FR3134021A1 - Procédé de soudage par ultrasons - Google Patents

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Jonathan SCHOENLEBER
Marie-Pierre GIGANDET
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Abstract

Procédé de soudage par ultrasons L’invention concerne un procédé d’assemblage d’un objet (13) à un substrat (11) comprenant les étapes suivantes : Le dépôt d’un film nanoporeux entre une surface d’au moins un substrat et au moins une surface d’un objet ; L’application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason, pour former une soudure (12) entre l’objet et le substrat du film nanoporeux. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de soudage par ultrasons
L’invention concerne le domaine des procédés de préparation des composés électroniques, et plus précisément les procédés d’assemblages permettant d’associer deux composants l’un à l’autre.
Les techniques de soudage permettant d’assembler un objet à un substrat sont très utilisées dans le domaine de l’électronique notamment pour attacher un composant électronique sur un substrat, par exemple un circuit électrique.
Les soudures à base de plomb sont utilisées pour attacher des composants électroniques car ces dernières présentes un coût faible, de bonnes propriétés de conductivité et une très bonne résistance en température. Néanmoins, la réglementation sur l’utilisation du plomb impose de remplacer ce dernier.
Parmi les alternatives recevables, des soudures à base d’argent ou de cuivre ont été proposées. Par exemple, il est proposé d’obtenir des soudures entre un objet et un substrat en déposant des nano- ou micro-particules de cuivre entre un objet et un substrat puis en appliquant une pression et une température.
Ces procédés nécessitent toutefois des températures et des pressions appliquées relativement importantes qui peuvent nuire à l’intégrité des composants. Egalement, de tels procédés d’assemblages sont relativement longs.
Il demeure un besoin pour un procédé permettant de remplacer les soudures au plomb tout en étant dénués des inconvénients précités.
Pour répondre à ce besoin, l’invention propose un procédé d’assemblage d’un objet à un substrat comprenant les étapes suivantes :
  • Le dépôt d’un film nanoporeux entre une surface d’un substrat et une surface d’un objet ;
  • L’application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason, pour former une soudure entre l’objet et le substrat du film nanoporeux.
Par comparaison aux procédés d’assemblage de l’art antérieur proposant d’apporter le matériau de soudure sous forme d’une pâte comprenant une poudre métallique dispersée dans un solvant, l’utilisation d’un film nanoporeux permet de diminuer de manière importante l’énergie nécessaire pour former la soudure.
En effet, dans le film nanoporeux, il n’est pas nécessaire de lier entre elles les particules du matériau de soudure, car ces dernières le sont déjà. La pression et les ultrasons suffisent alors pour former une soudure entre l’objet et le substrat, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des moyens de chauffages externes.
Le procédé de l’invention permet donc de diminuer grandement l’énergie nécessaire pour obtenir un assemblage équivalent de ceux des procédés de l’art antérieur.
En particulier, le procédé de l’invention ne nécessite pas d’élément de chauffage externe, et propose un procédé rapide, qui permet néanmoins l’obtention de soudures ayant des propriétés de conductivité et de résistance en température comparables sinon supérieures à celles obtenues dans l’art antérieur.
A la différence des procédés de l’art antérieur, l’application du signal ultrason permet un chauffage du film nanoporeux très localisé et rapide, indépendant de la capacité thermique des éléments à assembler, en particulier de l’objet et du substrat.
Dans un procédé de l’invention, il est entendu qu’un film nanoporeux est constitué de particules reliées entre elles, pour former un réseau bidimensionnel. La taille des particules est comprise entre 10 nm et 10 µm, voire entre 10 nm et 1,0 µm. Le film est bidimensionnel, c’est-à-dire que l’une de ses dimensions, nommée par la suite son épaisseur, est très inférieure à ses deux autres dimensions.
En outre, le film nanoporeux est caractérisé par une porosité comprise entre 20 % et 80 %, voire entre 30 % et 70 %. La porosité du film peut être caractérisée en comparant la densité du film nanoporeux avec la densité du métal constituant le film.
Par exemple, la densité du film nanoporeux peut être comprise entre 20 % et 80 % de la densité du métal qui le compose, voire entre 30% et 70 %.
Dans un mode de réalisation, le film nanoporeux comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés.
Le procédé de l’invention n’est pas limité par la formation d’une unique soudure sur l’objet, et le procédé décrit permet d’assembler un objet à un premier et un deuxième substrat.
