FR2542236A1 - Precision machine for transferring small components onto a support - Google Patents

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Abstract

Precision machine for transferring small components onto a support. The machine of the invention comprises a hollow positioning arm 10 connected to a vacuum pump 14 and to a vertical-displacement device 15. The component 26 to be treated is seized by suction. An ultrasound source 18 is connected to the arm 10. A heating device 30, which has a low time constant for rise and fall in temperature, is thermally connected to a base plate 22 and means are provided for linear and angular relative displacements of the end of the arm with respect to the base plate. Application to the mounting of semiconductor lasers.

Description

La présente invention a pour objet une machine de précision pour le report de petites pie ces sur un support. Elle trouve une application dans l'assemblage de pièces de petites dimensions par l'intermédiaire d'un matériau d'apport (métal, alw liage, colle, etc...) ou par création d'un eutecti- que, cet assemblage nécessitant une précision rgou- reuse de positionement. C'est un problème que l'on rencontre en particulier dans le cas des lasers à semiconducteur. The present invention relates to a precision machine for transferring small parts on a support. It finds an application in the assembly of parts of small dimensions by the intermediary of a filler material (metal, alw bonding, glue, etc ...) or by creation of a eutectic, this assembly requiring a precise positioning precision. This is a problem encountered in particular in the case of semiconductor lasers.

L'invention s'applique de manière privilégiée dans le-brasage ou le collage - de lasers à semiconducteur sur une embase, - de composants électroniques sur ùn support, - de circuits électroniques cablés dans un bottier, - de différents éléments optoélectroniques entre eux
(fibres optiques, etc...).
The invention applies in a preferred way in the soldering or bonding - of semiconductor lasers on a base, - of electronic components on a support, - of electronic circuits wired in a case, - of different optoelectronic elements between them
(optical fibers, etc ...).

Pour assembler des petites pièces, il n'est pas suffisant de mettre en contact les différents éléments avec un matériau d'assemblage. Il faut en outre effectuer un apport d'énergie, tout en amorçant le processus de mouillabilité des surfaces. L'apport d'énergie est obtenu soit par élévation de températu- re, soit par application d'une pression, soit encore par combinaison de ces deux moyens Le processus de mouillabilité, dont le but est de "casser" la pellin cule superficielle de chaque élément, est amorcé soit par un flux liquide ou gazeux (exemple : fer à souder classique), soit par un mouvement vibratoire.C'est cette technique qui est utilisée par exemple dans les fers à souder à ultrasons, ou dans les machines de report de composants électroniques utilisant un grat- tage mécanique. To assemble small parts, it is not enough to put the different elements in contact with an assembly material. It is also necessary to supply energy, while initiating the wetting process of the surfaces. The energy supply is obtained either by raising the temperature, or by applying pressure, or even by a combination of these two means. The wettability process, the aim of which is to "break" the superficial film of each element is initiated either by a liquid or gaseous flow (example: classic soldering iron), or by a vibratory movement. This technique is used for example in ultrasonic soldering irons, or in carry-over of electronic components using mechanical scratching.

Dans la majorité des cas, la technologie actuelle est utilisable lorsqu'il s'agit d'assembler des pièces relativement peu agiles et ne nécessitant qu'une faible précision lors du positionnement et pour lesquelles ce positionnement 'est pas criti- que. Cependant, des besoins nouveaux sont apparus, nécessitant le report de certains composants de tle- communications optiques (laser à semiconducteur no- tamment) avec une précision de positionnement très grande,- de l'ordre du micromètra.- -
De plus, la structure de ces équipements et leur fragilité nécessitent des manipulations délca- tes qui excluent l'utilisation de certains matériaux de brasage, l'utilisation de flux liquide, ou encore lutilisation de fers à souder classiques.On a reZ cours alors à des brasures tendres obtenues par fusion d'un métal (de l'indium le plus souvent) sous atmosphère réductrice flux gazeux) une légère pression étant appliquée sur le semiconducteur, avec ou sans grattage mécanique.
In the majority of cases, the current technology can be used when it comes to assembling parts that are relatively agile and require only low precision during positioning and for which this positioning is not critical. However, new needs have appeared, necessitating the postponement of certain optical telecommunication components (semiconductor laser in particular) with very high positioning precision, - of the order of micrometres.
In addition, the structure of this equipment and its fragility require delicate handling which excludes the use of certain soldering materials, the use of liquid flux, or even the use of conventional soldering irons. soft solders obtained by melting a metal (usually indium) under a reducing atmosphere gas flow) a light pressure being applied on the semiconductor, with or without mechanical scraping.

