EP1747169A1 - Vent closing method and the use of an ultrasonic bonding machine for carrying out said method - Google Patents

Vent closing method and the use of an ultrasonic bonding machine for carrying out said method

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Publication number
EP1747169A1
EP1747169A1 EP05769285A EP05769285A EP1747169A1 EP 1747169 A1 EP1747169 A1 EP 1747169A1 EP 05769285 A EP05769285 A EP 05769285A EP 05769285 A EP05769285 A EP 05769285A EP 1747169 A1 EP1747169 A1 EP 1747169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ball
vent
microstructure
attachment stud
metal wire
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05769285A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Henri Blanc
Stéphane CAPLET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1747169A1 publication Critical patent/EP1747169A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00277—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS
    • B81C1/00293—Processes for packaging MEMS devices for maintaining a controlled atmosphere inside of the cavity containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with processes not provided for in B81C1/00285
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67138—Apparatus for wiring semiconductor or solid state device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/85—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a wire connector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0145—Hermetically sealing an opening in the lid
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/00014—Technical content checked by a classifier the subject-matter covered by the group, the symbol of which is combined with the symbol of this group, being disclosed without further technical details

Definitions

  • the invention relates to a method for closing a vent formed in a wall of a microstructure under a controlled atmosphere.
  • the invention also relates to the use of a machine for the implementation of this method.
  • microdetectors infrared microbolometer
  • MEMS type components RF microswitch
  • MEMS-type devices produced collectively on silicon wafers generally contain mobile elements making up electrical, mechanical or optical assemblies. These devices are in all cases fragile and their manufacture therefore includes an encapsulation step, the function of which is at least to provide mechanical protection of the sensitive parts. Sometimes this encapsulation is an integral part of the device by supporting electrodes, contact recovery pads, or mechanical stops in the direction perpendicular to the plane of the plate.
  • the encapsulation of devices under a controlled atmosphere that is to say under vacuum or under a gaseous atmosphere, conventionally consists in forming a microstructure delimiting a cavity around the device, piercing a vent in a wall of the microstructure and closing the vent by a stopper, after placing under a controlled atmosphere. As shown in FIG.
  • a microcomponent according to the prior art comprises at least one elementary device 1, previously produced on a substrate 2.
  • a microstructure 3 is then produced around the device 1, for example by means of a mold in resin, with a wall 4 delimiting a cavity 5 around the device 1 to be encapsulated.
  • a small orifice 6, called a vent is then formed in the wall 4 of the microstructure 3, in order to remove the resin which served as a mold and create a vacuum inside the cavity 5.
  • the vent 6 is then closed by depositing a sealing material, while maintaining the vacuum in the cavity 5.
  • the major difficulty of this type of process lies in obtaining a hermetic closure of the microstructure 3, while controlling the atmosphere inside the latter.
  • microstructure only represents very small volumes, the thickness and the surface of the microstructure being very limited. This succession of steps therefore has the drawback of using sensitive and delicate processes.
  • a plurality of microstructures to be closed are generally arranged on the same plate, also called a wafer. It is then necessary to plan to separate the microstructures in order to encapsulate them in individual boxes.
  • the microstructures are placed under a controlled atmosphere, through the vent which then remains open.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks and its object is to provide a simple and effective vent obturation method, which can be applied equally to a single microstructure or to an entire wafer provided with 'a plurality of microstructures. According to the invention, this object is achieved by the appended claims and, more particularly, by the fact that the method comprises at least the following steps:
  • the invention also relates to an ultrasonic welding machine for implementing the sealing process.
  • FIG. 1 schematically shows a microstructure with a vent according to the prior art.
  • FIG. 2 represents a vent closed by a method of metallic deposition by evaporation according to the prior art.
  • Figures 3 and 4 schematically represent two steps of a method of closing a vent according to a first embodiment of the invention.
  • FIGS. 5 to 10 schematically represent different stages of the sealing of a vent by means of an ultrasonic welding machine according to the invention.
  • a vent 9 is formed in a wall 10 of a microstructure 3 under a controlled atmosphere.
  • the vent 9 is of frustoconical shape, but it can take any other shape, in particular cylindrical.
  • a first step consists in depositing an attachment stud 1 1 on the wall 10 at the periphery of the vent 9, more particularly, at the periphery of its end opening out opposite the cavity formed in the microstructure 3.
  • the attachment stud 11 is produced by depositing a layer of metal chosen from gold, silver, aluminum or copper.
  • the attachment stud is preferably produced by depositing a layer of gold via a mask (not shown), so as to form a patch, preferably annular, around the orifice formed. through the vent 9.
  • the vent 9 can be produced after the deposition of the metal layer intended to form the attachment stud 11, for example by laser etching.
  • a ball 12 is formed by fusion at one end of a metal wire 13.
  • the metal wire 13 and the ball 12 can be of ductile metal chosen from gold, silver, aluminum or copper.
  • the ball 12 and the attachment stud 11 are made of the same material, in order to facilitate their subsequent work hardening.