Par exemple, selon un de ses aspects, l’invention concerne un procédé d’assemblage d’un objet à un premier et un deuxième substrat comprenant les étapes suivantes :
  • Le dépôt d’un premier film nanoporeux entre une surface d’un premier substrat et une première surface d’un objet ;
  • Le dépôt d’un deuxième film nanoporeux entre une surface d’un deuxième substrat et une deuxième surface de l’objet différente de la première surface ; puis
  • L’application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason, pour former une première soudure entre l’objet et le premier substrat et une deuxième soudure entre l’objet et le deuxième substrat.
Ce mode de réalisation, permet d’assembler en une seule étape un objet à deux substrats.
De manière alternative, selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé d’assemblage d’un objet à un premier et un deuxième substrat comprenant les étapes suivantes :
  • Le dépôt d’un premier film nanoporeux entre une surface d’un premier substrat et une première surface d’un objet;
  • Une première étape d’application conjointe d’une première pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un premier signal ultrason, pour permettre le frittage du premier film nanoporeux pour former une première soudure entre l’objet et le premier substrat ;
  • Le dépôt d’un deuxième film nanoporeux entre une surface d’un deuxième substrat et une deuxième surface de l’objet différente de la première surface ; puis
  • Une deuxième étape d’application conjointe d’une deuxième pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un deuxième signal ultrason, pour former une deuxième soudure entre l’objet et le deuxième substrat.
Ce mode de réalisation, permet d’assembler en deux étapes successives un objet à deux substrats.
Ce mode de réalisation est avantageux lorsque les compositions du premier film nanoporeux et du deuxième film nanoporeux ne sont pas les mêmes, car il est possible de choisir des caractéristiques différentes pour la première et la deuxième pression, ou le premier et deuxième signal ultrason.
Dans un mode de réalisation, le premier film nanoporeux et le deuxième film nanoporeux peuvent être identiques.
Dans un mode de réalisation, le premier film nanoporeux et le deuxième film nanoporeux sont différents. Ce mode de réalisation permet alors de choisir précisément la composition du film nanoporeux en fonction des propriétés souhaitées pour la soudure, et de tenir compte des spécificités propres du premier et du deuxième substrat.
Dans un mode de réalisation, le premier film comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés et le deuxième film comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés.
Ces métaux permettent d’assurer une liaison ayant une bonne conductivité électrique et thermique.
Dans un mode de réalisation, le film nanoporeux est constitué de cuivre (Cu), d’argent (Ag), d’aluminium (Al), d’or (Au) ou d’un mélange de ces composés.
De préférence, le premier et le deuxième film nanoporeux sont constitués de cuivre (Cu). Le cuivre présente en effet le meilleur compromis entre les propriétés de conduction et de résistance souhaitées et le coût.
Dans un mode de réalisation, chaque film nanoporeux peut avoir une épaisseur comprise entre 10 µm et 200 µm. Cette épaisseur est suffisante pour obtenir une soudure de bonne qualité.
Dans un mode de réalisation, le dépôt de chaque film nanoporeux est réalisé sur un substrat dont la surface comprend de l’argent (Ag), du cuivre (Cu), de l’or (Au), de l’aluminium (Al), du nickel (Ni) ou un mélange de ces différents composés.
Ces différents métaux peuvent être utilisés pour des applications dans l’électronique de puissance notamment en tant que revêtement de matériaux céramiques. Le procédé de l’invention permet alors de disposer d’un unique procédé pour réaliser des soudures quelle que soit la composition de la surface du substrat.
Dans un mode de réalisation, chaque signal ultrason à une amplitude comprise entre 0,5 µm et 5 µm.
Dans les modes de réalisation où deux signaux ultrasons différents sont utilisés, l’expression « chaque signal » n’implique pas que les deux signaux soient identiques pourvu que les deux soient compris dans la plage de valeurs donnée.
Dans un mode de réalisation, chaque signal ultrason à une fréquence comprise entre 20 kHz et 60 kHz.
Dans un mode de réalisation, chaque signal ultrason est appliqué pendant une durée supérieure ou égale à 10 millisecondes, voire comprise entre 10 millisecondes et 1 seconde.
Cette durée est suffisamment longue pour permettre une bonne élévation locale de la température et permettre la densification de la soudure. Elle est également suffisamment courte ce qui permet une diminution de la durée générale du procédé comparativement aux procédés de l’art antérieur.
Dans un mode de réalisation, chaque film nanoporeux est obtenu par électrodéposition.
Par exemple, chaque film nanoporeux peut être déposé par électrodéposition directement sur le (ou les) substrat(s).
Cela permet de diminuer encore davantage l’énergie nécessaire pour réaliser le procédé d’assemblage, car l’énergie nécessaire pour attacher le (ou les) film(s) nanoporeux au(x) substrat(s) est apportée au cours de l’étape d’électrodéposition, et il n’est alors nécessaire d’apporter que l’énergie permettant de lier le (ou les) film(s) à l’objet pour former la (ou les) soudure(s).
