DE MONTAGE ASSOCIE

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne une structure d'au moins un élément microfabriqué tel qu'un composant électronique ou optique. L'invention concerne également un procédé de montage de l'au moins un élément sur ladite structure. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les éléments microfrabriqués formant une horloge atomique miniature, un magnétomètre, un gyromètre ou tout autre élément requérant l'interrogation optique d'un gaz.

ARRIÈRE PLAN DE L'INVENTION

Les horloges atomiques miniatures ont suscité un intérêt croissant au cours des quinze dernières années. Ces dispositifs exploitent le phénomène de piégeage cohérent de population pour sonder optiquement la transition hyperfïne d'atomes alcalins à l'état gazeux contenus dans une cellule. Ces dispositifs nécessitent l'assemblage d'un certain nombre d'éléments tels que :

- un laser de type VCSEL (pour « Vertical Cavity Surface Emitting Laser » dans la littérature anglo-saxonne), pour émettre une lumière cohérente,

- des composants optiques pour obtenir une polarisation circulaire et l'intensité voulue (polariseur, lame quart d'onde et densité neutre),

- une cellule contenant une vapeur saturée d'un métal alcalin tel que du césium ou du rubidium,

- une photodiode,

- une bobine pour générer un champ magnétique, et

- des éléments chauffants et des sondes de température pour réguler thermiquement la cellule et le laser.

Outre les horloges, de nombreux instruments exploitent la spectroscopie d'un ensemble d'atomes pour mesurer précisément une grandeur physique. Ainsi, ces éléments sont également mis en œuvre dans les magnétomètres et les gyromètres atomiques miniatures. Ces éléments sont généralement réalisés par des techniques de microfabrication de sorte à obtenir des cellules de petites dimensions avec de hauts rendements. En général, ces éléments sont réalisés à partir d'un empilement de substrats de silicium et de verre.

Pour former une horloge atomique, les différents éléments sont soudés sur plusieurs substrats et rigoureusement alignés de sorte que le faisceau émis par le laser pénètre dans le centre de la cellule et que le faisceau sortant de la cellule soit correctement capté par la photodiode. La qualité de la mesure dépend donc directement de l'alignement des éléments.

Ainsi, l'assemblage de ces éléments constitue une part importante de la réalisation du dispositif final et a un impact direct sur ses performances et son coût. Par exemple, la demande de brevet français N° 3 035 101 décrit la complexité de la suspension d'un élément correspondant à une cellule d'une horloge atomique de sorte à limiter les ponts thermiques entre la cellule et l'extérieur du boîtier.

En effet, la consommation énergétique moyenne du module physique et, dans le cas d'une horloge, la stabilité de fréquence lors de fluctuations de la température ambiante dépendent notamment de l'isolation thermique des éléments. Il faut donc veiller à minimiser la conduction thermique des ponts thermiques qui les maintiennent et les isolent. En outre, pour maîtriser/minimiser les échanges thermiques par la conduction de l'air, une encapsulation sous vide est souvent requise. II s'ensuit que la méthode de réalisation classique induit une forte complexité de montage des éléments de sorte à former un trajet optique entre le laser et la photodiode tout en limitant la conduction thermique. En outre, l'assemblage des éléments impose de souder et d'aligner les éléments un par un. Il s'ensuit que le processus de fabrication est particulièrement long. Pour finir, cette méthode de réalisation requiert l'utilisation d'un boîtier haut pour intégrer l'ensemble des éléments.

Le problème technique de l'invention est donc de proposer une amélioration de la structure et du procédé de montage d'au moins un élément microfabriqué sur un substrat. EXPOSE DE L'INVENTION

La présente invention propose de résoudre ce problème technique par l'utilisation d'un substrat souple intégrant une partie mobile préformée dans le substrat de sorte à relever l'au moins un élément microfabriqué après sa fixation sur le substrat.

A cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne une structure d'au moins un élément microfabriqué comportant un substrat souple pourvu d'au moins une zone de fixation destinée à fixer ledit au moins un élément microfabriqué, ledit substrat comportant au moins une zone de pliage prédéterminée configurée pour délimiter au moins deux parties distinctes dans ledit substrat : une partie fixe et une partie mobile intégrant ladite zone de fixation, ladite partie mobile étant déplaçable entre deux positions :

- une position initiale de fixation dans laquelle ladite partie mobile est coplanaire avec ladite partie fixe de sorte à fixer l'au moins un élément microfabriqué ; et

- une position opérationnelle dans laquelle ladite partie mobile a été déplacée par rapport à ladite partie fixe de sorte que l'au moins un élément microfabriqué soit orienté angulairement par rapport à ladite partie fixe.