  • the ball 12 is then deposited on the end of the vent 9 and on the attachment stud 11 (FIG. 3) and the closure of the vent 9 is then effected by deformation of the ball 12 and welding of the ball 12 on the attachment stud 11.
  • a compression force F or crushing force, is applied to the ball 12 by means of a welding electrode 14 (FIG. 8), so that the ball 12 deforms and plugs the vent 9 by resting on the attachment stud 11, as shown in FIG. 4.
  • vibrations preferably, ultrasonic of low amplitude, are generated by the welding electrode 14 , to ultrasonically weld the deformed ball 12 and the attachment stud 11, at the contact zones between the attachment stud
  • the process described above is carried out at a temperature, preferably of the order of 150 ° C., which is much lower than the melting temperature of gold, silver, aluminum and copper , in order to facilitate the deformation and the welding of the ball 12.
  • a temperature preferably of the order of 150 ° C., which is much lower than the melting temperature of gold, silver, aluminum and copper , in order to facilitate the deformation and the welding of the ball 12.
  • the crushing of the ball 12 makes it possible to obtain perfect contact of the ball 12 on the attachment stud 11, with in addition a final mechanical junction.
  • the shutter is therefore perfectly airtight.
  • gold is best suited to meet this sealing function, because it is very ductile.
  • the bond thus obtained is not only mechanical but also electrical, because gold also has good conductivity.
  • oxidizing the wall 10 of the microstructure 3 it is possible to include an additional step of oxidizing the wall 10 of the microstructure 3.
  • An oxidized layer (not shown) is then formed between the wall 10 and the bonding pad 11.
  • the oxidized layer has for function of electrically isolating the attachment stud 11 from the wall 10.
  • An ultrasonic welding machine conventionally comprises a welding electrode 14, crossed by the metal wire 13, and a work table 15.
  • the machine conventionally comprises means 16, intended for the formation of the ball 12 by melting the metal wire 13.
  • a high tension can, for example, be applied between the metal wire 13 and a terminal 16, causing the fusion of the wire 13 and the appearance of the ball 12 which will then be hardened.
  • the microstructure 3, provided with at least one vent 9 to be closed is placed on the work table 15 (FIGS. 7 to 10).
  • the ends of the electrode 14 and of the metal wire 13 are introduced into an enclosure 17, the atmosphere of which can be controlled.
  • the enclosure 17 can be placed under vacuum or under a partial pressure of inert gas, after formation of the ball 12 in the enclosure 17.
  • the machine conventionally comprises means for moving the electrode 14 perpendicular to the work table 15.
  • the ball 12 can thus be deposited on the end of the vent 9 and on the attachment stud 11 of the supported microstructure 3 by the work table 15.
  • the machine also conventionally comprises means for generating ultrasound, intended to cause the vibration of the welding electrode 14.
  • the means for moving the electrode 14 and the means for generating d 'ultrasound is formed by any suitable means used in conventional ultrasonic welding machines.
  • the electrode 14 is moved to be brought into contact with the ball 12 and to apply, perpendicular to the work table 15, a crushing force F on the ball 12. This causes compression and deformation of the ball 12 on the attachment stud 11 of the microstructure 3 and the closure of the vent 9.
  • the application of an ultrasonic vibration force F us preferably parallel to the work table 15, at the the electrode 14 in contact with the ball 12 causes the ball 12 to be welded to the attachment stud 11.
  • FIGS. 9 and 10 the welding has been carried out and the sealing of the vent 9 is finished.
  • the welding electrode 14 then returns to its initial position, away from the microstructure 3, going up perpendicularly to the work table 15 (figure 9).
  • the metal wire 13 is then, for example, broken at the level of the deformed ball 12, for example, by a tensile force exerted on the wire 13.
  • a small piece of residual wire 13 may possibly remain on the upper surface of the ball distorted 12.
  • solder wire 13 can be used to make an electrical connection, by connecting the free end of the residual wire 13 to a connection pad of an encapsulation box, or alternatively d another component.
  • the metal wire 13 can be cut simultaneously with the production of the next ball 12, in order to allow automation of the sealing process.
  • the machine may include means for relative displacement of the microstructure 3 and of the welding electrode 14, both perpendicularly to the work table 15 and parallel to it.
  • the microstructure 3 can be integral with the work table 15, which can be in motion relative to the welding electrode 14.
  • the lateral movement of the work table 15 makes it possible to scroll the microstructures 3 one after the other under the welding electrode 14, in the enclosure 17.
  • the work table 15 supports, outside the enclosure 17, a microstructure 3 whose vent 9 has already been closed, and in the enclosure 17 of the machine, a microstructure 3 ready to be closed.
  • the method according to the invention can thus be implemented by any known ultrasonic welding machine, the additional means necessary for the implementation of the vent sealing method, namely the enclosure 17 with a controlled atmosphere and the means for moving the microstructure 3 inside the enclosure 17, being easy to install and use.
  • the additional means necessary for the implementation of the vent sealing method namely the enclosure 17 with a controlled atmosphere and the means for moving the microstructure 3 inside the enclosure 17, being easy to install and use.