En outre, l’électrodéposition permet un choix précis et simple de la densité du (ou des) film(s) nanoporeux déposé(s) puisqu’elle dépend directement des paramètres utilisés pour l’électrodéposition, ces derniers étant facilement ajustables.
Dans un mode de réalisation, le film nanoporeux est déposé par éléctrodéposition, et sa densité est hétérogène. La densité d’un film déposé par électrodéposition est fonction des conditions de dépôt, par exemple de la densité de courant utilisée, de la modulation de la polarité et des additifs dans les bains de dépôt.
Dans un mode de réalisation, le film nanoporeux est déposé par électrodéposition et comprend une première couche d’une première densité et une deuxième couche d’une deuxième densité, inférieure à la première densité, la première couche étant déposée à la surface du substrat.
Un film nanoporeux de densité hétérogène permet d’obtenir une accroche encore meilleure sur la surface du substrat. Dans un mode de réalisation, l’étape de dépôt peut correspondre à la disposition entre la surface du substrat et de l’objet d’un film nanoporeux obtenu indépendamment du procédé de l’invention.
Par exemple, chaque film nanoporeux peut être obtenu par dissolution sélective.
De manière alternative, dans ce mode de réalisation, chaque film nanoporeux peut être obtenu par électrodéposition.
Le choix de ce mode de réalisation permet d’obtenir les avantages décrits pour un film obtenu par éléctrodéposition même lorsque l’électrodéposition du (ou des) film(s) nanoporeux directement sur le substrat n’est pas possible ou serait contraignante.
En outre, ce mode de réalisation permet un contrôle du (ou des) film(s) nanoporeux avant la réalisation du procédé, ce qui permet d’assurer la qualité de la soudure résultante.
En outre, ce mode de réalisation est plus facile à mettre en place d’un point de vue industriel puisqu’il est possible de fabriquer une grande quantité de film nanoporeux, par exemple sous forme d’un ruban de film nanoporeux avant la réalisation d’un procédé de l’invention. Pour les besoins de l’invention, il suffit alors de couper dans un tel ruban de film nanoporeux, un film aux dimensions choisies précisément pour le procédé de l’invention.
Dans un mode de réalisation, l’étape de dépôt correspond à la disposition entre la surface du substrat et de l’objet d’un film nanoporeux obtenu par éléctrodéposition et comprennant une première couche d’une première densité et une deuxième couche d’une deuxième densité, inférieure à la première densité, la première couche étant disposé en regard de la surface du substrat.
Dans un mode de réalisation, l’objet est un composant électronique et chaque substrat est un circuit électronique de préférence pour de l’électronique de puissance.
La représente schématiquement un assemblage obtenu par un procédé dans un mode de réalisation.
La représente schématiquement un assemblage obtenu par un procédé dans un autre mode de réalisation.
L’invention est à présent décrite au moyen de figures qui illustrent des modes de réalisation particuliers et qui ne doivent pas être interprétés comme limitant l’invention.
La représente un assemblage 10 obtenu dans un mode de réalisation du procédé décrit.
Le substrat 11 et l’objet 13 sont reliés entre eux par la soudure 12 obtenue à partir d’un film nanoporeux.
Comme décrit plus haut la soudure 12 est obtenue à partir du film nanoporeux par application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason.
Le signal ultrason présente de préférence des oscillations dans une direction parallèle à la surface du substrat.
Le signal ultrason permet d’obtenir localement un échauffement suffisant, par friction de la surface du substrat avec la surface du film nanoporeux et par friction de la surface de l’objet avec la surface du film nanoporeux.
Cette élévation de la température assure la densification du film nanoporeux qui se lie alors à l’objet 13 et au substrat 11, formant finalement une soudure 12 entre les deux.
Comme décrit plus haut, les films nanoporeux peuvent être obtenus par dissolution sélectives. Par exemple, la dissolution sélective peut être réalisée sur des alliages comprenant initialement l’élément d’intérêt pour le film nanoporeux et un élément fugitif. De tels alliages peuvent par exemple être choisis parmi AuSi, AuSn, CuMn, CuZn, CuAl ou de tout autre alliage comprenant un ou plusieurs éléments d’intérêt et des éléments fugitifs. Ces alliages peuvent être obtenus par électrodéposition ou par trempe sur roue.
La dissolution sélective est ensuite réalisée par voie chimique ou électrochimique, et permet l’élimination de l’élément fugitif pour obtenir un film nanoporeux comprenant l’élément d’intérêt.
Par exemple, la dissolution sélective peut être faite dans un bain d’acide, par exemple d’acide sulfurique.
