dans le commerce. Dans cet exemple, le boîtier céramique 1, de forme sensiblement parallélépipédique, comporte 28 entrées-sorties sous forme de plots de brasage 10 disposés à la surface du boîtier 1, sur tout le pourtour du boîtier 1. Lorsqu'un tel boîtier 1 est susceptible d'être monté sur un substrat de matériau incompatible en dilatation thermique avec la céramique, on vient braser au préalable un élément 2 de compensation en dilatation ou CCMD. Un tel élément 2 est constitué d'un support organique 20 en forme de plaque, sur lequel sont disposés autant de pilotis 21 qu'il y a de plots de brasage 10. Le support organique 20 comporte en outre quatre trous 22 en son centre, et quatre trous 23 aux extrémités de la plaque, dont nous donnerons la fonction par la suite. La figure 2 représente les étapes caractéristiques du procédé de brasage de l'élément de compensation 2 sur le boîtier céramique 1 La première étape 3 du procédé de brasage selon l'invention consiste en une préparation du boîtier céramique 1. En effet, les plots 10 d'un tel boîtier tel qu'on le trouve dans le commerce, sont revêtus d'une couche d'or destinée à protéger les plots Il est donc nécessaire d'enlever le revêtement d'or, par exemple par une dissolution dans un bain d'étain plomb Sn63 Pb37 à 250"C. L'alliage d'apport nécessaire au brasage est ensuite déposé sur les plots de brasage 10, par exemple en trempant le boîtier 1 dans un bain de cet alliage. On utilise préférentiellement comme alliage d'apport un étain-plomb d'excellente qualité brasable, dont la température de fusion est autour de 183"C. II est également possible d'utiliser un alliage étain-plomb-argent qui possède sensiblement le même point de fusion (179"C-1 80"C). Avantageusement, les plots étamés 10 du boîtier 1 sont enduits au pinceau de flux de brasage haute température, par exemple d'une résine liquide, dont le rôle est d'éviter toute oxydation des plots 10. Après cette première étape de préparation 3 du boîtier céramique 1, le procédé selon l'invention prévoit une étape de positionnement 4 de l'élément de compensation 2 par rapport au boîtier céramique 1, de telle sorte que chaque pilotis 21 de l'élément de compensation soit en vis-à-vis et en contact avec un plot 10 étamé et, le cas échéant, fluxé, du boîtier 1. Les figures 2a, 2b, 2c et 2d montrent sous différentes vues les deux parties principales de l'outillage permettant un tel positionnement. L'outillage est constitué d'une partie inférieure 6 et d'une partie supérieure 7, entre lesquelles le boîtier 1 et le CCMD 2 vont être positionnés comme nous allons l'expliquer ci-après: On a représenté tout d'abord sur les figures 2a et 2b respectivement une vue de côté et une vue de dessus de la partie inférieure 6 de l'outillage: La partie inférieure 6 de l'outillage est une plaque de section sensiblement carrée ou rectangulaire, et comportant en son centre une cavité 60 à l'intérieur de laquelle on vient positionner le boîtier céramique 1 de telle sorte que les plots 10 soient sur le dessus. La plaque 6 comporte quatre reliefs 62 qui permettent le centrage du boîtier 1 dans l'outillage. La plaque 6 supporte également quatre pions 61, perpendiculaires au plan de la plaque 6, et situés symétriquement par rapport au centre O de la plaque. Le positionnement de ces quatre pions est déterminé de façon à ce que chaque pion 61 puisse venir s'enficher dans un trou 23 de l'élément de compensation 2 (voir figure 2). Les pions 61 assurent ainsi un centrage de l'élément 2 par rapport au boîtier 1. Enfin, la plaque 6 comporte, selon l'invention, une pluralité de perforations 63, dont la fonction sera expliquée par la suite. Les figures 2c et 2d sont respectivement une vue de côté et une vue de dessous de la partie supérieure 7 de l'outillage: La partie supérieure 7 de l'outillage est une plaque de section sensiblement identique à celle de la partie inférieure 6. Elle comprend, sur sa face inférieure 70, un support 71 centré sur la plaque sur lequel sont disposés quatre pions 72, placés symétriquement par rapport au centre O' de la plaque. Ces pions permettent d'ajuster en hauteur le support organique 20 de l'élément de compensation 2, de manière à ce que chaque pilotis 21 du CCMD soit en contact avec un plot 10 du boîtier 1. La partie supérieure 7 est rapportée sur le CCMD lors du montage et les pions 72 sont situés de telle façon qu'ils peuvent s'enficher dans les trous 22 du CCMD 2 (voir figure 1). Autour du support 71, la plaque 7 comporte également des trous 73 dans lesquels viennent s'enficher les extrémités des pions 61 de la partie inférieure (figures 2a et 2b). En outre, la plaque 7 comporte, selon l'invention, une pluralité de perforations 