Brevet FR3008015A1 — publié le 20150109

Appareil de distribution et de répartition de brasure sans flux, sur un substrat DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un appareil de distribution et de répartition de brasure sans flux sur un substrat. HISTORIQUE DE L'INVENTION Les procédés de brasage de ce type sont typiquement, mais pas exclusivement, utilisés pour le montage de puces de semi-conducteur sur un substrat métallique, dénommé cadre de montage. Habituellement les semi-conducteurs de puissance sont principalement connectés grâce à un brasage tendre avec le substrat, qui consiste habituellement en cuivre, afin de garantir une dissipation plus efficace des pertes de chaleur de la puce de semi-conducteur via le joint à brasure tendre par rapport au montage au moyen d'un adhésif. Des exigences très fortes sont imposées pour l'homogénéité du joint à brasure tendre, en particulier dans le cas d'une densité calorifique supérieure, c'est-à-dire une épaisseur définie, une distribution uniforme et un mouillage parfait de la souche de brasure sur l'intégralité de la zone de la puce et on exige également une absence totale de bulles et une pureté du joint à brasure tendre. D'autre part, la brasure ne doit pas s'échapper latéralement de l'espace prévu pour la brasure et s'étaler près de la puce de semi-conducteur, ce qui demande à nouveau un dosage et un positionnement précis des portions de brasure. Dans le domaine du montage des puces de semi-conducteur, un procédé est très répandu et d'usage pratique, dans lequel l'extrémité d'un fil de soudure est amené en contact avec le substrat qui est chauffé jusqu'à une température supérieure à la température de la brasure afin de faire fondre une partie du fil de soudure. D'une manière générale, ce procédé convient parfaitement à la production en série du fait de sa simplicité et de sa souplesse. Cependant, la surface de mouillage approximativement circulaire obtenue n'est pas adaptée à la forme rectangulaire ou carrée des puces de semi-conducteur. Une matrice est en outre connue d'après le Brevet américain N° 6.056.184, avec laquelle la portion de brasure déposée sur le substrat peut être amenée à prendre une forme plate qui correspond à la forme rectangulaire des puces de semiconducteur. On sait également déplacer l'extrémité du fil métallique de soudure à l'aide d'une tête d'écriture le long d'un trajet spécifique, le substrat chauffé faisant fondre la brasure en continu. Un chemin de brasure est ainsi déposé sur le substrat. Un procédé est connu d'après le Brevet américain n° 5.878.939, dans lequel une brasure liquide est injectée dans une cavité formée entre une matrice de moulage et le substrat. Un certain nombre d'inconvénients sont cependant inhérents à ces procédés connus. La forme de la brasure déposée est soit ronde, soit il est nécessaire de fabriquer une matrice spécifique pour chaque forme rectangulaire. Une telle matrice comprend des parois latérales qui couvrent une partie du substrat. Par conséquent, la brasure ne peut donc pas être appliquée jusqu'au bord de l'ilot de la puce qui abrite la puce de semi-conducteur. De plus, le substrat doit être chauffé jusqu'à une température supérieure à la température de fusion de la brasure et la brasure déposée doit être maintenue sous forme liquide, de l'application jusqu'au placement de la puce de semiconducteur. Le fait que les parties qui viennent en contact avec la brasure liquide doivent être régulièrement nettoyées, ce qui implique une interruption de la fabrication, représente un autre inconvénient. Un procédé est également connu d'après le Brevet américain n° 4.577.398 et le Brevet américain n° 4.789.843, dans lequel des préformes plates composées de métal de brasure (dénommées « préformes de brasure ») sont préfabriquées, dont les dimensions sont ajustées aux puces de semi-conducteur. Les préformes de brasure sont ensuite placées sur le substrat et fondues par celui-ci afin de former une couche de brasure ayant les dimensions