Cette technique présente néanmoins encore des inconvénients qui sont les suivants - manque de précision dû au grattage mécanique loés-
que ce dernier est utilisé, car il est appliqué
parallèlement au plan d'appui des pièces a braser, - mauvaise homogénéité de la brasure, si ce grattage
mécanique n'est pas utilisé, - mauvais rendement dans les deux cas, du fait de la
non utilisation de flux liquide, le flux gazeux
n'étant pas suffisamment efficace.
This technique nevertheless still has drawbacks which are as follows - lack of precision due to mechanical scraping loés-
that the latter is used because it is applied
parallel to the support plane of the parts to be brazed, - poor homogeneity of the solder, if this scraping
mechanical is not used, - poor performance in both cases, due to the
no use of liquid flow, gas flow
not being effective enough.

Avec les techniques actuelles, la précision de positionnement, l'homogénéité de la brasure et le rendement de fabrication ne peuvent donc etre obtenus simultanément. With current techniques, the positioning accuracy, the homogeneity of the solder and the manufacturing yield cannot therefore be obtained simultaneously.

L'invention a justement pour but de remé- dier à ces inconvénients. Pour cela, elle prévoit uns machine qui utilise un bras de positionnement soumis à une vibration perpendiculaire aux surfaces à braser, cette vibration pouvant être de type ultrasonique, ce qui permet d'améliorer la mouillabilité des pièces à braser et l'homogénéité de la brasure. On peut alors s'affranchir de l'utilisation d'un flux liquide. Le grattage mécanique devient également ira- tile, ce qui évite la modification de position des pièces à braser par rapport à leurposition d'or ig i- ne, d'où une meilleure précision. The object of the invention is precisely to remedy these drawbacks. For this, it provides a machine which uses a positioning arm subjected to a vibration perpendicular to the surfaces to be brazed, this vibration possibly being of the ultrasonic type, which makes it possible to improve the wettability of the parts to be brazed and the homogeneity of the brazing. . We can then get rid of the use of a liquid flow. Mechanical scraping also becomes ira- tive, which avoids modifying the position of the parts to be brazed relative to their position of igine gold, hence better precision.

Selon une autre caractéristique, ltextré mité du bras ne nécessite pas d'empreinte en creux pour recevoir la pièce-à assembler, comme l'impose la méthode du grattage mécanique. En effet, l'applica- tion d'une vibration dans la direction perpendiculai- re aux pièces à traiter, n'entraîne aucun déplacement de celles-ci les unes par rapport aux autres. According to another characteristic, the end of the arm does not require a hollow imprint to receive the part to be assembled, as required by the method of mechanical scraping. Indeed, the application of a vibration in the direction perpendicular to the parts to be treated, does not cause any displacement of these relative to each other.

Selon une autre caractéristique, le bras peut être percé d'un canal relié à une pompe à vide, ce qui permet de saisir par dépression les pièces à assembler et facilite leur mise en place sur le sup port..  According to another characteristic, the arm can be pierced with a channel connected to a vacuum pump, which allows vacuum gripping of the parts to be assembled and facilitates their positioning on the support.

Enfin, le bras est lié à un moyen de déplacement vertical qui permet d'exercer une pression sur les pièces à braser. Finally, the arm is linked to a vertical displacement means which makes it possible to exert pressure on the parts to be brazed.

La machine de l'invention possède en outre un dispositif de chauffage qui présente une très faie ble constante de temps de chauffe et de refroidissement, ce qui permet de maintenir la pression appli- quée sur la surface à braser durant toute la montée et la descente en température Cette manière de faire concourt à l'obtention donne bonne précision de posi- tionnement.Par ailleurs, le dispositif de chauffage peut être fixé sur une table mobile linéairement dans deux ou trois dimensions ainsi qu'angulairement. Ceci permet d'assurer le positionnement précis des pièces les unes par rapport aux autres. Mais ce n est pas la seule disposition possible : le dispositif de chauf- fage peut être fixe et les mouvements linéaire et angulaire reportés sur le bras de positionnement.  The machine of the invention also has a heating device which has a very small constant heating and cooling time, which makes it possible to maintain the pressure applied to the surface to be brazed during the entire ascent and descent. in temperature This way of working contributes to obtaining good positioning accuracy. In addition, the heating device can be fixed on a movable table linearly in two or three dimensions as well as angularly. This ensures precise positioning of the parts with respect to each other. But this is not the only possible arrangement: the heating device can be fixed and the linear and angular movements transferred to the positioning arm.

