La présente invention se rapporte, de manière générale, au montage de dispositifs sensibles, tels des capteurs, sur un support et concerne, plus particulièrement, un procédé pour fixer de tels capteurs sur un support de manière à assurer une liaison souple selon une première et une deuxième directions et une liaison rigide selon une troisième direction, ainsi que le produit résultant du procédé.
De nos jours, un nombre de plus en plus grand de capteurs sont réalisés en faisant appel aux technologies de fabrication des circuits intégrés ou à des techniques dérivées, telles celles du micro-usinage du silicium ou d'autres matériaux comme le quartz ou le verre. De tels capteurs allient des performances élevées à de faibles dimensions et un coût de fabrication très bas. Pour pouvoir être utilisés, ils doivent, au préalable, être montés sur un support qui assurera leur positionnement dans leur environnement d'application, voire leur connexion électrique à d'autres composants. La fixation des capteurs sur un support pose, souvent, plusieurs problèmes contradictoires.
D'une part, il y peut y avoir lieu d'assurer un positionnement précis par rapport au support, comme c'est le cas des capteurs optiques ou accélérométriques ou de permettre l'application d'une pression selon une direction, pour réaliser une opération de "bonding" (connexion électrique); d'autre part, il est, souvent, nécessaire d'assurer un découplage mécanique entre le support et le capteur. Ce découplage mécanique est notamment requis lorsque l'on désire que les dilatations du support, ou les vibrations dont il peut être le siège, ne soient pas transmises au capteur.
Les techniques couramment utilisées pour réaliser l'assemblage du capteur et de son support sont, principalement, de deux types. La première technique est une brasure avec apport de métal qui peut être pratiquée à température relativement basse, (de l'ordre de 170 à 300 DEG C), avec des alliages à base de plomb, d'indium ou d'étain. Ces alliages sont assez souples mais présentent l'inconvénient de se fissurer avec le temps. D'autres brasures à base de cuivre ou d'or peuvent également être utilisées. Elles nécessitent des températures plus élevées, de l'ordre de 600 à 800 DEG C, et sont plus dures que les premières; ce qui ne permet pas de les utiliser lorsqu'un découplage mécanique important doit exister entre le capteur et son support. L'autre technique est le collage; il permet de réaliser une liaison isolante ou conductrice selon les composants de la colle utilisée.
Plusieurs types de colle peuvent être employés selon l'application envisagée. Les colles de type "époxy" sont souvent choisies en raison de leur stabilité, de leur facilité de mise en Öuvre, du faible dégagement de vapeurs lors de leur polymérisation et de leur bonne capacité d'adhérence à la plupart des matériaux. D'autres colles peuvent également être employées, tels les acrylates, les polyimides ou les polyuréthanes. Les inconvénients majeurs de ces dernières sont leur manque d'élasticité, d'une part, et leur grand coefficient de dilatation thermique, d'autre part. Ces inconvénients peuvent conduire à la dégradation des signaux ou à la détérioration des capteurs eux-mêmes lorsque ceux-ci, montés sur leur support, sont soumis à de grandes variations de température.
Aussi un objet de la présente invention est un procédé de montage d'un dispositif sensible, tel un capteur, sur un support ne présentant pas les inconvénients mentionnés précédemment.
Un autre objet de l'invention est un procédé de montage qui, tout en réalisant un découplage mécanique entre le capteur et son support, permet d'assurer le positionnement précis de l'un par rapport à l'autre selon, au moins, une direction donnée.
Encore un autre objet de l'invention est un procédé de montage, qui permet d'assurer une liaison rigide, selon au moins une direction donnée, entre le capteur et son support et une liaison souple selon les autres directions.
Encore un autre objet de l'invention est le produit résultant de l'application du procédé de montage.
Ces objets sont réalisés par l'invention, telle que décrite dans les revendications.
Grâce à la combinaison d'une structure rigide, de dimensions contrôlées, avec l'utilisation d'une colle souple, il est possible de garantir un positionnement précis du capteur par rapport à une face du support et de s'affranchir des problèmes que pourrait poser une dilatation dudit support sous l'effet de la température. Par un choix approprié de la colle souple, celle-ci peut également faire office de filtre de vibrations ou de chocs, d'isolant ou, au contraire, de conducteur thermique. Par ailleurs, selon l'application envisagée, la colle souple peut être rendue électriquement isolante ou conductrice.