74, correspondant préférentiellement aux perforations 63 de la pièce inférieure 6 lorsque le positionnement et l'assemblage des différentes pièces sont effectués. La taille des parties inférieure 6 et supérieure 7 dépend bien entendu de la taille du boîtier céramique 1 choisi. Ainsi, un outillage spécifique sera nécessaire selon que l'on travaille sur un boîtier céramique à 20, 28, 32, 68 ou 84 entrées-sorties. Une fois que le positionnement des différentes pièces a été effectué, conformément à l'étape 4 du procédé selon l'invention, l'invention préconise de faire le brasage proprement dit en chauffant l'ensemble constitué par l'assemblage des pièces à l'aide d'une énergie infra-rouge associée à une forte convection de gaz, cette étape étant référencée 5 sur la figure 2. Le grand avantage procuré par 'infra-rouge est qu'il s'agit d'une énergie propre. Elle résout ainsi tout problème lié à l'environnement. En outre, l'aspect convivial de ce type d'énergie infra-rouge permet l'utilisation d'alliages d'apport possédant différents points de fusion (Pb37,5 Sn37,5 ln25 à 134"C, Bi58 Sn42 à 1380C, Pb90 Sn10 à 275"C...). Enfin, une convection importante, de l'ordre de 80%, par injection forcée de gaz inerte, est nécessaire pour limiter au mieux les zones d'ombre thermiques. Les perforations 63 et 74 présentes respectivement sur les parties inférieure 6 et supérieure 7 contribuent à l'obtention de cette forte convection. L'expérimentation de ce type d'énergie infra-rouge dans le cas particulier du brasage d'un CCMD sur un boîtier céramique a permis à la Demanderesse d'optimiser le profil de température en fonction du temps, qu'il est nécessaire d'avoir au niveau du joint brasé, de façon à obtenir un brasage de haute qualité métallurgique. Un appareil particulièrement adapté pour la mise en oeuvre de l'étape de chauffage du procédé selon l'invention est avantageusement constitué d'un four infra-rouge à moufle du type comportant une pluralité d'émetteurs infra-rouge commandés pour obtenir une ou plusieurs zones de chauffage. Les pièces à assembler sont introduites sur le moufle et défilent selon une vitesse prédéterminée de manière à traverser successivement les différentes zones de chauffage du four. Ainsi, il est possible de déterminer le profil de température du joint brasé, non pas en fonction du temps, mais en fonction des zones de chauffage du four. La figure 3 représente l'allure de ce profil optimum de température pour réaliser le brasage, selon le procédé de l'invention, d'un boîtier céramique comportant 20 entrées-sorties et d'un CCMD comportant autant de pilotis: Le profil de température (P) du joint brasé selon l'invention comporte quatre phases caractéristiques, correspondant à six zones de chauffage du four utilisé: La première phase correspondant aux zones 1 et 2 du four, est une phase de préchauffage lors de laquelle la température du joint brasé est augmenté continûment depuis la valeur de température ambiante, c'est-àdire environ 25"C, jusqu'à une valeur d'environ 1600C, inférieure à la température de fusion de l'alliage d'apport utilisée. Durant cette phase de préchauffage, les solvants du flux déposé sur les plots du boîtier céramique s'évaporent. La durée de cette phase dépend de la taille du boîtier traité du fait des différentes inerties de températures des éléments de l'assemblage qui sont en jeu (boîtier, CCMD et outillage). Préférentiellement, I'augmentation de température lors de cette phase de préchauffage ne doit pas être de plus de 3"C par seconde, de manière à éviter tout stress thermique. II est donc nécessaire de configurer le four tant sur le profil de chauffage des émetteurs infra-rouge que sur la vitesse de défilement du convoyeur du four. Durant cette phase de préchauffage, le procédé selon l'invention prévoit avantageusement l'utilisation d'une longueur d'émission infra-rouge longue, typiquement de l'ordre de 1olim, de manière à ce que l'énergie infrarouge soit insensible thermiquement au chromatisme des matériaux à chauffer. La seconde phase correspondant aux zones 3 et 4 de chauffage du four, est une phase de stabilisation durant laquelle la température du joint brasé varie très peu. Cette phase permet d'optimiser le temps de séjour des pièces dans le four de manière à avoir un chauffage uniforme non stressant des pièces introduites. Le temps de séjour des pièces dans les quatre premières zones du four est d'environ 1,5 minutes. A l'issue de cette phase de stabilisation, la température au niveau du joint doit être d'environ 170"C, c'est-à-dire inférieure d'environ 1 00C à la température de fusion de l'alliage d'apport étain/plomb. La troisième phase correspondant aux zones 5 et 6 de chauffage du