L'invention se caractérise en ce que ladite structure comporte au moins deux zones de fixation destinées à fixer au moins deux éléments microfabriqués, ces dites au moins deux zones de fixation sont disposées sur deux parties mobiles. Ainsi, un déplacement desdites parties mobiles entraine un déplacement angulaire desdites au moins deux zones de fixation de sorte à disposer lesdites au moins deux zones de fixation en regard l'une de l'autre. L'invention permet ainsi de réaliser avec précision et répétabilité un trajet optique entre deux éléments distincts.

Selon l'invention, le positionnement « en regard » des deux zones de fixation signifie que les deux parties mobiles portant les deux zones de fixation présentent un angle sensiblement identique avec la partie fixe du substrat.

Par exemple, ces deux parties mobiles peuvent être configurées pour être positionnées avec un angle de 90° avec la partie fixe du substrat. Dans ce mode de réalisation, les deux zones de fixation sont disposées sensiblement à la même hauteur du substrat. Il existe donc un chemin optique traversant les deux zones de fixation avec un angle sensiblement égal à 90° par rapport aux plans des parties mobiles.

En variante, il est également possible de positionner deux parties mobiles avec un angle inférieur à 90°, par exemple 70°. Dans ce mode de réalisation, il est nécessaire de disposer une zone de fixation plus proche du substrat que l'autre de sorte qu'il existe un chemin optique traversant les deux zones de fixation avec un angle sensiblement égal à 90° par rapport aux plans des parties mobiles. L'invention permet également d'utiliser un substrat plat pour fixer l'au moins un élément et de déplacer la partie mobile du substrat pour relever l'au moins un élément par rapport à la partie fixe du substrat.

Contrairement à l'utilisation d'une structure suspendue, la fixation d'un élément sur une structure plane est beaucoup plus simple et peut être réalisée par des techniques de montage rapide (également appelées « pick and place » dans la littérature anglo-saxonne). Le temps de fixation de l'élément sur le substrat peut ainsi être grandement réduit.

En raison de la complexité du montage des éléments de l'état de l'art, les mêmes acteurs effectuent classiquement la réalisation du substrat et le montage des éléments. La fixation de l'élément étant simplifiée, cette invention permet de dissocier ces deux étapes de fixation et de mise en position et permet à un premier acteur de fournir uniquement un substrat sur lequel le montage des éléments a été réalisé de façon facilitée/simplifiée. Des assembleurs peuvent ainsi ensuite utiliser le substrat de l'invention et mettre en position eux-mêmes les éléments en déplaçant la partie mobile où les éléments ont été fixés.

Par ailleurs, il existe des substrats souples utilisés en électronique pour connecter deux circuits électroniques séparés par une charnière, par exemple pour un téléphone mobile à clapet. Cependant, ces substrats souples ne sont pas utilisés pour faciliter le montage de composants électroniques. Selon un mode de réalisation, ladite structure comporte au moins deux ensembles de fabrication, chaque ensemble de fabrication comportant un substrat souple pourvu d'au moins une zone de fixation destinée à fixer ledit au moins un élément microfabriqué. Ce mode de réalisation permet la réalisation de plusieurs structures simultanément. Lorsque les structures sont réalisées, les ensembles peuvent ensuite être séparés les uns des autres pour former plusieurs dispositifs de mesure.

Selon un mode de réalisation, ledit substrat intègre au moins une connexion électrique s 'étendant entre ladite partie fixe et ladite zone de fixation en passant par ladite partie mobile.

Ce mode de réalisation vise à utiliser le substrat souple pour intégrer les connexions électriques. En variante, les connexions électriques peuvent être rapportées après la fixation et le positionnement de l'au moins un élément.

Selon un mode de réalisation, ledit substrat est réalisé sous la forme d'au moins un film flexible composite à base de polymères de sorte que ladite zone de pliage prédéterminée puisse effectuer une flexion angulaire d'au moins 45°, sans rupture, selon les conditions (pression, température...) de mise en œuvre adaptées au matériau. Ce mode de réalisation vise à répondre aux besoins de déplacement du substrat.

Selon un mode de réalisation, ledit substrat présente une conductibilité thermique inférieure à 0,3 Wm^K ^"1 . L'isolation thermique entre l'élément et le boîtier est préférentiellement assurée par les zones de pliage qui sont formées par un amincissement de matière permettant une limitation des échanges thermiques. Ce mode de réalisation permet de limiter les échanges thermiques entre la partie fixe du substrat et l'élément après déplacement de la partie mobile.