requises. Ce procédé est relativement onéreux et n'offre qu'une faible flexibilité du fait de la nécessité d'effectuer une préfabrication des préformes de brasure et des opérations de montage supplémentaires. Un procédé et un appareil sont connus d'après le document américain 2009145950, dans lesquels un fil de soudure est guidé à travers la tête d'écriture d'un distributeur de brasure, le fil étant amené en contact avec le substrat chauffé, au moment de l'application de la brasure, de telle sorte que la brasure fonde à l'extrémité du fil, et la tête d'écriture se déplaçant le long d'un trajet prédéterminé parallèle à la surface du substrat. Le distributeur de brasure trace un chemin de brasure sur le substrat. Le fait que le substrat ne puisse être qu'insuffisamment mouillé sans nettoyage préalable représente un inconvénient de ce procédé. Du document US 2012-0298730 est connu un procédé de distribution et de répartition de brasure dans lequel, dans une première étape, une portion de soudure est appliquée sur le substrat et, dans une deuxième étape, la portion de soudure est répartie sur le substrat au moyen d'un poinçon sur lequel peuvent être appliqués des ultrasons. La distribution et répartition de la brasure sans flux sur un substrat est influencée par différents facteurs, tels que des impuretés et des couches d'oxyde sur la surface du substrat, des processus chimiques entre les outils qui sont utilisés respectivement pour la distribution ou la répartition, et la brasure qui fait que la distribution et répartition est une tâche difficile. RESUME DE L'INVENTION L'invention a pour objet la distribution sur un substrat d'une portion de brasure de qualité parfaite dosée avec précision. Selon l'invention, un dispositif de distribution et de répartition d'une brasure sans flux sur un substrat comprend un outil allongé avec une pointe avec une ouverture et avec un orifice longitudinal qui débouche dans l'ouverture dans la pointe de l'outil; un support de montage d'outil avec un orifice longitudinal; un générateur d'ultrasons avec un orifice longitudinal qui est fixé au support de montage d'outil, et un tube guide-fil; dans lequel l'outil peut être fixé au support de montage d'outil de sorte que et le générateur d'ultrasons est fixé au support de montage d'outil de sorte que leurs orifices longitudinaux soient en alignement l'un avec l'autre, et dans lequel le tube guide-fil s'étend à travers les orifices longitudinaux du générateur d'ultrasons et du support de montage d'outil, fait saillie dans l'orifice longitudinal de l'outil jusqu'à une position au- dessus de la pointe de l'outil et ne touche pas l'outil. Le support de montage d'outil peut comprendre un prolongement dans lequel s'appuie le tube guide-fil. Le prolongement est de préférence disposé dans un noeud des ondes ultrasonores générées par le générateur d'ultrasons. Une chambre de refroidissement qui peut être refroidie de manière active peut être formée entre une paroi intérieure du boîtier et le générateur d'ultrasons. Un réservoir de chaleur peut être fixé au tube guide-fil. Le dispositif peut être monté sur une tête d'écriture qui est déplaçable dans trois directions spatiales, et un dispositif de chauffage et de refroidissement, à travers lequel fait saillie la partie inférieure de l'outil, peut être utilisé pour maintenir la température de la pointe de l'outil dans une plage de température prédéterminée. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES DES DESSINS Les dessins joints en annexe, qui sont incorporés à et font partie de la présente spécification, illustrent un ou plusieurs modes de réalisation de la présente invention et, 25 ensemble avec la description détaillée, servent à expliquer les principes et les mises en oeuvre de l'invention. Les figures ne sont pas à échelle. Dans les dessins: la figure 1 montre un dispositif selon l'invention pour la distribution et de répartition de brasure sans flux sur un substrat, et 30 la figure 2 montre une tête d'écriture avec un tel dispositif. 