Toute autre combinaison est naturellement possible, l'essentiel étant que l'une des pièces à unir soit mobile par rapport à l'autre.Any other combination is naturally possible, the main thing being that one of the parts to be joined is movable relative to the other.

En ce qui concerne les matériaux d'apport, plusieurs types peuvent être utilisés : métaux, alliages, résines organiques chargées ou non etc... With regard to filler materials, several types can be used: metals, alloys, organic resins, loaded or not, etc.

Tous les types de dépôts peuvent etre retenus -chi- mique, électrochimique, sous vide (pulvérisation cathodique, évaporation, etc...), préformes, enduction, transfert par tampon, sérigraphie, etc...All types of deposits can be retained - chemical, electrochemical, vacuum (sputtering, evaporation, etc ...), preforms, coating, transfer by buffer, screen printing, etc ...

Dans certains -cas, l'invention permet de travailler sans matériaux d'apport C'est notamment le cas lorsqu'un eutectique peut être créé a partir de deux pièces à braser (exemple soudure d'un semiconducteur en silicium sur un support en or, avec formation de l'eutectique or-silicium). In some cases, the invention makes it possible to work without filler materials. This is particularly the case when an eutectic can be created from two pieces to be brazed (example welding of a silicon semiconductor on a gold support , with formation of the gold-silicon eutectic).

De façon précise, I 'invention a donc pour objet une machine de précision pour le report de petites pièces sur un support, cette machine étant caractérisée en ce qu'elle comprend - un bras de positionnement percé d'un canal relié à
une pompe à vide et à un dispositif de déplacement
vertical, l'extrémité de ce bras étant apte à 'ap-
pliquer sur la pièce à traiterç celle-ci étant sai
sie par aspiration, - une source d'ultrasons reliée au bras, - un socle apte à recevoir le support sur lequel les
pièces doivent être reportées et assemblées, - un four à faible constante de temps de montée et de
descente en température, ce four étant relié ther-
miquement au socle, - des moyens de déplacements relatifs linéaire et an
gulaire de l'extrémité du bras par rapport au so
cle.
Specifically, the invention therefore relates to a precision machine for transferring small parts onto a support, this machine being characterized in that it comprises - a positioning arm pierced with a channel connected to
a vacuum pump and a displacement device
vertical, the end of this arm being suitable for 'ap-
bend over the part to be treated, this being
sie by suction, - a source of ultrasound connected to the arm, - a base capable of receiving the support on which the
parts must be transferred and assembled, - an oven with a low constant rise time and
temperature decrease, this oven being connected ther-
mically at the base, - means of linear and year relative displacement
gular of the end of the arm relative to the so
key.

Les caractéristiques et avantages de 1 'in- vention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à une figure unique annexée gpi représente le schéma-de la-machine de l'inyention. L'exemple choisi pour décrire la machine de l'invention correspond au problème du brasage des lasers à semic.onducteur sur leur support.~
Compte tenu de la structure des lasers à semiconducteurs et de leurs caractéristiques, la brasure doit satisfaire aux principaux impératifs suivants :: - elle doit assurer une excellente conductibilité
électrique, - elle doit présenter une résistance thermique très
faible, et entre très homogène, - elle doit assurer un maintien mécanique compatible
avec la précision de positionnement, - son épaisseur doit etre inférieure à 5 micromètres,
pour éviter, entre autres, toute remontée de brasu
re entralnant une pollution du ruban émetteur du
laser.
The characteristics and advantages of the invention will become more apparent from the description which follows, of an exemplary embodiment given by way of explanation and in no way limiting. This description refers to a single attached figure gpi represents the diagram-of-the machine of the invention. The example chosen to describe the machine of the invention corresponds to the problem of soldering semiconductive lasers on their support.
Given the structure of semiconductor lasers and their characteristics, the solder must meet the following main requirements: - it must ensure excellent conductivity
electric, - it must have a very high thermal resistance
weak, and between very homogeneous, - it must ensure a compatible mechanical maintenance
with positioning accuracy, - its thickness must be less than 5 micrometers,
to avoid, among other things, any rise in brasu
re entralrant pollution of the transmitter tape of
laser.

