Brevet FR3033080A1 — publié le 20160826

PROCEDE DE FABRICATION DE PONTS DIELECTRIQUES D'IDENTIFICATION SANS CONTACT L'invention concerne un procédé de fabrication d'étiquettes ou de tags RFID ainsi que l'utilisation de machines de report pour la mise en oeuvre d'un tel procédé de fabrication. Les étiquettes ou tags en anglais RFID sont destinés à une identification par radiofréquence sans contact d'objets de formats très variés en remplacement des codes barres. Les étiquettes ou tags RFID sans contact comportent d'une part un circuit intégré nommé « chip » en anglais (puce) et un circuit conducteur formant antenne sur un support diélectrique. Les antennes sont en général en cuivre ou en aluminium mais peuvent être imprimées par des procédés d'impression tels que la sérigraphie (« screen printing » en anglais), le jet d'encre, la flexographie, etc... en utilisant des encres spéciales à base de composants conducteurs comme l'argent ou le cuivre. L'antenne est connectée au circuit intégré par l'intermédiaire de bornes nommées « pads » en anglais et ce pour assurer la réception et l'émission de signaux radiofréquences entre un lecteur distant (« reader » en anglais) et le circuit intégré. La connexion des bornes du circuit conducteur formant antenne et des bornes du circuit intégré peut être réalisée suivant différentes méthodes. Les deux méthodes les plus couramment utilisées sont celle du câblage par fils ou « wire bonding » et celle par excroissances nommés « bumps » en anglais. Dans la méthode dite du « wire bonding », les bornes du circuit intégré sont connectées aux bornes du circuit conducteur (antenne) par l'intermédiaire de fils de connexion, très souvent en or. Ce qui entraine pour la connexion d'un circuit intégré à une antenne un minimum de quatre opérations de micro-soudage. L'ensemble est protégé par le dépôt d'une goutte de colle non conductrice. Les cadences de fabrication suivant ce procédé sont très faibles à cause des opérations de microsoudage. De plus, les circuits produits sont épais compte tenu du procédé de soudage. La seconde méthode, la plus courante aujourd'hui, utilise des excroissances ou « bumps » positionnées aux quatre coins du circuit intégré de forme carrée ou rectangulaire. Les « bumps » sont en général en or pur à 99,9 %. La connexion est assurée après avoir retourné le circuit de 180 0 suivant la méthode dite de « flip-chip » de telle façon que les bumps se positionnent directement sur les pads du circuit conducteur. Un point de colle anisotropique disposé préalablement au retournement assure la connexion électrique 3033080 2 unidirectionnelle entre les bumps du circuit intégré et les pads de l'antenne en même temps que la protection de la puce et des connexions par une couverture globale. La tolérance au positionnement des circuits intégrés sur le support portant le circuit conducteur selon cette méthode est relativement faible et entraine une guerre commerciale s entre les constructeurs de machines de positionnement et les fournisseurs de circuits intégrés avec comme conséquence une course technologique sur la qualité et sans doute une sur-qualité couteuse. Il s'en suit que la tolérance au positionnement varie de 30 gm chez les constructeurs de machines de positionnement à 50 pm chez les fournisseurs de circuits intégrés. S'agissant de circuits de toutes petites dimensions de l'ordre de 400 x 400 p.m, la 10 tolérance a toute son importance car les dimensions des bumps sont très faibles, 60 x 60 gm en général. La conséquence de cette situation est que les machines utilisées pour le montage en « flip-chip » des circuits intégrés sur les circuits conducteurs sont relativement lentes et chères. Les cadences nominales les plus rapides sont de l'ordre de 10.000 unités par heure 15 mais les cadences effectives sont très souvent inférieures à 8.000 pièces à l'heure. Pour pallier cette difficulté, les constructeurs de machines multiplient les têtes de pose, mais cette stratégie se fait au détriment du coût et également de la souplesse d'utilisation. Ces cadences sont très faibles en comparaison des cadences obtenues pour le montage de circuits montés en surface (CMS). 