20 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 montre un dispositif 1 de distribution et de répartition de soudure sans flux sur un substrat 2, selon l'invention. Les substrats 2 sont transportés selon une direction de transport prédéterminés à travers un four 3 dans lequel se trouve habituellement une atmosphère de gaz protecteur. Le gaz de protection 4 est par exemple H2N2. Comme montré à la figure 2, le dispositif 1 est fixé à une tête d'écriture 5 qui peut être déplacée par des entraînements (non représentés) dans deux directions X et Y s'étendant de manière plane par rapport au plan des substrats 2 et peut être levé et abaissé dans une direction Z s'étendant perpendiculairement au plan des substrats 2. La tête d'écriture 5 est déplacée le long d'un trajet prédéterminé pendant et/ou après la distribution de la brasure, pour répartir la brasure sous forme de portion de brasure 6 sur le substrat 2. Le dispositif 1 comprend un outil allongé 7 avec une pointe 8 qui est pourvue d'une ouverture, un support de montage d'outil 9, un générateur d'ultrasons 10 et un tube guide-fil 11. La pointe 8 de l'outil 7 peut être un élément intégrant de l'outil 7 ou une pièce séparée qui est fixé à l'outil 7 et qui est amovible et, de ce fait, échangeable. La brasure est alimentée sous forme d'un fil de brasure 12. Le fil de brasure est habituellement enroulé sur une bobine de fil et est alimenté par un dispositif d'alimentation de fil 13 au tube guide-fil 11. Le dispositif 1 comprend par ailleurs, optionnellement, un réservoir de chaleur 14 et un boîtier 15. La partie inférieure de l'outil 7 fait saillie à travers un dispositif de chauffage et de refroidissement 16 que est utilisé pour maintenir la température de la pointe 8 de l'outil 7 dans une plage de température prédéterminée. Le dispositif d'alimentation de fil 13 et le dispositif de chauffage et de refroidissement 16 sont de préférence fixés à la tête d'écriture 5, mais peuvent également être fixés à une base 18 du dispositif 1. L'outil présente un orifice longitudinal 7 qui débouche dans l'ouverture dans la pointe 8 de l'outil 7. L'outil 7 est fixé au support de montage d'outil 9, ce qui se produit avantageusement de manière amovible et, de ce fait, échangeable. Le générateur d'ultrasons 10 est fixé au support de montage d'outil 9, notamment du côté opposé de l'outil 7. Le support de montage d'outil 9 se présente en même temps sous forme de corps oscillant et transmet les ondes ultrasonores générées par le générateur d'ultrasons 10 à l'outil 7. Le support de montage d'outil 9 et le générateur d'ultrasons 10 comprennent un orifice qui, dans ce cas, sont appelés orifices longitudinaux, parce qu'ils sont disposés le long d'un axe longitudinal central du dispositif. Les orifices longitudinaux de l'outil 7, le support de montage d'outil 9 et le générateur d'ultrasons 10 s'étendent le long de l'axe longitudinal central, c'est-à-dire qu'ils sont en alignement l'un avec l'autre, et le tube guide-fil 11 s'étend le long de l'axe longitudinal central à travers les orifices longitudinaux du générateur d'ultrasons 10, du support de montage d'outil 9 et de l'outil 7, fait saillie dans l'orifice longitudinal de l'outil 7 et arrive jusqu'à une position au- dessus de la pointe 8 de l'outil 7, sans toucher l'outil 7. Les ondes ultrasonores générées par le générateur d'ultrasons 10 sont des ondes longitudinales s'étendant le long de l'axe longitudinal central. Le support de montage d'outil 9 est de préférence disposé avec une bride 17 qui est disposée dans un noeud des ondes ultrasonores et est fixé par l'intermédiaire de la bride 17 à la base 18 du dispositif 1. La base 18 est configurée pour être fixée à la tête d'écriture 5 (Fig. 2). La température du tube guide-fil 11 doit se situer au-dessous de la température de fusion de la brasure, de sorte que le fil de brasure guidé par le guide-fil 11 ne fonde pas et reste suffisamment rigide, de sorte que des parties de brasure définies avec précision