Selon un mode de réalisation, ledit substrat est réalisé en polyimide. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un substrat particulièrement efficace pour répondre aux exigences de tenue mécanique, de souplesse et d'isolation thermique. Selon un mode de réalisation, ladite structure comporte au moins trois zones de fixation destinées à fixer au moins trois éléments microfabriqués, lesdites au moins trois zones de fixation étant disposées sur trois parties mobiles de sorte qu'un déplacement desdites parties mobiles entraine un déplacement angulaire desdites au moins trois zones de fixation de sorte à disposer lesdites au moins trois zones de fixation en regard les unes des autres selon un trajet optique prédéfini. Ce mode de réalisation permet de réaliser avec précision et répétabilité un trajet optique entre trois éléments distincts.

Selon un mode de réalisation, ladite structure comporte des moyens de déplacement et des moyens de blocage de ladite partie mobile. Ce mode de réalisation permet d'assurer à la fois le déplacement et le blocage de l'au moins un élément. Les moyens de blocage peuvent être réversibles ou irréversibles sans changer l'invention.

Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de déplacement et lesdits moyens de blocage sont réalisés par une languette. Ce mode de réalisation permet de faciliter la préhension lors du déplacement de l'au moins un élément.

Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de déplacement et lesdits moyens de blocage sont réalisés par au moins une zone de réception destinées à recevoir au moins un plot d'un boîtier.

Ce mode de réalisation vise l'utilisation d'un boîtier externe pour déplacer et maintenir en position l'au moins un élément. Ainsi, l'au moins un élément est fixé sur un substrat et la mise en place du boîtier a pour effet de relever l'au moins un élément par rapport à la partie fixe du substrat.

Selon un mode de réalisation, ladite structure comporte au moins deux ensembles de fabrication, chaque ensemble de fabrication comportant un substrat souple pourvu d'au moins une zone de fixation destinée à fixer ledit au moins un élément microfabriqué, lesdits moyens de déplacement étant configurés pour déplacer simultanément lesdites zones de fixation desdits au moins deux ensembles de fabrication. Ce mode de réalisation permet de relever plusieurs ensembles de fabrication lors de la réalisation de plusieurs structures en parallèle. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens de déplacement sont réalisés par chauffage dudit substrat.

Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de montage d'au moins un élément microfabriqué sur une structure selon le premier aspect de l'invention, ledit procédé comportant les étapes suivantes :

fixation de l'au moins un élément sur ladite au moins une zone de fixation dudit substrat ;

déplacement de ladite partie mobile jusqu'à obtenir un positionnement prédéterminé de l'au moins un élément par rapport à ladite partie fixe dudit substrat ; et blocage de la position dudit élément par rapport à ladite partie fixe.

Selon un mode de réalisation, l'étape de dépose de l'au moins un élément est réalisée sur un bord dudit élément. Ce mode de réalisation vise à augmenter la surface de la face active dudit élément.

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 6 représentent :

- Figures la- le : une vue en perspective de trois éléments montés sur un

substrat selon un premier mode de réalisation de l'invention (la) ainsi que deux étapes de montage desdits éléments (lb-lc);

- Figure 2 : une vue en perspective de deux éléments montés sur un substrat selon un second mode de réalisation de l'invention ;

- Figure 3 : une vue en perspective de deux éléments montés sur un substrat selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;

- Figures 4a-4d : une vue en perspective de quatre étapes de déplacement d'un substrat selon un quatrième mode de réalisation de l'invention;

- Figure 5 : une vue en perspective de plusieurs ensembles réalisés en parallèle selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et - Figures 6a-6c : des vues en perspective de deux éléments montés sur un substrat selon un sixième mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée de l'invention

Les figures la- le illustrent un mode de réalisation dans lequel la partie résonateur d'une horloge atomique miniature 10a est composée principalement de trois éléments 12a- 12c. Le premier élément 12a intègre un laser et des éléments pour réguler thermiquement le laser. Le second élément 12b intègre des composants optiques, une cellule contenant une vapeur saturée d'un métal alcalin, une bobine pour générer un champ magnétique et des éléments chauffants pour réguler thermiquement la cellule. Le troisième élément 12c est une photodiode.

Les trois éléments 12a-12c sont montés en vis-à-vis de sorte que le faisceau laser soit orienté sensiblement sur le centre de la cellule et que, après avoir traversé la cellule, le faisceau laser percute la photodiode. Pour ce faire, ces trois éléments 12a-12c sont intégrés dans des boîtiers parallélépipédiques rectangles montés en ligne sur un substrat 11.