L'utilisation d'une structure rigide apporte, en outre, l'avantage de permettre l'application d'une force sur le capteur, une fois celui-ci fixé sur son support. Cela est notamment nécessaire lors d'une opération de "bonding", c'est-à-dire une opération de connexion électrique par fils, entre ledit capteur et son support.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré; ladite description étant faite à titre purement illustratif et en relation avec le dessin joint qui représente:
- un capteur de pression monté sur un support auquel il est électriquement relié (fig. 1).
La fig. 1 montre un capteur de pression 10 réalisé, par exemple, à l'aide d'une technique de micro-usinage d'un substrat de silicium. Ce capteur de pression comporte une membrane mince 12 qui est susceptible de se déformer sous l'action d'une pression extérieure. La déformation de la membrane est détectée par la mesure de la variation correspondante de la capacité formée par la membrane, d'une part et une électrode fixe, d'autre part. L'électrode fixe ainsi que le volume de référence font partie intégrante de la partie 11 du capteur. Ce dernier doit être monté sur un support 20, qui peut être un circuit imprimé, une plaque rigide ou tout autre élément dicté par l'application.
Selon le procédé de l'invention, est disposée sur le support 20 une structure rigide 40, qui est destinée à assurer le positionnement précis du capteur par rapport au support et sa rigidité, au moins selon une direction perpendiculaire à ce dernier. Cette structure rigide peut, par exemple, être constituée par une trame ou une grille métallique, un réseau de fibres synthétiques, des billes ou, de façon générale, de tout autre élément rigide de dimensions calibrées et qui est structuré de manière à laisser des espaces vides. Après le dépôt de la structure rigide, le capteur est positionné et est maintenu en contact avec celle-ci, par l'application d'une force de maintien perpendiculaire au plan du support, et une couche 50 de colle souple est appliquée et polymérisée.
La colle 50 doit présenter une grande élasticité, des propriétés d'adhérence suffisantes et n'être chimiquement agressive, ni par rapport au capteur, ni par rapport au support. Sa viscosité sera choisie de manière à pouvoir ne remplir que les espaces laissés libres par la structure rigide 40 et à ne pas se répandre ailleurs sur le substrat, d'une part, et en fonction du type d'application voulu, d'autre part.
A titre d'exemple, ont été utilisées avec succès une trame de polyéthylène résistante à 120 DEG C comme structure rigide et une colle silicone commercialisée par la firme Dow Corning sous l'appellation "HIPEC Q1 92". Cette colle présente une viscosité de 150 000 mPa.s et une densité de 1,15 et elle polymérise en une heure à une température de 150 DEG C.
Selon une variante du procédé de l'invention, la structure rigide 40 peut être auto-collante afin de faciliter le positionnement et le maintien du boîtier du capteur pendant les opérations ultérieures.
Selon une autre variante du procédé de l'invention, la structure rigide est partie intégrante du boîtier du capteur 10 ou du support 20. Ceci peut être réalisé, par exemple, par attaque chimique, à travers un masque, des surfaces respectives ou par tout autre moyen approprié.
Une fois la colle souple 50 polymérisée, il est possible d'effectuer un "bonding", c'est-à-dire une connexion électrique par fils 13, entre des bornes de contact du capteur et les plages correspondantes d'un circuit, tel le circuit 30, ou du support lui-même. Cette opération de "bonding", qui nécessite de pouvoir appliquer une force sur le capteur, est rendue possible grâce à la présence de la structure rigide entre le capteur et son support.
Dans certains cas, la connexion électrique du capteur à son environnement pourra avantageusement être réalisée par le biais de la structure rigide 40, pour autant que celle-ci soit en un matériau conducteur et que le fond du boîtier du capteur 10 soit, au moins partiellement, métallisé. Bien entendu, une pression suffisante sur le boîtier sera nécessaire pendant toute l'opération de collage, afin de pouvoir garantir un bon contact électrique et prévenir tout dépôt de colle entre la structure rigide et le boîtier, d'une part, et entre la structure rigide et le substrat, d'autre part.