four est une phase liquide permettant le brasage proprement dit. Durant cette phase liquide, la température du joint doit monter très rapidement depuis environ 170"C jusqu'à une température finale supérieure d'environ 40"C à la température de fusion de l'alliage utilisé. La valeur de la température finale est déterminée pour obtenir une mouillabilité optimum de l'alliage. D'autre part, il est nécessaire que le joint reste le moins longtemps possible dans sa phase liquide de manière à garantir une qualité métallurgique optimale des joints brasés. Pour ce faire, le procédé selon l'invention préconise l'emploi, dans cette phase liquide, d'une longueur d'onde infra-rouge courte, typiquement de l'ordre de 2pm, de façon à obtenir l'élévation de température désirée en un minimum de temps (de l'ordre de 30 secondes). Enfin, la quatrième phase du profil de température est une phase de refroidissement qui doit permettre au joint brasé de passer le plus rapidement possible à une température inférieure à son point de fusion. Le refroidissement est accéléré par l'injection de gaz, par exemple de l'azote. A l'issue de l'étape de chauffage par infra-rouge selon l'invention, les résidus de flux sont nettoyés et éliminés, par exemple par barbotage et pulvérisation de solvant. Puis, I'on procède à l'élimination du support organique 20 du CCMD (voir figure 1), par exemple en plaçant l'ensemble boîtier-CCMD dans un bain-marie contenant de l'eau déminéralisée chauffée à 100"C pendant un temps inférieur ou égal à 30 minutes. Bien que l'allure générale du profil de température selon l'invention au niveau du joint brasé soit la même pour tout type de boîtiers céramiques, il est nécessaire de redéfinir, en fonction des tailles de boîtiers, les durées des différentes phases. En effet, il est clair qu'un boîtier comportant 84 entrées-sorties et son CCMD associé ont une inertie thermique plus élevée qu'un boîtier plus petit de 20 entrées-sorties. De plus, L'énergie infra-rouge possède un transfert calorifique moindre par rapport à la vapeur saturée de fluorine, de sorte qu'il est nécessaire de concevoir un outillage présentant une faible masse thermique à élévation rapide en température et de faible inertie en refroidissement, de façon à ce que l'ensemble des pièces assemblées séjourne au minimum dans la phase liquide de l'alliage en fusion. Les perforations 63 et 74 présentes sur les parties inférieure 6 et supérieure 7, outre le fait qu'elles facilitent une forte convection, contribuent à l'obtention d'un outillage ayant les caractéristiques précédentes. On choisit avantageusement pour les plaques un matériau de faible masse thermique (Ag4 MC par exemple). Lors des différentes expérimentations, la Demanderesse a utilisé un four commercialisé par Piezo Ceram Electronique, sous la référence RCI 400 PCE, et remplissant toutes les exigences requises pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention: en effet, un tel four présente un convoyeur de grande longueur utile, typiquement de 3,90m., permettant un chauffage lent et uniforme à coeur. De plus, un tel four peut fonctionner à 20% en infra-rouge et environ 80% par convection forcée et orientée de gaz inerte, par exemple de l'azote, ce qui permet de limiter les phénomènes d'ombres thermiques. Enfin, les émetteurs infra-rouge de ce four peuvent être programmés pour émettre des longueurs d'ondes infra-rouge d'environ 1 ohm dans les zones 1 à 4 de préchauffage, et d'environ 2pm lors de la phase liquide (zones 5 et 6). II est indispensable de réaliser une modélisation pour définir les profils de chauffe optima des émetteurs infra-rouge du four en fonction du type de boîtiers à assembler, c'est-à-dire essentiellement en fonction de leur taille. Les différents profils de chauffe sont ensuite avantageusement mémorisés sous forme de profils thermiques personnalisés aux différents boîtiers céramique. La figure 4 donne un exemple de profil thermique pour le modèle de four RCI 400 PCE, correspondant au profil de température de la figure 3: Le profil thermique donne la température de consigne des émetteurs infra-rouge du four correspondant à chacune des six zones, soit: - 408 C pour la zone 1 - 260"C pour la zone 2 - 1800C pour la zone 3 - 1500C pour la zone 4 - 388 C pour la zone 5 - 488"C pour la zone 6. La durée de brasage pour une pièce est d'environ 8 minutes. L'intérêt principal du procédé selon l'invention est qu'il ne nécessite pas de produits chimiques caloporteurs nocifs, ni de solvants destructeurs de la couche d'ozone. II permet en outre des assemblages d'excellente qualité métallurgique du fait d'un court séjour dans la phase liquide de l'alliage de brasage rendu possible du fait de l'utilisation