Pour ces différentes raisons, l'indium a été choisi dans cette application ; cependant, tout autre matériau d'apport remplissant les conditions précitées peut être utilisé. For these different reasons, indium was chosen in this application; however, any other filler material fulfilling the above conditions can be used.

Telle que représentée sur la figure, la machine comprend alors - un bras de positionnement 10 percé d'un canal 12
relié à une pompe à vide 14 et à un dispositif de
déplacement vertical 15 ; l'extrémité 16 de ce bras
est plane - une source d'ultrasons 18, reliée par un conducteur
20 au bras 10 ; - un socle 22 apte à recevoir le support 24 sur lew
quel les pièces doivent être reportées et assem
blées (un laser 26 est représenté à l'extrémité du
bras, avant son report sur le support 24) ;; - un dispositif de chauffage 30 à faible constante de
montée et de-descente-en température (par exemple
de -l'ordre de la centaine de degrés par minute), ce
cispositif étant relié thermiquement au socle 22 g - une table 32 de déplacement linéaire et angulaire
qui supporte le four et le support.
As shown in the figure, the machine then comprises - a positioning arm 10 pierced with a channel 12
connected to a vacuum pump 14 and to a device
vertical displacement 15; the end 16 of this arm
is flat - a source of ultrasound 18, connected by a conductor
20 on arm 10; - a base 22 adapted to receive the support 24 on lew
which parts should be carried over and assem
wheat (a laser 26 is shown at the end of the
arm, before being transferred to the support 24) ;; a heating device 30 with a low constant of
temperature rise and fall (for example
of the order of a hundred degrees per minute), this
cispositif being thermally connected to the base 22 g - a table 32 of linear and angular displacement
which supports the oven and the support.

Sur la figure est également représenté un dispositif optique 36 visant la zone de report et donnant de celle-ci un agrandissement qui est mis à profit par l'opérateur pour contrôler la position des pièces. Also shown in the figure is an optical device 36 aimed at the transfer area and giving it an enlargement which is used by the operator to control the position of the parts.

Le fonctionnement de cette machine est le suivant. Le support 24 est recouvert par une couche d'indium 38 puis est fixé sur le socle recouvrant le dispositif de chauffage. Bye laser à semiconducteur est saisi par dépression à l'aide du bras creux 10 et de la pompe 14. Le support est alors déplacé par la table 32. Lorsque la position du laser par rapport à son support est jugée correcte, le bras 10 descend et presse le laser sur la partie indiée 38 du support. The operation of this machine is as follows. The support 24 is covered with a layer of indium 38 and is then fixed on the base covering the heating device. Bye semiconductor laser is gripped by vacuum using the hollow arm 10 and the pump 14. The support is then moved by the table 32. When the position of the laser relative to its support is considered correct, the arm 10 descends and presses the laser on the indented part 38 of the support.

La pression est d'environ 30 grammes. L'ensemble de ces opérations est contrôlé au travers du dispositif optique de grandissement 36.The pressure is around 30 grams. All of these operations are controlled through the optical magnification device 36.

Le dispositif de chauffage est alors mis en marche avec une variation de température de 1000C par minute jusqu a fusion de l'indium (1570C). La température est alors maintenue fixe et régulée. Une vibration ultrasonique (fréquence 62 kHz par exemple) est appliquée au bras, durant une seconde environ, par la source 18. La puissance ultrasonore est réglée de manière à obtenir un ventre de pression à l'inter- face laser-indium. The heating device is then switched on with a temperature variation of 1000C per minute until the indium (1570C) melts. The temperature is then kept fixed and regulated. An ultrasonic vibration (frequency 62 kHz for example) is applied to the arm, for about one second, by the source 18. The ultrasonic power is adjusted so as to obtain a pressure belly at the laser-indium interface.

L'ensemble est ensuite refroidi, avec une chute de température de 1000C par minute, jusqu 'à 500C environ. La pompe 14 est coupée et le bras est relevé. The assembly is then cooled, with a temperature drop of 1000C per minute, to around 500C. The pump 14 is cut off and the arm is raised.