  • vent sealing process and the ultrasonic welding machine described above provide the following advantages, namely good sealing of the microstructure 3, an efficient sealing process, carried out at low temperature and easy to put on. and a welding machine for applying the sealing process for a unitary microstructure or for a plurality of microstructures produced on an entire wafer before cutting.
  • the invention is more particularly advantageous during the manufacture of microstructures constituting accelerometers, bolometers, RF or power microswitches.

Abstract

The inventive method for closing a vent (9) formed in a microstructure (3) wall (10) under a controlled atmosphere is carried out by an ultrasonic bonding machine comprising a welding electrode (14), a metal wire (13) crossing the electrode (14) and a working table (15). A ball (12) is formed by melting on the end part of the metal wire (13) and is deposited on the end of the vent (9) and a holding plug (11) and is subsequently exposed to compression forces (F) and ultrasonic vibration (Fus) by the electrode (14) in a controlled atmosphere chamber (17).

Description

Procédé d'obturation d'un évent et utilisation d'une machine de soudure par ultrasons pour mettre en œuvre un tel procédé Method of closing a vent and use of an ultrasonic welding machine to implement such a method
Domaine technique de l'inventionTechnical field of the invention
L'invention concerne un procédé d'obturation d'un évent formé dans une paroi d'une microstructure sous atmosphère contrôlée.The invention relates to a method for closing a vent formed in a wall of a microstructure under a controlled atmosphere.
L'invention concerne également l'utilisation d'une machine pour la mise en œuvre de ce procédé.The invention also relates to the use of a machine for the implementation of this method.
Etat de la techniqueState of the art
Le fonctionnement de certains composants, particulièrement dans le domaine de la microélectronique, impose le contrôle de l'atmosphère environnante. C'est le cas, par exemple, des microdétecteurs (microbolomètre infrarouge) ou de certains composants de type MEMS (microcommutateur RF).The operation of certain components, particularly in the field of microelectronics, requires control of the surrounding atmosphere. This is the case, for example, of microdetectors (infrared microbolometer) or of certain MEMS type components (RF microswitch).
À titre d'exemple, les dispositifs de type MEMS réalisés collectivement sur des plaques en silicium renferment généralement des éléments mobiles composant des ensembles électriques, mécaniques ou optiques. Ces dispositifs sont dans tous les cas fragiles et leur fabrication intègre donc une étape d'encapsulation, dont la fonction est au minimum d'assurer la protection mécanique des parties sensibles. Quelquefois cette encapsulation fait partie intégrante du dispositif en supportant des électrodes, des plots de reprise de contact, ou des butées mécaniques dans le sens perpendiculaire au plan de la plaque. L'encapsulation des dispositifs sous atmosphère contrôlée, c'est-à-dire sous vide ou sous atmosphère gazeuse, consiste classiquement à former une microstructure délimitant une cavité autour du dispositif, percer un évent dans une paroi de la microstructure et refermer l'évent par un bouchon, après mise sous atmosphère contrôlée. Comme représenté sur la figure 1 , un microcomposant selon l'art antérieur comporte au moins un dispositif élémentaire 1 , préalablement réalisé sur un substrat 2. Une microstructure 3 est ensuite réalisée autour du dispositif 1 , par exemple par l'intermédiaire d'un moule en résine, avec une paroi 4 délimitant une cavité 5 autour du dispositif 1 à encapsuler. Un petit orifice 6, appelé évent, est ensuite formé dans la paroi 4 de la microstructure 3, afin d'enlever la résine qui a servi de moule et faire le vide à l'intérieur de la cavité 5. L'évent 6 est ensuite obturé par dépôt d'un matériau d'obturation, tout en maintenant le vide dans la cavité 5.For example, MEMS-type devices produced collectively on silicon wafers generally contain mobile elements making up electrical, mechanical or optical assemblies. These devices are in all cases fragile and their manufacture therefore includes an encapsulation step, the function of which is at least to provide mechanical protection of the sensitive parts. Sometimes this encapsulation is an integral part of the device by supporting electrodes, contact recovery pads, or mechanical stops in the direction perpendicular to the plane of the plate. The encapsulation of devices under a controlled atmosphere, that is to say under vacuum or under a gaseous atmosphere, conventionally consists in forming a microstructure delimiting a cavity around the device, piercing a vent in a wall of the microstructure and closing the vent by a stopper, after placing under a controlled atmosphere. As shown in FIG. 1, a microcomponent according to the prior art comprises at least one elementary device 1, previously produced on a substrate 2. A microstructure 3 is then produced around the device 1, for example by means of a mold in resin, with a wall 4 delimiting a cavity 5 around the device 1 to be encapsulated. A small orifice 6, called a vent, is then formed in the wall 4 of the microstructure 3, in order to remove the resin which served as a mold and create a vacuum inside the cavity 5. The vent 6 is then closed by depositing a sealing material, while maintaining the vacuum in the cavity 5.
La difficulté majeure de ce type de procédé réside dans l'obtention d'une fermeture hermétique de la microstructure 3, tout en contrôlant l'atmosphère à l'intérieur de cette dernière.The major difficulty of this type of process lies in obtaining a hermetic closure of the microstructure 3, while controlling the atmosphere inside the latter.