20 Le procédé en « flip-chip » est grevé par la manipulation délicate (retournement et positionnement) des circuits intégrés et leur positionnement dans le respect des tolérances imposées ainsi que par le procédé de fixation des circuits intégrés par l'utilisation de colle anisotropique couteuse à l'emploi et longue à sécher de l'ordre de 100 msec. imposant des tunnels de séchage couteux en investissement et en fonctionnement et encombrants. 25 Considérant l'art antérieur précité, un problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser un procédé de fabrication d'étiquettes RFID qui pallie aux inconvénients précités des procédés existants et qui autorise en particulier des cadences de report des circuits intégrés importantes en utilisant des machines dont les cadences de fabrication sont élevées avec des rendements et des budgets acceptables. 30 La solution proposée de l'invention à ce problème posé a pour premier objet un procédé de fabrication d'étiquettes RFID caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de : Fourniture d'une galette de silicium (« wafer ») munie de circuits intégrés standard tels qu'elles sont fournies par les différents fabricants, la galette (wafer en anglais) étant préalablement sciée avant le montage dans la machine de pose 3033080 3 Saisie des circuits intégrés au moyen d'un moyen de préhension d'une machine de report de circuits montés en surface Repérage des circuits intégrés en positionnement avant leur report sur le circuit conducteur par l'intermédiaire d'une caméra et d'un système de vision 5 Arrêt du support diélectrique portant l'antenne sous la tête de report Report des circuits intégrés saisis sur le support diélectrique en respectant les tolérances de pose grâce au repérage préalable des circuits Fixation du circuit intégré par utilisation d'un laser infra-rouge ou vert (« green laser » en anglais) suivant les caractéristiques des surfaces de contact du circuit 10 intégré (puce) et de l'antenne Elle a pour second objet l'utilisation d'une machine de report dont les tolérances au positionnement des circuits intégrés sont comprises ou égales entre 30 et 50 p.m avec une cadence nominale de l'ordre de 30.000 unités par heure. Le positionnement dans le respect des tolérances est assuré sur le support diélectrique par un module spécial intégré sous la 15 machine de report utilisant pour la mise en place du circuit intégré les informations de repérage fournies par la machine de pose. Pour assurer un positionnement sans faille, la bobine du support diélectrique portant le circuit conducteur est alors arrêtée et immobile suivant un procédé de « stop and go » pour permettre à la pipette de la machine de pose de livrer le circuit intégré en respectant les tolérances et de maintenir ce circuit fixe en pression 20 sur le support diélectrique pendant l'opération de fixation par laser. La bande du support diélectrique redémarre ensuite une fois la fixation par laser terminée. Le temps de fixation (« microbonding ») est estimé entre 1 et 2 msec. Aucun traitement thermique n'est nécessaire pendant et après cette opération. Les derniers développements des fabricants de circuits intégrés sont à l'élargissement des surfaces de contact soit en élargissant la surface des 25 « pads » des circuits électriques par intégration de la zone de contact ayant un simple rôle fonctionnel de stabilisation de la puce et ne jouant aucun rôle dans la connexion du circuit intégré ou au contraire en remplaçant les « bumps » des circuits intégrés par une zone de contact élargie. Les tolérances de pose étant élargies, la vitesse de pose des circuits intégrés s'en trouve donc augmentée. 30 Elle a pour troisième objet l'utilisation d'un laser pour assurer la connexion du circuit intégré avec le circuit conducteur. Le laser est fixé en dessous de la machine de report et intégré dans un module spécial qui permet d'assurer le positionnement du circuit intégré sur le support diélectrique dans le respect des tolérances en même temps que le maintien par la pipette de dépose du circuit intégré en appliquant une légère pression de l'ordre d'un Newton. 