Les trois boîtiers parallélépipédiques rectangles présentent deux faces de grande dimension de sorte à former un trajet optique prédéfini entre les éléments 12a-12c pour le faisceau laser. Les faces de grandes dimensions sont orthogonales ou quasiment orthogonales au substrat 11.

L'invention permet de maintenir ces trois boîtiers dans cette position d'équilibre. Pour ce faire, l'invention propose d'utiliser un substrat souple 11 et d'utiliser ce substrat 11 pour déplacer et maintenir les trois boîtiers en équilibre. Le substrat 11 peut être réalisé avec du polyimide, par exemple le polyimide HD-4110. De préférence, le substrat 11 présente une capacité de flexion angulaire d'au moins 45°. De préférence, le substrat 11 présente une conductivité inférieure à 0,3 Wm^K ^"1 . Le substrat peut également intégrer une ou plusieurs connexions électriques pour les éléments. La nature souple du substrat 11 permet de déplacer les éléments 12a-12c de sorte à positionner les grandes faces des boîtiers en regard des uns des autres et, ainsi, former le trajet optique prédéfini entre les éléments 12a-12c. Pour ce faire, le substrat 11 est divisé en deux parties : une partie fixe 16a et une partie mobile 17a reliées par des zones de pliage 5 15. La structuration du substrat 11 peut être réalisée par une ou plusieurs étapes de photo lithographie. Alternativement, le substrat 11 peut être réalisé à partir de films polyimide découpés par laser et assemblés avec un adhésif.

Dans l'exemple des figures la- le, les évidements du substrat 11 correspondent aux 10 parties mobiles 17a du substrat 11. Dans une première étape de montage, les parties mobiles

17a sont désolidarisées du substrat 11 et elles sont redéployées sur la partie fixe 16a de sorte à aménager des zones de fixation 14 pour les éléments 12a-12c. Les éléments 12a- 12c sont ensuite fixés sur les zones de fixation 14. La nature des zones de fixation 14 peut varier en fonction de la nature des éléments 12a-12c. Dans l'exemple de la figure 1, le 15 premier élément 12a est fixé par plusieurs zones de fixation 14 disposées sur les bords de la face portant le laser ainsi que par une zone de fixation 14 disposée au niveau de l'extrémité supérieure de la face opposée à la face portant le laser.

Le second élément 12b est fixé par quatre zones de fixation 14 disposées à quatre 20 angles d'une face de la cellule. Le troisième élément 13c est fixé par deux zones de fixation

14 sous forme de bandes s'étendant sur la face opposée à celle portant la photodiode.

La disposition des éléments 12a-12c sur le substrat 11 peut être réalisée de manière automatique avec une grande précision car le substrat 11 est plan lorsque les éléments 12a- 25 12c y sont disposés.

Ainsi, la disposition des éléments 12a-12c peut être effectuée par un outil de préhension par le vide comme pour les puces microfabriquées standardisées. Une disposition simultanée des éléments 12a-12c est également possible. Après la disposition, 30 le procédé de montage comporte une étape de fixation des éléments 12a-12c sur les zones de fixation 14 prédéterminées. Toutes les techniques connues peuvent être mises en œuvre pour réaliser la fixation, tels que la brasure, la soudure ultrason, la thermocompression, le collage... De préférence, les points de fixation sont réalisés sur les faces des éléments 12a-12c orientées vers le substrat 11 lors de l'étape de fixation.

En variante, tel qu'illustré sur la figure le pour la fixation du premier élément 12a, une fixation d'une partie mobile 17a peut être réalisée sur une face opposée à celle au contact du substrat 11. Lorsque les éléments 12a-12c sur fixés sur les zones de fixation 14, la partie mobile 17a est déplacée de sorte à relever les éléments 12a-12c. La partie mobile 17a se déplace donc entre deux positions : une position initiale de fixation dans laquelle la partie mobile 17a est coplanaire avec la partie fixe 16a ; et une position opérationnelle dans laquelle les faces des éléments 12a-12c ne sont plus disposées contre le substrat 11 mais elles sont orientées en regard les unes des autres. Lors du déplacement des éléments 12a- 12c, les zones de pliages 15 entre les parties fixe et mobile visent à guider la mise en position des éléments 12a-12c. Pour finir, la structure 10a est introduite dans un boîtier 25a et une mise sous vide du boîtier peut être réalisée. Dans l'exemple des figures la- le, la partie mobile 17a comporte un grand nombre de pliages prédéterminés qui induisent une cinématique prédéterminée de la partie mobile 17a par rapport à la partie fixe 16a, tel qu'illustré sur la figure le. En effet, le déplacement de la partie mobile 17a est assurée par une languette 19a pénétrant dans un évidement du boîtier 25a de sorte à réaliser le blocage 20 des éléments 12a-12c dans la position opérationnelle.