II a déjà été proposé d'utiliser une technique de dépôt métallique par évaporation pour réaliser l'obturation d'un évent (figure 2). En effet, les dépôts métalliques par évaporation (dépôt sous vide) sont les dépôts les plus adaptés pour assurer le contrôle de l'atmosphère de la microstructure. Cependant, l'herméticité de la microstructure n'est pas garantie. Comme représenté sur la figure 2, l'étanchéité de l'évent 6 n'est pas toujours optimum après la réalisation de l'obturation. En effet, il peut rester des zones correspondant aux ruptures de pente de la cavité 5, entre la paroi 4 et le substrat 2, où le matériau d'obturation 7 n'est pas complètement compact et peut présenter des ouvertures 8. Il est connu, également, d'obturer les évents par un diélectrique par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD : « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition »). Dans ce cas, l'herméticité de la microstructure est meilleure, mais il n'est pas possible de contrôler l'atmosphère dans la microstructure, car les gaz formés lors du dépôt PECVD sont présents dans la microstructure au moment de la fermeture.It has already been proposed to use a technique of metallic deposition by evaporation to close off a vent (FIG. 2). In fact, metal deposits by evaporation (vacuum deposition) are the most suitable deposits for controlling the atmosphere of the microstructure. However, the hermeticity of the microstructure is not guaranteed. As shown in Figure 2, the tightness of the vent 6 is not always optimum after completion of the closure. In fact, there may remain areas corresponding to the breaks in the slope of the cavity 5, between the wall 4 and the substrate 2, where the sealing material 7 is not completely compact and may have openings 8. It is also known to close the vents with a dielectric by chemical vapor deposition assisted by plasma (PECVD: "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition"). In this case, the hermeticity of the microstructure is better, but it is not possible to control the atmosphere in the microstructure, because the gases formed during the PECVD deposition are present in the microstructure at the time of closure.
Aucune technique de dépôt connue ne permet le cumul des caractéristiques d'étanchéité et de contrôle de l'atmosphère. Dans le cas d'un dépôt PECVD, l'étanchéité est bonne, mais il n'est pas possible de contrôler l'atmosphère. Lors de l'utilisation de la technique d'évaporation de métal, l'atmosphère peut être contrôlée, mais l'étanchéité de la microstructure est mal assurée.No known deposition technique allows the combination of sealing and atmospheric control characteristics. In the case of a PECVD deposit, the seal is good, but it is not possible to control the atmosphere. When using the metal evaporation technique, the atmosphere can be controlled, but the tightness of the microstructure is poorly ensured.
De plus, la microstructure ne représente que de très petits volumes, l'épaisseur et la surface de la microstructure étant très limitées. Cette succession d'étapes présente donc l'inconvénient de faire appel à des procédés sensibles et délicats.In addition, the microstructure only represents very small volumes, the thickness and the surface of the microstructure being very limited. This succession of steps therefore has the drawback of using sensitive and delicate processes.
Par ailleurs, une pluralité de microstructures à obturer sont généralement disposées sur une même plaque, appelée aussi tranche. Il faut alors prévoir de séparer les microstructures pour les encapsuler dans des boîtiers individuels.Furthermore, a plurality of microstructures to be closed are generally arranged on the same plate, also called a wafer. It is then necessary to plan to separate the microstructures in order to encapsulate them in individual boxes.
C'est en général au moment de Pencapsulation que les microstructures sont placées sous atmosphère contrôlée, par le biais de l'évent qui reste alors ouvert. Dans ce cas, pendant la découpe de la plaque, il peut être obligatoire d'obturer temporairement les évents, par exemple, par application d'un film plastique sur la face percée, afin d'éviter toute entrée d'eau et de débris issus du sciage.It is generally at the time of encapsulation that the microstructures are placed under a controlled atmosphere, through the vent which then remains open. In this case, during the cutting of the plate, it may be compulsory to temporarily close the vents, for example, by applying a plastic film on the drilled side, in order to avoid any entry of water and debris from sawing.
Le composant final encapsulé dans un boîtier présente donc un coût important et la difficulté des étapes de mise sous vide et de mise en boîtier individuel reste un problème. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour objet de réaliser un procédé d'obturation d'évent simple et efficace, pouvant s'appliquer indifféremment sur une microstructure unique ou sur une tranche entière munie d'une pluralité de microstructures. Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que le procédé comporte au moins les étapes suivantes :The final component encapsulated in a case therefore has a significant cost and the difficulty of the steps of evacuating and placing in individual case remains a problem. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to remedy these drawbacks and its object is to provide a simple and effective vent obturation method, which can be applied equally to a single microstructure or to an entire wafer provided with 'a plurality of microstructures. According to the invention, this object is achieved by the appended claims and, more particularly, by the fact that the method comprises at least the following steps:
- le dépôt d'un plot d'accrochage sur la paroi à la périphérie d'une extrémité de l'évent, - la formation d'une bille par fusion à une extrémité d'un fil métallique,- depositing an attachment stud on the wall at the periphery of one end of the vent, - the formation of a ball by fusion at one end of a metal wire,
- le dépôt de la bille sur l'extrémité de l'évent et sur le plot d'accrochage,- depositing the ball on the end of the vent and on the attachment stud,
- la déformation de la bille et sa soudure par ultrasons sur le plot d'accrochage.- the deformation of the ball and its ultrasonic welding on the attachment stud.