3033080 4 Le laser est déclenché dés que le circuit intégré est en place. Il est fait usage en fonction des circonstances d'un laser à une tête ou plusieurs têtes ou bien de plusieurs lasers fonctionnant simultanément dont les têtes sont orientées vers les surfaces de contact. De manière avantageuse, la machine de report est une machine standard prévue 5 pour le montage des composants montés en surface. Comme les circuits intégrés sont disposés dans la galette (« wafer ») avec leur face active orientée vers le haut, ceux-ci sont préalablement retournés avant leur saisie au moyen du bras de la pipette de préhension avant d'être disposés sur le support diélectrique. Elle a pour quatrième objet l'utilisation d'un laser fonctionnant dans la gamme des 10 lasers infra-rouge, comme par exemple une longueur d'onde de 1.064 nm. Cette gamme assure une bonne connexion des surfaces de contact qui si elles sont en alliage composé de plusieurs matériaux. Elle a pour cinquième objet l'utilisation d'un laser fonctionnant dans la gamme des lasers verts, comme par exemple une longueur d'onde de 532 nm. Cette gamme assure une 15 bonne connexion des surfaces de contact en métaux non ferreux comme le cuivre et l'or. Elle a pour sixième objet l'utilisation d'un support en polyimide diélectrique résistant aux sollicitations des rayons laser et à la chaleur comme par exemple le Kapton® fourni par la société DuPont®. De plus, et pour éviter les effets secondaires du rayonnement laser sur le support diélectrique, celui-ci pourra , si besoin est, être protégé entre le circuit conducteur et 20 le support diélectrique par un revêtement anti-réfléchissant (« anti reflection coating ») dans le but de le neutraliser et de maitriser les rayons au moment de leur retour ou de leur dispersion non contrôlée. Elle a pour septième objet l'utilisation d'un pont diélectrique ou « strap » permettant d'optimiser la fabrication des étiquettes ou tags RFID grâce à un format unique standardisé 25 (norme JEDEC MO-283) du circuit conducteur utilisable pour plusieurs gammes de fréquences (seuls la longueur et le format varient alors que le pas et les tolérances restent identiques) dont celles les plus courantes comme la HF (High Frequency : 13,56 MHz) et la UHF (Ultra High Frequency : de 966 à 915 MHZ suivant les pays). Le pont électrique ou « strap » peut ensuite être reporté facilement de façon très rapide et fixé avec une colle conductrice standard 30 compte tenu de la taille des surfaces en contact (de l'ordre de 3x3 mm) pour la fabrication des étiquettes ou tags RFID de formats et de spécification très différents. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels : 3033080 5 La figure 1 illustre un mode de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'étiquettes RFID selon l'invention La figure 2 schématise le report d'un circuit intégré sur un support portant un circuit conducteur formant antenne pour la fabrication de supports diélectriques ou straps sans 5 contact selon l'invention La figure 3 illustre le fonctionnement du laser pendant la fixation du circuit intégré sur le circuit conducteur. Les étiquettes RFID ou tags selon l'invention sont de format très variable et répondent à des normes très précises comme par exemple la norme ISO 18000-3 pour les 10 circuits HF (« High Frequency ») de fréquence 13,56 MHz et la norme ISO 18000-6 pour les circuits UHF (« Ultra High Frequency ») d'une fréquence de fonctionnement allant de 866 à 915 MHz. Ces étiquettes comportent un circuit intégré et un support d'un circuit conducteur formant antenne. Le circuit intégré ou puce se présente sous la forme d'un parallélépipède d'une centaine de microns d'épaisseur. A titre d'exemple, la puce la plus récente de NXP, la 15 UCODE 7 mesure 120 µm d'épaisseur (± 15 p.m). Les cotés sont de l'ordre de 400 La face active de la puce comprend quatre « bumps » assurant les connexions. Dans le cas de la NXP UCODE 7, les « bumps » en or à 99,9 % ont une hauteur de 25 lm et mesurent 60 x 60 Les « bumps » en or sont d'un grand intérêt pour assurer la liaison par soudage avec les « pads » du circuit conducteur en cuivre. Il s'agit d'une excellente possibilité offerte par l'utilisation d'un 20 laser vert dont le coefficient d'absorption est excellent. Pour éviter les effets secondaires dus à l'utilisation de lasers verts, il est proposé de remplacer le substrat couramment utilisé dans l'industrie, à savoir le PET, par un matériau sensiblement identique au point de vue caractéristiques diélectriques mais résistant aux hautes températures, le polyimide comme le Kapton® fourni par la société DuPont®. 