De manière alternative, le film nanoporeux peut être déposé sur le substrat par électrodéposition via un procédé connu en soi.
Grâce au procédé décrit, la soudure 12 peut être formée quel que soit l’état de rugosité des surfaces de l’objet 13 et du substrat 11. En effet, l’application de la pression perpendiculairement au film nanoporeux pendant la formation de la soudure 12 permet au film nanoporeux de prendre localement la forme des surfaces de contact. Ainsi, la soudure 12 assure une bonne continuité électrique entre l’objet 13 et le substrat 11.
La décrit un assemblage 20 obtenu par un procédé de l’invention dans lequel deux substrats sont assemblés à deux surfaces différentes du même objet.
Dans ce mode de réalisation, l’assemblage 20 comprend un premier substrat 21, un objet 23, et un deuxième substrat 25. L’assemblage comprend en outre une première soudure 22, présente entre la surface d’un premier substrat 21 et la première surface d’un objet 23, et une deuxième soudure 24, présente entre la surface d’un deuxième substrat 25 et la deuxième surface de l’objet 23.
L’assemblage 20 permet d’assurer la fixation de l’objet 23 à chacun des deux substrats 21, 25.
L’assemblage 20 peut être obtenu par deux des procédés décrits plus haut. En effet, pour obtenir l’assemblage 20, il est possible de procédé la première soudure 22 et la deuxième soudure 24 soit conjointement au cours de la même étape, soit consécutivement l’une puis l’autre.
En plus des avantages décrits en lien avec le mode de réalisation de la pour une soudure seule, l’assemblage 20 permet d’assurer la conduction électrique entre le premier substrat 21 et le deuxième substrat 25.
Puisqu’il y a continuité électrique entre le premier et le deuxième substrat 25 dans ce mode de réalisation, le deuxième substrat 25 peut si besoin être remplacé par un élément électronique, et l’objet 23 ne sert alors que d’intermédiaire entre le premier substrat 21 et cet élément électronique.
Les procédés décrits permettent d’obtenir une soudure 12, 22, 24 sans nécessiter d’élément de chauffage externe. Ces modes de réalisation sont particulièrement intéressants pour une application dans le domaine de l’électronique, et en particulier de l’électronique de puissance.

Claims (11)

  1. Procédé d’assemblage d’un objet (13) à un substrat (11) comprenant les étapes suivantes :
    • Le dépôt d’un film nanoporeux entre une surface d’au moins un substrat et au moins une surface d’un objet ;
    • L’application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason, pour former une soudure (12) entre l’objet et le substrat du film nanoporeux.
  2. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes :
    • Le dépôt d’un premier film nanoporeux entre une surface d’un premier substrat (21) et une première surface d’un objet (23) ;
    • Le dépôt d’un deuxième film nanoporeux entre une surface d’un deuxième substrat (25) et une deuxième surface de l’objet différente de la première surface ; puis
    • L’application conjointe d’une pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un signal ultrason, pour former une première soudure (22) entre l’objet et le premier substrat et une deuxième soudure (24) entre l’objet et le deuxième substrat.
  3. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes :
    • Le dépôt d’un premier film nanoporeux entre une surface d’un premier substrat (21) et une première surface d’un objet (23) ;
    • Une première étape d’application conjointe d’une première pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un premier signal ultrason, pour permettre le frittage du premier film nanoporeux pour former une première soudure (22) entre l’objet et le premier substrat ;
    • Le dépôt d’un deuxième film nanoporeux entre une surface d’un deuxième substrat (25) et une deuxième surface de l’objet différente de la première surface ; puis
    • Une deuxième étape d’application conjointe d’une deuxième pression comprise entre 100 kPa et 10 MPa appliquée perpendiculairement au film nanoporeux et d’un deuxième signal ultrason, pour former une deuxième soudure (24) entre l’objet et le deuxième substrat.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le film nanoporeux comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le premier film comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés et dans lequel le deuxième film comprend du cuivre (Cu), de l’argent (Ag), de l’aluminium (Al), de l’or (Au) ou un mélange de ces composés.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque signal ultrason à une amplitude comprise entre 0,5 µm et 5 µm.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque signal ultrason à une fréquence comprise entre 20 kHz et 60 kHz.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque film nanoporeux est obtenu par électrodéposition.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le film nanoporeux comprend une première couche d’une première densité et une deuxième couche d’une deuxième densité inférieure à la première densité, la première couche étant disposée à la surface du substrat.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque film nanoporeux est obtenu par dissolution sélective.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel chaque film nanoporeux à une épaisseur comprise entre 10 µm et 200 µm.
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