L'invention a également pour objet une machine de soudure par ultrasons pour la mise en œuvre du procédé d'obturation.The invention also relates to an ultrasonic welding machine for implementing the sealing process.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement une microstructure avec un évent selon l'art antérieur. La figure 2 représente un évent obturé par un procédé de dépôt métallique par évaporation selon l'art antérieur. Les figures 3 et 4 représentent schématiquement deux étapes d'un procédé d'obturation d'un évent selon un premier mode de réalisation de l'invention. Les figures 5 à 10 représentent schématiquement différentes étapes de l'obturation d'un évent par l'intermédiaire d'une machine de soudure par ultrasons selon l'invention.SUMMARY DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the description which follows of particular embodiments of the invention given by way of nonlimiting examples and represented in the appended drawings, in which: Figure 1 schematically shows a microstructure with a vent according to the prior art. FIG. 2 represents a vent closed by a method of metallic deposition by evaporation according to the prior art. Figures 3 and 4 schematically represent two steps of a method of closing a vent according to a first embodiment of the invention. FIGS. 5 to 10 schematically represent different stages of the sealing of a vent by means of an ultrasonic welding machine according to the invention.
Description de modes particuliers de réalisationDescription of particular embodiments
Sur les figures 3 et 4, un évent 9 est formé dans une paroi 10 d'une microstructure 3 sous atmosphère contrôlée. L'évent 9 est de forme tronconique, mais il peut prendre une toute autre forme, notamment cylindrique. Pour obturer l'évent 9, une première étape consiste à déposer un plot d'accrochage 1 1 sur la paroi 10 à la périphérie de l'évent 9, plus particulièrement, à la périphérie de son extrémité débouchant à l'opposé de la cavité formée dans la microstructure 3.In FIGS. 3 and 4, a vent 9 is formed in a wall 10 of a microstructure 3 under a controlled atmosphere. The vent 9 is of frustoconical shape, but it can take any other shape, in particular cylindrical. To close the vent 9, a first step consists in depositing an attachment stud 1 1 on the wall 10 at the periphery of the vent 9, more particularly, at the periphery of its end opening out opposite the cavity formed in the microstructure 3.
Le plot d'accrochage 11 est réalisé par dépôt d'une couche de métal choisi parmi l'or, l'argent, l'aluminium ou le cuivre. Le plot d'accrochage est réalisé, de préférence, par dépôt d'une couche d'or par l'intermédiaire d'un masque (non représenté), de manière à former une pastille, de préférence annulaire, autour de l'orifice formé par l'évent 9. Dans une variante de réalisation (non représentée), l'évent 9 peut être réalisé après le dépôt de la couche métallique destinée à former le plot d'accrochage 11 , par exemple par gravure laser.The attachment stud 11 is produced by depositing a layer of metal chosen from gold, silver, aluminum or copper. The attachment stud is preferably produced by depositing a layer of gold via a mask (not shown), so as to form a patch, preferably annular, around the orifice formed. through the vent 9. In an alternative embodiment (not shown), the vent 9 can be produced after the deposition of the metal layer intended to form the attachment stud 11, for example by laser etching.
Dans une seconde étape, une bille 12 est formée par fusion à une extrémité d'un fil métallique 13. Le fil métallique 13 et la bille 12 peuvent être en métal ductile choisi parmi l'or, l'argent, l'aluminium ou le cuivre. Avantageusement, la bille 12 et le plot d'accrochage 11 sont constitués du même matériau, afin de faciliter leur écrouissage ultérieur.In a second step, a ball 12 is formed by fusion at one end of a metal wire 13. The metal wire 13 and the ball 12 can be of ductile metal chosen from gold, silver, aluminum or copper. Advantageously, the ball 12 and the attachment stud 11 are made of the same material, in order to facilitate their subsequent work hardening.
La bille 12 est ensuite déposée sur l'extrémité de l'évent 9 et sur le plot d'accrochage 11 (figure 3) et l'obturation de l'évent 9 s'effectue ensuite par déformation de la bille 12 et soudure de la bille 12 sur le plot d'accrochage 11. Une force de compression F, ou force d'écrasement, est appliquée sur la bille 12 par l'intermédiaire d'une électrode de soudure 14 (figure 8), de manière à ce que la bille 12 se déforme et bouche l'évent 9 en prenant appui sur le plot d'accrochage 11 , comme représenté à la figure 4. Simultanément, des vibrations, de préférence, ultrasonores de faible amplitude, sont générées par l'électrode de soudure 14, pour souder par ultrasons la bille 12 déformée et le plot d'accrochage 11 , au niveau des zones de contact entre le plot d'accrochageThe ball 12 is then deposited on the end of the vent 9 and on the attachment stud 11 (FIG. 3) and the closure of the vent 9 is then effected by deformation of the ball 12 and welding of the ball 12 on the attachment stud 11. A compression force F, or crushing force, is applied to the ball 12 by means of a welding electrode 14 (FIG. 8), so that the ball 12 deforms and plugs the vent 9 by resting on the attachment stud 11, as shown in FIG. 4. Simultaneously, vibrations, preferably, ultrasonic of low amplitude, are generated by the welding electrode 14 , to ultrasonically weld the deformed ball 12 and the attachment stud 11, at the contact zones between the attachment stud
11 et la bille 12 déformée. La combinaison des forces de compression et des forces de vibration provoque la déformation de la bille 12 et sa soudure sur le plot d'accrochage 11.11 and the ball 12 deformed. The combination of compression forces and vibration forces causes the ball 12 to be deformed and welded to the attachment stud 11.