L'ensemble décrit peut entre aut9matisé et piloté par un système micro informatique 40 commandant le positionnement du laser par rapport à son support, la programmation du dispositif de chauffage etc... The assembly described can, between aut9matized and controlled by a microcomputer system 40 controlling the positioning of the laser relative to its support, the programming of the heating device, etc.

Les paramètres correspondant peuvent entre affichés numériquement. La mise en place peut etre suivie à l'aide d'un système vidéo.The corresponding parameters can be displayed digitally. The installation can be followed using a video system.

La machine qui-vient d'etre décrite permet de braser des petites pièces sans les inconvénients rencontrés dans le brasage classique. Appliquée au report de lasers à semiconducteur, cette machine a permis d'obtenir les caractéristiques suivantes : - précision du positionnement e elle n'est plus limi
tée que par la précision de la table de déplacement
supportant le dispositif de chauffages - homogénéité de la brasure o elle est en liaison dlv
recte avec l'adhérence du laser sur son support
cette dernière a été vérifiée par la possibilité de
raccorder ensuite les fils de liaison électrique
sur le laser par la méthode de thermocompression
les forces de cisaillement de la brasure ont- été
mesurées : leurs valeurs se situent entre 75 et 150
grammes pour un laser de 300x300 micromètres s
après arrachement du laser, l'examen visuel de
l'empreinte laissée dans la brasure révèle une bon
ne uniformité de surface - rendement de fabrication : le résultat est tEè sa
tisfaisant : plusieurs lasers (14) ont pu être bra
sés côte à 'c8te sur un même support en présentant
tous une bonne adhérence.
The machine which has just been described makes it possible to braze small parts without the drawbacks encountered in conventional brazing. Applied to the transfer of semiconductor lasers, this machine made it possible to obtain the following characteristics: - positioning accuracy and it is no longer limited
because of the precision of the displacement table
supporting the heating device - homogeneity of the solder where it is connected dlv
straight with the adhesion of the laser on its support
the latter has been verified by the possibility of
then connect the electrical connection wires
on the laser by the thermocompression method
have the shear forces of the solder been
measured: their values are between 75 and 150
grams for a laser of 300x300 micrometers s
after removal of the laser, visual examination of
the imprint left in the solder reveals a good
ne uniformity of surface - manufacturing yield: the result is very
satisfactory: several lasers (14) were able to be bra
sés side by side on a single support by presenting
all good adhesion.

Claims (2)

REVENDICATIONS 1. Machine de précision pour le report de petites pièces sur un support, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un bras de positionnement (10) percé d'un canal 1. Precision machine for transferring small parts onto a support, characterized in that it comprises: - a positioning arm (10) pierced with a channel (12) relié à une pompe à vide (14), et ce bras (12) connected to a vacuum pump (14), and this arm étant relié à un dispositif de déplacement vertical being connected to a vertical displacement device (15), l'extrémité (16) de ce bras étant apte à (15), the end (16) of this arm being able to s'aüüliquer sur la pièce à traiter (26), celle-ci to be applied to the part to be treated (26), it étant saisie par aspiration, - une source d'ultrasons reliée au bras. (10) a apte a  being gripped by suction, - a source of ultrasound connected to the arm. (10) suitable for amorcer l'adhérence d'un matériau rapport sur les initiate the adhesion of a material report on pièces à assembler, ou la formation d'un eutecti-  parts to be assembled, or the formation of a eutecti- que, - un socle (22) apte à recevoir le support (24) sur that, - a base (22) capable of receiving the support (24) on lequel les pièces doivent être reportées et assem-  which parts must be transferred and assembled blées, - un dispositif de chauffage (30) à faible constante  - a low constant heating device (30) de temps de montée et de descente en température, temperature rise and fall times, ce dispositif étant relié thermiquement au socle, - des moyens de déplacements relatifs linéaire et an this device being thermally connected to the base, - means of linear and year relative displacement gulaire de l'extrémité (32) du bras par rapport au gular of the end (32) of the arm relative to the socle (22).  base (22). 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de déplacements relatifs de l'extrémité du bras (16) par rapport au socle (22) comprennent des tables (32) de déplacements linéaire et angulaire du dispositif de chauffage g30).  2. Machine according to claim 1, characterized in that the means of relative displacement of the end of the arm (16) relative to the base (22) comprise tables (32) of linear and angular displacement of the heating device g30) .
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