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Pour aller plus loin dans la miniaturisation

Jean-Charles Guézel

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À toutes les étapes de la réalisation d'un produit électronique, des composants aux circuits imprimés, le laser est vraiment l'outil à tout faire... en plus petit.

S'il est une industrie axée sur la miniaturisation, c'est bien l'électronique. Rien d'étonnant, donc, au fait que la technologie laser y suscite un véritable engouement... sur le papier. Dans les faits, en revanche, c'est une autre histoire. À moins d'être vraiment indispensables, les machines laser peinent à s'imposer dans ce secteur, dans la sous-traitance tout particulièrement, malgré une offre de plus en plus conséquente. « Une simple question de coût, donc de temps », estiment certains spécialistes. Didier Boisselier, responsable technique au centre d'études et de transfert de technologies Irepa Laser, est de ceux-là. « L'essentiel, aujourd'hui, en électronique, c'est la capacité d'intégration fonctionnelle sur les cartes, explique-t-il. Or, cette capacité dépend pour une bonne part de la précision des équipements employés pour leur fabrication. De ce point de vue, c'est certain, le laser est le meilleur outil possible. »

Le procédé laser phare, en matière de micro-assemblage, c'est le brasage. « Il s'agit d'assembler deux pièces métalliques à l'aide d'un métal d'apport à bas point de fusion (sous forme de fil ou de crème) liquéfié sous l'action thermique très contrôlée de la source laser », rappelle Didier Boisselier. La même chose qu'avec un four de refusion ou une "vague", en somme, mais point par point, et avec une grande délicatesse. Le revers de la médaille, car il y en a hélas ! un, c'est la cadence, nécessairement limitée, même s'il est possible de compenser cette lenteur par la multiplication des faisceaux et par la mise en oeuvre de systèmes de déflexion rapides.

Les diodes changent la donne

De fait, c'est surtout à l'assemblage des composants électroniques les plus sensibles à la température, ainsi qu'à la réparation (associée à un débrasage localisé, toujours problématique), que le laser s'est cantonné ces dernières années. Les choses, toutefois, bougent peu à peu, notamment en raison de l'évolution des sources. « Le brasage réclamant des densités d'énergie plus modestes que le soudage (assemblage sans métal d'apport), surtout en électronique, les sources YAG utilisées jusqu'à présent cèdent de plus en plus la place à des diodes, caractérisées par un spot moins concentré mais plus facilement absorbé (longueur d'onde plus faible), observe l'expert de l'Irepa. L'évolution est d'autant plus naturelle que les lasers à diodes offrent un meilleur rendement de conversion électro-optique et sont également plus compacts et surtout moins onéreux. » Stimulée par la mise à disposition de sources plus adaptées, l'adoption du laser dans l'industrie électronique bénéficie également des changements intervenus (ou programmés) dans la technologie des cartes. Le passage à des supports souples en polymère, par exemple, très pratiques dans certains cas, mais beaucoup moins résistants que la résine époxyde à la chaleur des fours ou des fers. Ou encore l'obligation prochaine de braser avec des alliages sans plomb, certes moins toxiques, mais qui peuvent être plus difficilement fusibles. Dans ce cas, au lieu de surchauffer l'ensemble d'une carte et de ses composants dans un four, le laser opérera de façon chirurgicale, sans mettre l'électronique en péril.