puissent être appliquées sur le substrat 2. Pour remplir cette tâche, le tube guide-fil 11 est fixé en principe, c'est-à-dire directement ou indirectement, à la base 18 de sorte qu'il ne touche pas le générateur d'ultrasons 10 et l'outil 7, et de préférence aussi qu'il ne touche pas le support de montage d'outil 9. Dans le mode de réalisation illustré, le tube guide-fil 11 est fixé au réservoir de chaleur 14, le réservoir de chaleur 14 est fixé au boîtier 15 et le boîtier 15 est fixé à la base 18. Pour augmenter la stabilité de la position du tube guide-fil 11, l'orifice longitudinal du support de montage d'outil 9 peut être pourvu d'un prolongement 19 qui est par exemple annulaire, et le tube guide-fil 11 s'appuie radialement dans ledit prolongement 19. Le prolongement 19 est avantageusement situé dans un noeud des ondes ultrasonores générées par le générateur d'ultrasons 10, afin d'empêcher que l'énergie ultrasonore ne soit transmise au tube guide-fil 11, laquelle serait convertie en chaleur. L'appui du tube guide-fil 11 dans le prolongement 19 est de préférence prévu avec un peu de jeu, de sorte que la zone dans laquelle le tube guide-fil 11 et le 19 entrent en contact l'un avec l'autre soit aussi petite que possible, afin de minimiser la transmission de chaleur et également de l'énergie ultrasonore. D'autres possibilités de maintenir la température du tube guide-fil 11 au-dessous de la température de fusion du fil de brasure sont les suivantes: L'utilisation d'un réservoir de chaleur 14 qui est fixé au tube guide-fil 11 dans la zone d'alimentation de fil. Le réservoir de chaleur 14 est utilisé pour refroidir le tube guide-fil 11 et pour maintenir ce dernier sur toute sa longueur à une température qui se situe au-dessous de la température de fusion du fil de brasure 12. Le réservoir de chaleur 14 et le tube guide-fil 11 sont donc connectés l'un à l'autre de manière conductrice thermiquement. Le réservoir de chaleur 14 peut être refroidie activement, par exemple, par alimentation d'un gaz de refroidissement ou au moyen d'éléments à effet de Peltier qui pompent de la chaleur du réservoir de chaleur 14 vers le milieu ambiant, ou par d'autres moyens. L'utilisation d'un boîtier 15 qui est formé de sorte que soit formée une chambre de refroidissement 20 entre la paroi intérieure du boîtier 15 et le générateur d'ultrasons 10, chambre de refroidissement qui est refroidie activement, par exemple, par alimentation d'un gaz de refroidissement ou par d'autres moyens, tels que par exemple des éléments à effet de Peltier. Le boîtier 15 est fixé à la base 18. Le gaz de refroidissement est de préférence fourni par un appareil de refroidissement et alimenté vers et évacué de la chambre de refroidissement 20 en circuit fermé. Le boîtier 15 est pourvu d'une entrée et d'une sortie à cet effet. Le refroidissement de la chambre de refroidissement 20 est réalisé de sorte que la température dans la chambre de refroidissement 20 soit suffisamment basse pour assurer un bon fonctionnement des éléments piézo-électriques du générateur d'ultrasons 10. Le tube guide-fil 11 s'étend en partie à travers la chambre de refroidissement 20 et est donc également refroidi. Le support de montage d'outil 9 peut être pourvu de nervures de refroidissement, pour assister le refroidissement du tube guide-fil 11 et du générateur d'ultrasons 10. Le tube guide-fil 11 est réalisé en un matériau qui ne peut être mouillé qu'avec difficulté par une brasure sans flux. Un céramique est un matériau qui convient particulièrement un pour le tube guide-fil 11, mais également l'acier inoxydable. L'outil 7 est réalisé en un matériau qui conduit très bien le son ultrasonore, tel que l'acier inoxydable ou le titane qui peuvent être utilisés en forme de poudre ou avec de très faibles quantités d'agents d'alliage d'aluminium, de vanadium, de manganèse, de molybdène, de palladium, de cuivre, de zirconium et/ou d'étain. La pointe 8 de l'outil 7 présente une surface de travail qui entoure l'ouverture et qui