Enfin, lorsque le capteur a été fixé à son support et, éventuellement, électriquement connecté, l'ensemble peut être enrobé (à l'exception, toutefois, des parties sensibles du capteur, telle la membrane 12) à l'aide d'un matériau 60, par exemple plastique ou gel de silicone, résistant à l'humidité. Ces techniques d'enrobage sont bien connues de l'homme du métier et ne seront pas décrites plus avant.
Le procédé de l'invention sera avantageusement utilisé pour améliorer les performances et la stabilité des capteurs montés et disposés, notamment, dans un environnement perturbé; par exemple, dans le cas où le support subit des variations importantes de température ou peut être sujet à des chocs ou le siège de vibrations mécaniques. Le procédé de l'invention constitue, également, un avantage lorsque le capteur doit être précisément positionné par rapport à une surface de référence. C'est souvent le cas, par exemple, des capteurs d'accélération ou encore des détecteurs optiques.
The present invention relates, in general, to the mounting of sensitive devices, such as sensors, on a support and relates, more particularly, to a method for fixing such sensors on a support so as to ensure a flexible connection according to a first and a second direction and a rigid connection in a third direction, as well as the product resulting from the process.
Nowadays, an increasing number of sensors are made using technologies for manufacturing integrated circuits or derived techniques, such as those of micro-machining of silicon or other materials such as quartz or glass. . Such sensors combine high performance with small dimensions and a very low manufacturing cost. To be able to be used, they must first be mounted on a support which will ensure their positioning in their application environment, or even their electrical connection to other components. The mounting of the sensors on a support often poses several contradictory problems.
On the one hand, it may be necessary to ensure precise positioning relative to the support, as is the case with optical or accelerometric sensors or to allow the application of pressure in a direction, to achieve a "bonding" operation (electrical connection); on the other hand, it is often necessary to provide mechanical decoupling between the support and the sensor. This mechanical decoupling is notably required when it is desired that the expansions of the support, or the vibrations of which it may be the seat, are not transmitted to the sensor.
The techniques commonly used to assemble the sensor and its support are mainly of two types. The first technique is a brazing with metal addition which can be practiced at relatively low temperature, (of the order of 170 to 300 DEG C), with alloys based on lead, indium or tin. These alloys are quite flexible but have the drawback of cracking over time. Other solders based on copper or gold can also be used. They require higher temperatures, of the order of 600 to 800 DEG C, and are harder than the former; which does not allow them to be used when a significant mechanical decoupling must exist between the sensor and its support. The other technique is collage; it allows an insulating or conductive connection to be made depending on the components of the adhesive used.
Several types of glue can be used depending on the intended application. Adhesives of the "epoxy" type are often chosen because of their stability, their ease of use, the low evolution of vapors during their polymerization and their good ability to adhere to most materials. Other adhesives can also be used, such as acrylates, polyimides or polyurethanes. The major drawbacks of the latter are their lack of elasticity, on the one hand, and their large coefficient of thermal expansion, on the other. These drawbacks can lead to the degradation of the signals or to the deterioration of the sensors themselves when the latter, mounted on their support, are subjected to large temperature variations.
Also an object of the present invention is a method of mounting a sensitive device, such as a sensor, on a support not having the drawbacks mentioned above.
Another object of the invention is a mounting method which, while providing mechanical decoupling between the sensor and its support, makes it possible to ensure the precise positioning of one relative to the other according to, at least, one direction given.
Yet another object of the invention is a mounting method, which ensures a rigid connection, in at least one given direction, between the sensor and its support and a flexible connection in the other directions.
Yet another object of the invention is the product resulting from the application of the mounting method.
These objects are achieved by the invention, as described in the claims.
Thanks to the combination of a rigid structure, of controlled dimensions, with the use of a flexible adhesive, it is possible to guarantee a precise positioning of the sensor relative to a face of the support and to overcome the problems that could pose an expansion of said support under the effect of temperature. By an appropriate choice of flexible adhesive, it can also act as a vibration or shock filter, insulation or, conversely, thermal conductor. Furthermore, depending on the application envisaged, the flexible adhesive can be made electrically insulating or conductive.