25 Les étapes de la fabrication des étiquettes ou tags RFID selon l'invention sont illustrées notamment à la figure 1. Ainsi que cela apparait sur cette figure, pour la fabrication des étiquettes RFID, on fournit dans une première étape une galette 1 de silicium (« wafer » en anglais). Cette galette comprend une série de circuits intégrés 2 séparés les uns des autres par une étape préalable 30 de sciage, de manière à ce que ceux-ci puissent être saisis au moyen d'un instrument de préhension d'une machine de report de circuits intégrés. La galette 1 sur laquelle sont positionnés les circuits intégrés avec leur face active orientée vers le haut repose sur un support 3 qui maintient en place les circuits intégrés. Les circuits intégrés défectueux sont identifiés, le plus souvent par marquage ou repérés dans une carte galette (« wafer map » en 3033080 6 anglais) associée à la galette de façon à éliminer du traitement les circuits défectueux. Un système de préhension permet de saisir les circuits intégrés un par un à grande vitesse et de les amener après les avoir retournés. Le positionnement de ces circuits est repéré un par un par le système de vision 4. s Dans une autre étape du procédé selon l'invention, on fournit le support 5 en polyimide comme du KaptonTM de la société DuPont® sur lequel sont positionnés de façon régulière les circuits conducteurs 6 dont des bornes (« pads » en anglais) sont destinées à assurer une connexion aux plaques de contact (« bumps » ou « pads » en anglais) du circuit intégré par laser. En pratique, pour la fabrication des étiquettes RFID, les supports 5 sont fournis en bande 7 qui fera l'objet d'une découpe ultérieure. On fournit enfin la machine de report. Cette machine comporte au moins un bras muni d'une pipette qui forme un moyen de préhension des circuits intégrés. Le moyen de préhension permet la saisie d'un circuit intégré, son retournement et son report sur le support 5 en polyimide. 15 Les circuits intégrés saisis et retournés sont amenés un à un à la verticale du circuit conducteur formant antenne pour être reportés entre les bornes du circuit conducteur. Lors de cette manipulation, le positionnement du circuit intégré est repéré par le système de vision 4. L'étape de report est plus particulièrement schématisée à la figure 2. Ainsi que cela 20 apparait sur cette figure, pour son report, le circuit intégré 2, muni des plaques de connexion 7 (« pads » en anglais) est amené à la verticale du support 5 portant l'antenne 6. Le positionnement du circuit intégré 2 dans le respect des tolérances de pose est assuré par le déplacement latéral et/ou longitudinal du support 5 par le module spécial intégré à la machine de report en fonction des données de repérage communiquées par le système de vision 4. 25 Ainsi que cela est illustré à la figure 3, le maintien du positionnement du circuit intégré par rapport au circuit conducteur est assuré par une pression adéquate de l'ordre de un Newton appliquée sur le circuit intégré par l'intermédiaire de la pipette de préhension 1 de la machine de report directement sur le circuit conducteur 6. La connexion du circuit intégré au circuit conducteur formant antenne est assurée 30 par un ou plusieurs faisceaux laser 3 suivant la configuration des étiquettes RFID. Le faisceau laser traverse le support en polyimide comme du KaptonTM de la société DuPont® pour souder avec la chaleur dégagée la surface de contact (« pad » en anglais) du circuit conducteur 6 à la surface de contact (« bump » ou « pad » en anglais) 7 du circuit intégré. 3033080 7 Le faisceau laser assure le micro-soudage (« micro-bonding » en anglais) avec une vitesse de l'ordre de un à deux millisecondes alors que le temps de séchage des adhésifs anisotropiques dans l'art antérieur est de l'ordre de 100 millisecondes. Il est associé à des coûts d'achat des machines inférieurs et des besoins en personnel identiques. Il en découle 5 une très forte optimisation des coûts de production d'étiquettes RFID selon le procédé de l'invention. L'utilisation de ponts diélectriques (« straps » en anglais) standard munis de bornes de connexion, ces bornes de connexion étant destinées à assurer une connexion à des surfaces de contact d'étiquettes RFID de format et de taille très variés permettent une fabrication très so rationnelle sur une machine de façonnage pour répondre à des besoins très variés en fréquence (UHF ou HF), petites, moyennes ou grandes séries, supports particuliers pour répondre à des contraintes d'utilisation particulières, format spéciaux ou standard, etc... Le procédé de fabrication suivant l'invention est destiné à une très grande généralisation de l'utilisation des étiquettes (tags en anglais) RFID à des prix abordables et 15 répondant à des besoins très variés. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de ponts diélectriques (« straps » en anglais) d'identification sans contact d'un pas standardisé et d'une tolérance élargie ou d'étiquettes (« tags » en anglais) de petite laize sans contact caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de: fourniture d'une galette de silicium munie de circuits intégrés standard face active tournée vers le haut préalablement préparée par sciage pour une connexion par laser des bornes de contact des dits circuits à des bornes de contact de circuits conducteurs formant antenne disposés à la surface d'un support diélectrique en polyimide comme le KaptonTM de la société DuPonte) résistant à la chaleur et aux rayonnements dispensés par les lasers saisie des circuits intégrés par l'intermédiaire d'un moyen de préhension d'une machine de report de circuits intégrés assurant leur retournement à 180 ° saisie des informations de positionnement du circuit intégré par l'intermédiaire d'une caméra et d'un système de vision assurant le repérage report des circuits intégrés saisis sur le support diélectrique en polyimide, de manière que les surfaces de contact (« bumps ») des circuits intégrés soient positionnés en regard des surfaces de contact (« pads ») des circuits conducteurs formant antenne maintien par l'intermédiaire d'une légère pression du contact des surfaces de contact (« bumps ») des circuits intégrés aux « pads » du circuit conducteur. La bande du support diélectrique est immobilisée pendant cette opération connexion du circuit intégré avec le circuit conducteur par l'intermédiaire d'un laser à une tête disposant d'un ou de plusieurs faisceaux ou de plusieurs têtes suivant la configuration et la taille des surfaces de contact avancement d'un pas de la bande diélectrique pour assurer l'opération suivante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion des surfaces en contact du circuit intégré et du circuit conducteur est assurée par un laser de fréquence infrarouge (par exemple de 1.064 nm) à une ou plusieurs têtes notamment lorsque la composition des surfaces de connexion est en alliage composé de plusieurs métaux. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion des surfaces en contact du circuit intégré et du circuit conducteur est assurée par un laser de fréquence vert (par exemple de 532 nm) à une ou plusieurs têtes notamment lorsque la composition des surfaces de connexion est en métaux non ferreux. 3033080 9 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits conducteurs formant antenne sont positionnés sur une bande en polymide (comme le KaptonTM de la société DuPont) résistant à la chaleur et aux faisceaux laser. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les circuits s conducteurs formant antenne positionnés sur une bande en polymide peuvent être protégés par un vernis anti réflexion (« anti reflective coating » en anglais) fonction de la fréquence et de la puissance du laser utilisé. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le report des circuits intégrés sur le circuit conducteur formant antenne est effectué suivant des tolérances 10 de positionnement égales ou inférieures à 50 grn 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le report des circuits intégré sur le circuit conducteur formant antenne est effectué à une cadence nominale de 30.000 unités par heure 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 15 la machine de report est une machine standard prévue pour le montage des composants en surface 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à la machine de report est intégré un module spécial sous la machine dont le fonctionnement est coordonné (avancement, arrêt, redémarrage de la bande, positionnement du circuit 20 intégré, déclenchement du faisceau laser) étroitement avec la machine de report et son système de vision 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits conducteurs formant antenne sont de petite taille et de préférence standardisés suivant la norme JEDEC MO-283.