est opposée au substrat 2 et est réalisée en un matériau qui peut très bien être mouillé par une brasure sans flux ou est revêtue d'un tel matériau. Dans certains processus, la zone de travail touche le substrat 2 pendant l'application et/ou la répartition de la brasure, mais pas dans d'autres processus. Des matériaux qui sont relativement bien mouillés par la brasure sans flux sont le cuivre et les alliages de cuivre tels que le bronze, le laiton, etc., ou également surtout les alliages contenant de l'argent, c'est-à-dire un alliage d'argent et de faibles quantités d'agents d'alliage, tel que par exemple l'argent sterling, ou encore de l'or avec de de faibles quantités d'agents d'alliage. Le laiton est disponible en différentes variantes, dont CuZn37 ou CuZn38Pb2 sont des représentants typiques. En dehors de la zone de travail, l'extérieur de l'outil allongé 7 peut être revêtu, au moins dans la région de la pointe 8, d'un matériau qui ne peut pas être bien mouillé par une brasure sans flux, tel que par exemple le chrome. L'alimentation de la brasure sur le substrat s'effectue de sorte que le fil de brasure 12 avance d'une longueur prédéterminée L1, de sorte qu'il touche le substrat 2 et sa pointe fonde et soit ensuite retiré d'une longueur plus courte prédéterminée L2. La différence de longueur définit la quantité de brasure alimentée. Tandis que des modes de réalisation et des applications de la présente invention ont été illustrés et décrits, il sera évident pour l'homme de l'art disposant de l'avantage de la présente description que beaucoup plus de modifications que celles mentionnées ci-dessus sont possibles sans s'écarter des concepts de l'invention décrits ici. Aussi, 'invention ne doit pas être limitée, sauf au cadre des revendications en annexe et de leurs équivalents. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de distribution et de répartition d'une brasure sans flux sur un substrat (2) comprend un outil allongé (7) avec une pointe (8) avec une ouverture et avec un orifice longitudinal qui débouche dans l'ouverture dans la pointe (8) de l'outil (7); un support de montage d'outil (9) avec un orifice longitudinal; un générateur d'ultrasons (10) avec un orifice longitudinal qui est fixé au support de montage d'outil (9), et un tube guide-fil (11); dans lequel l'outil (7) peut être fixé au support de montage d'outil de sorte que et le générateur d'ultrasons est fixé au support de montage d'outil (9) de sorte que leurs orifices longitudinaux soient en alignement l'un avec l'autre, et dans lequel le tube guide-fil (11) s'étend à travers les orifices longitudinaux du générateur d'ultrasons (10) et du support de montage d'outil (9), fait saillie dans l'orifice longitudinal de l'outil (7) jusqu'à une position au-dessus de la pointe (8) de l'outil (7) et ne touche pas l'outil (7). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support de montage d'outil (9) comprend un prolongement (19) dans lequel s'appuie le tube guide- fil (11). 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le prolongement (19) est disposé dans un noeud des ondes ultrasonores générées par le générateur d'ultrasons (10). 4. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant par ailleurs un boîtier (15) dans lequel est formée une chambre de refroidissement (20) pouvant être refroidi activement entre une paroi intérieure du boîtier (15) et le générateur d'ultrasons (10). 30 5. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant par ailleurs un réservoir de chaleur (14) qui est fixé au tube guide-fil (11). 6. Tête d'écriture (5) qui est déplaçable dans trois directions spatiales, comprenant un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et un dispositif de chauffage et de refroidissement (16) à travers lequel fait saillie la partie inférieure de l'outil (7), dans lequel le dispositif de chauffage et de refroidissement (16) est utilisé pour maintenir la température de la pointe (8) de l'outil (7) dans une plage de température prédéterminée.