Après soudure de la bille 12 (figure 4), si des tests de traction sont réalisés, la rupture intervient au niveau du fil métallique 13, juste au-dessus de la bille déformée 12, et non au niveau du plot d'accrochage 11. Le fil métallique 13 peut ainsi être éliminé, par exemple, par une traction sur celui-ci. Un bout de fil 13 résiduel peut éventuellement rester lié à la partie supérieure de la bille déformée 12.After welding of the ball 12 (FIG. 4), if tensile tests are carried out, the rupture occurs at the level of the metal wire 13, just above the deformed ball 12, and not at the level of the attachment stud 11. The metal wire 13 can thus be eliminated, for example, by pulling on it. A piece of wire 13 residual may possibly remain linked to the upper part of the deformed ball 12.
Le procédé décrit ci-dessus est réalisé à une température, de préférence, de l'ordre de 150°C, qui est très inférieure à la température de fusion de l'or, de l'argent, de l'aluminium et du cuivre, afin de faciliter la déformation et la soudure de la bille 12. L'écrasement de la bille 12 permet d'obtenir un contact parfait de la bille 12 sur le plot d'accrochage 11 , avec en plus une jonction mécanique définitive. L'obturation est donc parfaitement hermétique. Par ailleurs, l'or est le mieux adapté pour répondre à cette fonction d'étanchéité, car il est très ductile.The process described above is carried out at a temperature, preferably of the order of 150 ° C., which is much lower than the melting temperature of gold, silver, aluminum and copper , in order to facilitate the deformation and the welding of the ball 12. The crushing of the ball 12 makes it possible to obtain perfect contact of the ball 12 on the attachment stud 11, with in addition a final mechanical junction. The shutter is therefore perfectly airtight. Furthermore, gold is best suited to meet this sealing function, because it is very ductile.
La liaison ainsi obtenue est non seulement mécanique mais aussi électrique, car l'or présente aussi une bonne conductivité.The bond thus obtained is not only mechanical but also electrical, because gold also has good conductivity.
Éventuellement, il est possible d'inclure une étape supplémentaire d'oxydation de la paroi 10 de la microstructure 3. Une couche oxydée (non représentée) est alors formée entre la paroi 10 et le plot d'accrochage 11. La couche oxydée a pour fonction d'isoler électriquement le plot d'accrochage 11 de la paroi 10.Optionally, it is possible to include an additional step of oxidizing the wall 10 of the microstructure 3. An oxidized layer (not shown) is then formed between the wall 10 and the bonding pad 11. The oxidized layer has for function of electrically isolating the attachment stud 11 from the wall 10.
Le procédé d'obturation d'évents décrit ci-dessus peut être mis en œuvre à l'aide d'une machine de soudure par ultrasons, décrite plus en détail au regard des figures 5 à 10. Une machine de soudure par ultrasons comporte classiquement une électrode de soudure 14, traversée par le fil métallique 13, et une table de travail 15.The process for closing off vents described above can be implemented using an ultrasonic welding machine, described in more detail with reference to FIGS. 5 to 10. An ultrasonic welding machine conventionally comprises a welding electrode 14, crossed by the metal wire 13, and a work table 15.
Comme représenté sur les figures 5 et 6, la machine comporte classiquement des moyens 16, destinés à la formation de la bille 12 par fusion du fil métallique 13. Une tension élevée peut, par exemple, être appliquée entre le fil métallique 13 et une borne 16, provoquant la fusion du fil 13 et l'apparition de la bille 12 qui sera ensuite écrouie. Pour la mise en œuvre de l'invention, la microstructure 3, munie d'au moins un évent 9 à obturer, est disposée sur la table de travail 15 (figures 7 à 10). De plus, les extrémités de l'électrode 14 et du fil métallique 13 sont introduites dans une enceinte 17, dont l'atmosphère peut être contrôlée. À titre d'exemple, l'enceinte 17 peut être mise sous vide ou sous une pression partielle de gaz inerte, après formation de la bille 12 dans l'enceinte 17.As shown in FIGS. 5 and 6, the machine conventionally comprises means 16, intended for the formation of the ball 12 by melting the metal wire 13. A high tension can, for example, be applied between the metal wire 13 and a terminal 16, causing the fusion of the wire 13 and the appearance of the ball 12 which will then be hardened. For the implementation of the invention, the microstructure 3, provided with at least one vent 9 to be closed, is placed on the work table 15 (FIGS. 7 to 10). In addition, the ends of the electrode 14 and of the metal wire 13 are introduced into an enclosure 17, the atmosphere of which can be controlled. By way of example, the enclosure 17 can be placed under vacuum or under a partial pressure of inert gas, after formation of the ball 12 in the enclosure 17.