Brasage localisé

C'est ce genre d'avantages que Thierry Blanche, patron de MJB, met en avant pour promouvoir ses machines Beamworks Spark 100 (voir encadré ci-contre) et Spark 400. Destinée à la fabrication de petites séries de cartes, à l'assemblage de prototypes ou au brasage/débrasage sélectif, la Spark 400 est en fait une machine complète, dotée d'importantes capacités de brasage laser (jusqu'à 120 000 joints à l'heure) en plus de ses fonctions de dépôt de crème à braser et de placement de composants. « C'est la machine idéale lorsqu'il s'agit de corriger une erreur de placement ou de prendre en compte un composant particulier, soit parce qu'il n'est pas montable en surface (blindage, accumulateur, connecteur, composant optique...), soit parce qu'il est particulièrement fragile, soit encore parce qu'il n'a été livré qu'après l'assemblage de tout le reste de la carte », argumente le responsable. La puissance de chauffe, ainsi que la focalisation de chacune des quatre diodes laser (25 watts) de la tête, sont réglées de façon indépendante au moyen d'un pyromètre infrarouge. Pour le composant, c'est l'assurance d'un stress réduit au minimum : 5 °C d'écart, tout au plus, d'un point à l'autre de la surface d'un BGA (Ball Grid Array) lors d'un débrasage.

Des machines compactes

Pour des besoins plus ponctuels, la technologie laser est néanmoins disponible sous des formes nettement plus légères que celles de cet imposant bâti de 2 mètres cubes. C'est le cas avec l'ensemble FLS Ironscan, de Fisba Optik. Guère plus encombrant qu'une boîte à chaussures, ce produit réussit le tour de force de réunir un laser à diodes (30 ou 50 watts), un pyromètre et un dispositif de balayage par miroirs galvanométriques. Pilotable sous Windows, l'Ironscan concentre son faisceau sur moins d'un quart de millimètre carré et régule la température du point d'impact à ± 2 °C près. Un véritable outil de précision pour l'assemblage haute densité.

Au rayon des machines compactes à diodes, citons également le robot de microbrasage Optolaser, de Capa Electronic. Disponible en trois versions (20, 30 ou 50 watts), ce dispositif génère un spot de tir de 0,3 ou 0,6 millimètre de diamètre, selon l'application, et offre l'intéressante possibilité de travailler sous azote.

S'ils tendent à être supplantés par les diodes, les lasers YAG gardent cependant une enviable popularité dans l'industrie électronique. C'est sur cette technologie que s'appuient notamment les fameuses machines de soudage de cartes LS 100 (source de 95 watts), LS 120 (120 watts) et LS 180 (180 watts) de VI Technology (groupe Thermatech). « Le YAG pulsé reste également une valeur sûre dans l'optoélectronique, confirme Didier Boisselier : il y est tout particulièrement apprécié en raison de la fiabilité et la reproductibilité des assemblages (diodes, lentilles, fibres optiques) qu'il permet de réaliser par soudage, surtout lorsque les exigences en matière de positionnement sont de quelques dixièmes de micromètre seulement. »

Pour certaines applications, comme le perçage de précision à haute cadence, les lasers pulsés à CO2 sont, eux aussi, toujours d'actualité. On trouve, par exemple, une source de ce type (à 9 250 nanomètres de longueur d'onde) au coeur de la Microbeam 3500 de Siemens Dematic. Capable de percer des vias (trous métallisés dans les cartes multicouches) de 30 à 330 micromètres de diamètre, cette machine fait en réalité partie d'une famille diversifiée comprenant également la 3200/3205 (laser à 355 nanomètres de longueur d'onde pompé par diode) et la 3300 (laser à 532 nanomètres de longueur d'onde, également pompé par diode).

Ce n'est toutefois pas au perçage qu'est destinée cette dernière machine, mais à ce qu'on appelle la structuration LDS (Laser Direct Structuring),

autrement dit la gravure directe de circuits imprimés, de boîtiers de composants électroniques ou même de masques de sérigraphie. Cette spécialité, sur laquelle on retrouve également la société LPKF, constituerait une alternative particulièrement simple et rapide à la traditionnelle photolithographie. Concernant la rapidité, tout dépend de la nature des matériaux à traiter : sur du cuivre étamé standard, la Microbeam 3300 affiche en tout une vitesse de gravure respectable, de l'ordre de 720 mm/s.

Parmi les "accros" à ce procédé, on peut mentionner l'Institut Fraunhofer de Berlin, qui y fait appel pour mettre au point sa technologie d'encapsulation CIP (Chip In Polymer).