d'une longueur courte d'infra-rouge, d'outillages de faible masse thermique, et de gaz injecté pour accélérer le refroidissement. Le procédé selon l'invention peut utiliser2 pour sa mise en oeuvre un four infra-rouge déjà existant et mieux adapté à la production série. Enfin, le procédé selon l'invention concerne tous les boîtiers céramiques équipés de CCMD et destinés à être placés dans un environnement thermique stressant. REVENDICATIONS 1. Procédé de brasage d'un élément (2) de compensation de dilatation thermique entre un boîtier (1) de composants électroniques en céramique et un substrat, avec des plots de brasage (10) dudit boîtier (1), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer les étapes suivantes: - Préparation (3) du boîtier (1) en céramique en vue de déposer sur les plots de brasage (10) dudit boîtier un alliage de brasage de température de fusion donnée; - Positionnement (4) de l'élément de compensation (2) en vis-à-vis avec les plots (10) du boîtier céramique (1) par l'intermédiaire d'un outillage de positionnement permettant une forte convection lors d'un chauffage; - Chauffage (5) par infra-rouge avec une forte convection forcée de gaz sur l'ensemble constitué de l'élément d'assemblage et du composant selon un profil de chauffage déterminé pour obtenir, au niveau du joint brasé, un profil de température prédéterminé. 2. Procédé de brasage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de préparation consiste à: - enlever des plots de brasage (10) le revêtement d'or; - déposer sur les plots un alliage d'apport pour le brasage. 3. Procédé de brasage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de préparation comporte en outre une étape lors de laquelle on enduit les plots (10) d'un flux de brasage haute température. 4. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit alliage d'apport est un alliage étainlplomb de température de fusion de 180"C. 5. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil de température prédéterminé au niveau du joint brasé comporte quatre phases successives: - une phase de préchauffage lors de laquelle la température du joint brasé augmente continûment depuis la valeur de température ambiante jusqu'à une température de valeur inférieure à ladite température de fusion; - une phase de stabilisation durant laquelle la température du joint varie peu; - une phase liquide lors de laquelle la température est montée rapidement jusqu'à une température finale supérieure à la température de fusion de l'alliage d'apport; - une phase de refroidissement lors de laquelle la température du joint diminue jusqu'à une température de valeur inférieure à la température de fusion de l'alliage. 6. Procédé de brasage selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lors de ladite phase de préchauffage, la température du joint subit une augmentation inférieure ou égale à 3"C par seconde. 7. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que, lors de ladite phase de préchauffage, I'infrarouge utilisé possède une longueur d'onde longue, insensible thermiquement au chromatisme du boîtier, de l'élément de compensation et de l'outillage. 8. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que l'écart entre la température finale et la température de fusion de l'alliage est d'au moins 40"C. 9. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que, lors de ladite phase liquide, I'infra-rouge utilise possède une longueur d'onde courte. 10. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit profil de température au niveau du joint est prédéterminé pour chaque famille de boîtiers céramiques de même taille. 11. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, I'élément de compensation (2) étant constitué d'un support organique (20), le procédé comporte en outre une étape d'élimination du support organique. 12. Procédé de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de chauffage s'effectue avec une convection à 80% de gaz inerte. 13. Procédé de brasage selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit gaz inerte est de l'azote. 14. Outillage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 13, et notamment pour la mise en oeuvre de l'étape de positionnement, l'outillage étant du type comportant une partie inférieure (6) et une partie supérieure (7) que l'on dispose de part et d'autre respectivement du boîtier (1) et de l'élément de compensation, et qui possèdent des moyens (61, 62, 72, 73) coopérant avec des moyens (22, 23) situés sur l'élément de compensation pour assurer ledit positionnement, et étant caractérisé en ce que les deux parties (6, 7) comportent des perforations (63, 74) placées en vis-à-vis pour permettre ladite convection.