La machine comporte classiquement des moyens de déplacement de l'électrode 14 perpendiculairement à la table de travail 15. La bille 12 peut ainsi être déposée sur l'extrémité de l'évent 9 et sur le plot d'accrochage 11 de la microstructure 3 supportée par la table de travail 15. La machine comporte également, classiquement, des moyens de génération d'ultrasons, destinés à entraîner la vibration de l'électrode de soudure 14. Les moyens de déplacement de l'électrode 14 et les moyens de génération d'ultrasons sont constitués par tout moyen approprié utilisé dans les machines de soudure par ultrasons classiques.The machine conventionally comprises means for moving the electrode 14 perpendicular to the work table 15. The ball 12 can thus be deposited on the end of the vent 9 and on the attachment stud 11 of the supported microstructure 3 by the work table 15. The machine also conventionally comprises means for generating ultrasound, intended to cause the vibration of the welding electrode 14. The means for moving the electrode 14 and the means for generating d 'ultrasound is formed by any suitable means used in conventional ultrasonic welding machines.
Sur la figure 8, l'électrode 14 est déplacée pour être amenée en contact avec la bille 12 et pour appliquer, perpendiculairement à la table de travail 15, une force d'écrasement F sur la bille 12. Ceci provoque la compression et la déformation de la bille 12 sur le plot d'accrochage 11 de la microstructure 3 et l'obturation de l'évent 9. L'application d'une force de vibrations ultrasonores Fus, de préférence parallèlement à la table de travail 15, à l'électrode 14 en contact avec la bille 12 provoque la soudure de la bille 12 sur le plot d'accrochage 11.In Figure 8, the electrode 14 is moved to be brought into contact with the ball 12 and to apply, perpendicular to the work table 15, a crushing force F on the ball 12. This causes compression and deformation of the ball 12 on the attachment stud 11 of the microstructure 3 and the closure of the vent 9. The application of an ultrasonic vibration force F us , preferably parallel to the work table 15, at the the electrode 14 in contact with the ball 12 causes the ball 12 to be welded to the attachment stud 11.
Sur les figures 9 et 10, la soudure a été effectuée et l'obturation de l'évent 9 est terminée. L'électrode de soudure 14 reprend alors sa position initiale, à l'écart de la microstructure 3, en remontant perpendiculairement à la table de travail 15 (figure 9). Le fil métallique 13 est alors, par exemple, rompu au niveau de la bille déformée 12, par exemple, par un effort de traction exercé sur le fil 13. Un petit bout de fil 13 résiduel peut éventuellement rester sur la surface supérieure de la bille déformée 12.In FIGS. 9 and 10, the welding has been carried out and the sealing of the vent 9 is finished. The welding electrode 14 then returns to its initial position, away from the microstructure 3, going up perpendicularly to the work table 15 (figure 9). The metal wire 13 is then, for example, broken at the level of the deformed ball 12, for example, by a tensile force exerted on the wire 13. A small piece of residual wire 13 may possibly remain on the upper surface of the ball distorted 12.
Dans une variante de réalisation (non représentée), le fil de soudure 13 peut être utilisé pour réaliser une connexion électrique, en connectant l'extrémité libre du fil résiduel 13 à un plot de connexion d'un boîtier d'encapsulation, ou encore d'un autre composant. Dans une autre variante, le fil métallique 13 peut être coupé simultanément à la réalisation de la bille 12 suivante, afin de permettre une automatisation du procédé d'obturation.In an alternative embodiment (not shown), the solder wire 13 can be used to make an electrical connection, by connecting the free end of the residual wire 13 to a connection pad of an encapsulation box, or alternatively d another component. In another variant, the metal wire 13 can be cut simultaneously with the production of the next ball 12, in order to allow automation of the sealing process.
La machine peut comporter des moyens de déplacement relatif de la microstructure 3 et de l'électrode de soudure 14, aussi bien perpendiculairement à la table de travail de travail 15 que parallèlement à celle-ci. À titre d'exemple, la microstructure 3 peut être solidaire de la table de travail 15, qui peut être en mouvement par rapport à l'électrode de soudure 14. Le déplacement latéral de la table de travail 15 permet de faire défiler les microstructures 3 les unes à la suite des autres sous l'électrode de soudure 14, dans l'enceinte 17. Sur la figure 10, la table de travail 15 supporte, à l'extérieur de l'enceinte 17, une microstructure 3 dont l'évent 9 a déjà été obturé, et dans l'enceinte 17 de la machine, une microstructure 3 prête à être obturée.The machine may include means for relative displacement of the microstructure 3 and of the welding electrode 14, both perpendicularly to the work table 15 and parallel to it. By way of example, the microstructure 3 can be integral with the work table 15, which can be in motion relative to the welding electrode 14. The lateral movement of the work table 15 makes it possible to scroll the microstructures 3 one after the other under the welding electrode 14, in the enclosure 17. In FIG. 10, the work table 15 supports, outside the enclosure 17, a microstructure 3 whose vent 9 has already been closed, and in the enclosure 17 of the machine, a microstructure 3 ready to be closed.