Peut-on espérer, sur cette base, la renaissance de l'industrie du circuit imprimé en Europe ? Sans doute pas, malheureusement. « Nos Microbeam se révèlent particulièrement bien adaptées aux marchés de masse asiatiques », se contente de répondre Ralf Custodis, responsable marketing de Siemens Dematic pour l'activité Substrate Technology. Le vieux continent n'est apparemment plus guère en ligne de mire...

Cela dit, tant en électricité qu'en électronique, il existe une foule d'applications géographiquement très proches et qui mettent en oeuvre des lasers de façon parfois insoupçonnée. L'une de ces applications, la plus banalisée sans doute, est le marquage. Circuits imprimés, composants, câbles et même disques... laser : tout y passe.

Les semi-conducteurs en pointe

De même, le laser est un outil désormais classique pour le soudage des électrodes de canons à électrons (dans les tubes cathodiques), pour l'assemblage de certains constituants de piles électriques et de disjoncteurs, pour l'ajustage de résistances de précision ou pour la fermeture des boîtiers de composants hermétiques.

En matière de circuits imprimés, outre la gravure directe, le laser se révèle également très utile lors du phototraçage (fabrication des clichés) et de l'insolation des résines photosensibles (Laser Direct Imaging). Et il n'est pas moins irremplaçable dans l'industrie des semi-conducteurs, en particulier lorsqu'il s'agit de fabriquer ou de réparer les masques de photolithographie, de photolithographier, de réaliser des recuits ou des dopages (par adsorption d'un gaz sur une surface de silicium fondue). Sans parler, bien entendu, de la fameuse LCVD (déposition chimique en phase vapeur)...

Finalement, la relative méfiance qu'inspirent encore le soudage et l'usinage laser en électronique n'est peut-être rien d'autre que la réaction normale d'une industrie tellement convaincue des avantages de la photonique pour régler ses problèmes les plus complexes, qu'elle en vient presque à douter de son utilité pour résoudre les plus simples.

LES NOUVELLES APPLICATIONS

- La structuration LDS (Laser Direct Structuring) : réalisation de circuits imprimés ou de boîtiers de composants. - Le contrôle dimensionnel de petites structures (plots d'interconnexion, Mems...) au moyen d'outils tels que le capteur Siscan de Siemens Dematic ou le capteur RCS (Rapid Confocal Sensor) d'August Technology. - Insolation LDI (Laser Direct Imaging) des résines photosensibles pour circuits imprimés.

LA SPARK 100 BRASE LES COMPOSANTS TRAVERSANTS

Dotée d'une diode de 60 watts et entièrement automatisée (programmation par téléchargement direct des fichiers CAO, caméra de 752 x 578 pixels...), la Spark 100 de MJB ne fait que du brasage. Sa particularité : un faisceau placé sous la carte (610 x 508 mm au maximum) brase les composants traversants sans retournement du support. Rien de plus simple, donc, que d'intégrer cette machine au sein d'une ligne CMS classique. Adoptée par le fabricant danois de circuits imprimés Styromatic et par l'équipementier américain Cardone Industries, la Spark 100 opère à la vitesse moyenne d'un joint par seconde.

LA MICROBEAM 3200 PERCE 450 TROUS PAR SECONDE

Équipées d'un laser UV pompé par diode à 355 nanomètres de longueur d'onde, les machines Microbeam 3200 (3,5 watts de puissance moyenne) et 3205 (4 watts) de Siemens Dematic peuvent réaliser jusqu'à 450 perçages de 75 micromètres de diamètre chaque seconde. Acceptant une grande variété de supports (résine époxyde, cuivre, polyimide...), ces machines positionnent leur faisceau (15 microns de diamètre) avec une précision de ± 20 micromètres (à 3 sigma) sur l'ensemble de l'espace de travail (610 x 710 mm). Le diamètre des trous se situe en principe entre 30 microns et 250 micromètres. L'un des premiers clients à avoir été séduits a été le fabricant taïwanais de circuits imprimés Unicap.

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