De multiples topologies des parties fixes et mobiles sont envisageables pour monter plusieurs éléments entre eux. Dans l'exemple de la figure 2, la structure 10b intègre deux éléments 12a-12b montés face à face par l'intermédiaire de deux plaques mobiles 17b sur lesquelles les éléments 12a-12b sont fixés. Dans la position de fixation, les plaques mobiles 17b sont disposées à plat sur la partie fixe 16b. Lorsque les éléments 12a-12b sont fixés sur les plaques mobiles 17b, les deux plaques 17b sont relevées à 90° par rapport à la partie fixe 16b et deux renforts trois points 35a sont fixés de part et d'autre des deux plaques 17b pour brider les plaques 17b dans la position opérationnelle.

La figure 5 illustre un mode de réalisation similaire à celui de la figure 2 pour lequel plusieurs ensembles de fabrication 30 sont réalisés simultanément formant ainsi plusieurs structures 10b similaires à celle de la figure 2. De préférence, lorsque la partie mobile intègre plusieurs ensembles de fabrication 30, le déplacement des parties mobiles peut être assuré simultanément par un unique moyen de déplacement. Par exemple, dans le cas de la figure 5, toutes les plaques 17b peuvent être relevées ensembles par une machine dédiée après la fixation des éléments 12a-12b et les renforts 35a peuvent être fixés en parallèle.

Dans l'exemple de la figure 3, la structure 10c comporte également deux plaques mobiles 17c maintenues par deux renforts 35b et les plaques 17c s'étendent en dessous de la hauteur de la partie fixe 16c du substrat de sorte que, dans la position opérationnelle, la partie fixe 16c du substrat soit disposée sensiblement au milieu de la hauteur des plaques 17c.

Les figures 4a-4d illustrent les déplacements que peuvent subir la partie mobile 17d d'une structure lOd pour disposer face à face deux éléments 12a-12b. Dans la position de fixation, tel qu'illustré sur la figure 4a, les parties fixe et mobile sont coplanaires.

Tel qu'illustré sur la figure 4b, le déplacement de la partie mobile 17d est assurée par traction sur une bande 19b du substrat souple entraînant un déplacement de plusieurs parties mobiles 17d du substrat. Tel qu'illustré sur la figure 4c, la bande 19b est entraînée vers la partie fixe 16d jusqu'à la position opérationnelle. Dans cette position opérationnelle, illustrée sur la figure 4d, la bande 19b est bloquée sous la partie fixe 16d et deux plaques de fixation des éléments 12a-12b sont disposées en regard l'une de l'autre.

Dans le cas des figures 1 à 5, la partie mobile 17a-17d est déplacée par des moyens de déplacement ou par une machine. En variante, un chauffage peut être appliqué sur le substrat 11 afin de déplacer la partie mobile. Dans le cas des figures 6a-6c, le déplacement de la partie mobile 17e de la structure 10e est assuré lors de la mise en place du boîtier 25b. Pour ce faire, le boîtier 25b comporte deux plots 26 s'étendant perpendiculairement depuis la face interne supérieure du boîtier 25b.

Lors de la mise en place du boîtier 25b, ces plots 26 entrent en contact avec des zones de réception 31 aménagées sur la partie mobile 17e de sorte à guider les déplacements de la partie mobile 17e.

En effet, lorsque les éléments 12a-12b sont fixés sur la partie mobile 17e, les bords externes du substrat sont fixés sur le boîtier 25b, formant ainsi la partie fixe 16e du substrat. Le positionnement de la partie supérieure du boîtier 25b entraine le déplacement des zones de réception 31 de la partie mobile 17e par appui des plots 26, entraînant ainsi le déplacement de la partie mobile 17e portant les éléments 12a-12b. Les plots 26 garantissent également le blocage en position de la partie mobile 17e. Toutes ces variantes utilisent les propriétés d'un substrat souple pour déplacer des éléments 12a-12c après la fixation des éléments 12a-12c sur un substrat plan. Avec ces techniques, il existe un grand nombre de cinématiques possibles pour redresser les éléments 12a-12c de sorte à garantir l'orientation et la tenue mécanique des éléments 12a-12c entre eux. L'invention permet ainsi de répondre aux contraintes de montage et d'alignement d'éléments microfabriqués.