Le procédé selon l'invention peut ainsi être mis en œuvre par toute machine de soudure par ultrasons connue, les moyens complémentaires nécessaires à la mise en œuvre du procédé d'obturation d'évent, à savoir l'enceinte 17 à atmosphère contrôlée et les moyens de déplacement de la microstructure 3 à l'intérieur de l'enceinte 17, étant faciles d'installation et d'utilisation. De plus, il est possible de traiter des tranches entières comportant une pluralité de microstructures 3, et d'obturer les évents avant d'effectuer la découpe de la tranche entière. Des gains importants en termes de coût et de temps sont donc possibles.The method according to the invention can thus be implemented by any known ultrasonic welding machine, the additional means necessary for the implementation of the vent sealing method, namely the enclosure 17 with a controlled atmosphere and the means for moving the microstructure 3 inside the enclosure 17, being easy to install and use. In addition, it is possible to process whole slices comprising a plurality of microstructures 3, and to close the vents before cutting the entire slice. Significant savings in terms of cost and time are therefore possible.
Le procédé d'obturation d'évent et la machine de soudure par ultrasons décrits ci-dessus procurent notamment les avantages suivants, à savoir une bonne étanchéité de la microstructure 3, un procédé d'obturation efficace, effectué à basse température et facile à mettre en œuvre et une machine de soudure permettant d'appliquer le procédé d'obturation pour une microstructure unitaire ou pour une pluralité de microstructures réalisées sur une tranche entière avant découpe.The vent sealing process and the ultrasonic welding machine described above provide the following advantages, namely good sealing of the microstructure 3, an efficient sealing process, carried out at low temperature and easy to put on. and a welding machine for applying the sealing process for a unitary microstructure or for a plurality of microstructures produced on an entire wafer before cutting.
L'invention est plus particulièrement intéressante lors de la fabrication de microstructures constituant des accéléromètres, des bolomètres, des microcommutateurs RF ou de puissance. The invention is more particularly advantageous during the manufacture of microstructures constituting accelerometers, bolometers, RF or power microswitches.

Claims

Revendications claims
1. Procédé d'obturation d'un évent (9) formé dans une paroi (10) d'une microstructure (3) sous atmosphère contrôlée, procédé caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :1. Method for closing a vent (9) formed in a wall (10) of a microstructure (3) under a controlled atmosphere, method characterized in that it comprises at least the following steps:
- le dépôt d'un plot d'accrochage (11) sur la paroi (10) à la périphérie d'une extrémité de l'évent (9),- depositing an attachment stud (11) on the wall (10) at the periphery of one end of the vent (9),
- la formation d'une bille (12) par fusion à une extrémité d'un fil métallique (13), - le dépôt de la bille (12) sur l'extrémité de l'évent (9) et sur le plot d'accrochage (11).- the formation of a ball (12) by fusion at one end of a metal wire (13), - the deposit of the ball (12) on the end of the vent (9) and on the stud hooking (11).
- la déformation de la bille (12) et sa soudure par ultrasons sur le plot d'accrochage (11). - the deformation of the ball (12) and its ultrasonic welding on the attachment stud (11).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la déformation et la soudure par ultrasons de la bille (12) sont provoquées par une force d'écrasement (F) et par des vibrations ultrasonores (Fus).2. Method according to claim 1, characterized in that the deformation and the ultrasonic welding of the ball (12) are caused by a crushing force (F) and by ultrasonic vibrations (F us ).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est réalisé à une température de l'ordre de 150°C.3. Method according to one of claims 1 and 2, characterized in that it is carried out at a temperature of the order of 150 ° C.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bille (12) est en métal ductile. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the ball (12) is made of ductile metal.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le métal est choisi parmi l'or, l'argent, l'aluminium ou le cuivre. 5. Method according to claim 4, characterized in that the metal is chosen from gold, silver, aluminum or copper.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le plot d'accrochage (11) est réalisé par dépôt d'une couche de métal choisi parmi l'or, l'argent, l'aluminium ou le cuivre.6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the attachment stud (11) is produced by depositing a layer of metal chosen from gold, silver, aluminum or the copper.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bille (12) et le plot d'accrochage (11) sont réalisés dans le même matériau.7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the ball (12) and the attachment stud (11) are made of the same material.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'oxydation de la microstructure (3) avant le dépôt du plot d'accrochage (11).8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a step of oxidation of the microstructure (3) before the deposition of the attachment stud (11).
9. Utilisation d'une machine de soudure par ultrasons pour la mise en œuvre du procédé d'obturation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 9. Use of an ultrasonic welding machine for the implementation of the sealing process according to any one of claims 1 to 8.
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