The use of a rigid structure also brings the advantage of allowing the application of a force on the sensor, once the latter is fixed on its support. This is in particular necessary during a "bonding" operation, that is to say an operation of electrical connection by wires, between said sensor and its support.
Other objects, characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a preferred embodiment; said description being given purely by way of illustration and in relation to the attached drawing which represents:
- a pressure sensor mounted on a support to which it is electrically connected (fig. 1).
Fig. 1 shows a pressure sensor 10 produced, for example, using a micromachining technique of a silicon substrate. This pressure sensor comprises a thin membrane 12 which is liable to deform under the action of an external pressure. The deformation of the membrane is detected by measuring the corresponding variation in the capacitance formed by the membrane, on the one hand and a fixed electrode, on the other. The fixed electrode and the reference volume are an integral part of part 11 of the sensor. The latter must be mounted on a support 20, which can be a printed circuit, a rigid plate or any other element dictated by the application.
According to the method of the invention, is arranged on the support 20 a rigid structure 40, which is intended to ensure the precise positioning of the sensor relative to the support and its rigidity, at least in a direction perpendicular to the latter. This rigid structure may, for example, be constituted by a metallic frame or grid, a network of synthetic fibers, balls or, in general, any other rigid element of calibrated dimensions and which is structured so as to leave spaces empty. After the rigid structure has been deposited, the sensor is positioned and kept in contact with it, by the application of a holding force perpendicular to the plane of the support, and a layer 50 of flexible adhesive is applied and polymerized.
The glue 50 must have great elasticity, sufficient adhesion properties and not be chemically aggressive, either with respect to the sensor or with respect to the support. Its viscosity will be chosen so as to be able to fill only the spaces left free by the rigid structure 40 and not to spread elsewhere on the substrate, on the one hand, and according to the type of application desired, on the other hand .
By way of example, a polyethylene frame resistant to 120 DEG C has been successfully used as a rigid structure and a silicone adhesive sold by the company Dow Corning under the name "HIPEC Q1 92". This adhesive has a viscosity of 150,000 mPa.s and a density of 1.15 and it polymerizes in one hour at a temperature of 150 DEG C.
According to a variant of the method of the invention, the rigid structure 40 can be self-adhesive in order to facilitate the positioning and the maintenance of the sensor housing during the subsequent operations.
According to another variant of the method of the invention, the rigid structure is an integral part of the sensor housing 10 or of the support 20. This can be achieved, for example, by chemical attack, through a mask, on the respective surfaces or by any other appropriate means.
Once the flexible adhesive 50 has polymerized, it is possible to carry out a "bonding", that is to say an electrical connection by wires 13, between contact terminals of the sensor and the corresponding pads of a circuit, such as the circuit 30, or of the support itself. This “bonding” operation, which requires the ability to apply a force to the sensor, is made possible by the presence of the rigid structure between the sensor and its support.
In some cases, the electrical connection of the sensor to its environment may advantageously be made by means of the rigid structure 40, provided that the latter is made of a conductive material and that the bottom of the sensor housing 10 is, at least partially , metallic. Of course, sufficient pressure on the housing will be necessary during the entire bonding operation, in order to be able to guarantee good electrical contact and prevent any deposit of adhesive between the rigid structure and the housing, on the one hand, and between the structure. rigid and the substrate, on the other hand.
Finally, when the sensor has been fixed to its support and possibly electrically connected, the assembly can be coated (with the exception, however, of sensitive parts of the sensor, such as the membrane 12) using a material 60, for example plastic or silicone gel, resistant to humidity. These coating techniques are well known to those skilled in the art and will not be described further.
The method of the invention will be advantageously used to improve the performance and stability of the sensors mounted and arranged, in particular, in a disturbed environment; for example, in the case where the support undergoes significant temperature variations or may be subject to shocks or the seat of mechanical vibrations. The method of the invention also constitutes an advantage when the sensor must be precisely positioned with respect to a reference surface. This is often the case, for example, with acceleration sensors or even optical detectors.