Ecole Supérieure de Technologie Département Génie Electrique Option Electronique et Informatique Industriel Rapport de Stage de Fin d’Etudes Sujet Mise en place d’un système taper au niveau ‘Unloader’ d’un MULTITEST Date de soutenance : 29/06/2021 Réalisé par : Encadré par : LHSAINI Soufiane Pr. Fayrouz DKHICHI Mr. Hicham ROUMED Année universitaire : 2020-2021 Remerciements C’est avec un grand plaisir que je rédige ces lignes comme signe de gratitude et de reconnaissance à tous ceux qui ont contribué, de près ou de loin, à l’élaboration de ce travail. Ainsi je remercie la direction de la société « ST » qui ont accepté de m’accueillir au sein de son organisme. Mes vifs remerciements vont à Mr. ROUMED et Pr DKHICHI pour leur encadrement permanent, leur assistance perspicace ainsi que pour leurs instructions pertinentes tout au long de ce projet. Que tout le corps administratif et professoral de l’ESTC trouve ici l’expression de mes sentiments les plus respectueux. i Sommaire Introduction Générale..................................................................................................................... 1 Chapitre 1 : Présentation de ST Microelectronics .............................................................. 2 1.1. Identification de la société ..................................................................................... 2 1.2. ST au Maroc............................................................................................................... 3 1.3. Produits de ST Bouskoura...................................................................................... 4 1.4. Processus de fabrication ......................................................................................... 5 1.5. Conclusion ................................................................................................................. 7 Chapitre 2 : Machine Multitest ................................................................................................... 8 2.1. Introduction ............................................................................................................... 8 2.2. Handler Multitest 9308 .......................................................................................... 8 2.3. Partie Hardware .....................................................................................................10 2.4. Statistiques des erreurs .........................................................................................11 2.5. Problématique ..........................................................................................................12 2.6. Diagramme d’Ishikawa .........................................................................................13 2.7. Conclusion ...............................................................................................................14 Chapitre 3 : Système Taper ........................................................................................................15 3.1 Introduction ...............................................................................................................15 3.2 Circuit NE555 ..........................................................................................................15 3.3 Le capteur de coincement .....................................................................................18 3.4 Schéma global et fonctionnement du système ...............................................19 3.5 Réalisation ................................................................................................................21 3.6 Conclusion ...............................................................................................................21 Conclusion Générale ......................................................................................................................22 Webographie ....................................................................................................................................23 Annexe : NE555 Datasheet .........................................................................................................24 ii Liste des figures Figure 1.1 : Implantation de STMicroelectronics dans le monde ………….....……… 2 Figure 1.2 : Graphe des principaux segments de marché .……………………....…… 3 Figure 1.3 : Opération de collage du Wafer …………………………………………. 5 Figure 1.4 : Opération de découpage du Wafer ………………………...………….… 5 Figure 1.5 : Opération du Die-Attach …………………………………….……….… 6 Figure 2.1 : La machine Handler ………………………………….…………….…… 8 Figure 2.2 : Module Unloader ..………………………………………….................... 9 Figure 2.3 : Connexion de l’AutoJig au Test-Head et au Testeur ……….……….… 10 Figure 2.4 : Testeur QT200 …………………………………………...……….…… 10 Figure 2.5 : Test-Head ………………………………...………..…………….…… 11 Figure 2.6 : AutoJig ………………………….………………….…….……….…… 11 Figure 2.7 : Courbe des erreurs au niveau du Unloader …...…………….…….….. 12 Figure 2.8 : Causes du coincement ………………………….….………….....…… 13 Figure 3.1 : NE555 …………………………………………………………….…… 15 Figure 3.2 : Structure interne d’un NE555 ..……………………...……….…...….... 16 Figure 3.3 : Circuit NE555 en mode astable ………………...………….…..……… 17 Figure 3.4 : Détecteur de coincement ………………………..………….….……… 18 Figure 3.5 : Schéma électrique d’un capteur photo-électrique ………………......… 19 Figure 3.6 : Circuit du système ……………….……………...…………….……..… 19 Figure 3.7 : Signal de sortie Q du NE555………………………..………….....…… 20 Figure 3.8 : Réalisation de la carte …………...……………………….………....… 21 iii Introduction Générale Le marché international des semi-conducteurs fournit divers domaines notamment l’automobile, les télécommunications, la mécanique et l’aéronautique. Ce marché est sujet à une grande concurrence mondiale. ST Microelectronics faisant partie de ce marché, opte pour la bonne qualité de ses produits. Ainsi, la gestion maitrisée de la production et l’amélioration du rendement par élimination des pertes et diminution des coûts constituent la démarche d’excellence durable de ST Microelectronics. C’est dans cette perspective que s’inscrit mon sujet de stage de fin d’étude effectué au sein de la société ST Microelectronics, intitulé « Mise en place d’un système taper au niveau ‘Unloader’ d’un MULTITEST ». Ce projet consiste à réaliser une carte électronique qui assure la commande d’un taper pour décoincer les pièces. Ce rapport présente l’intégralité des démarches suivies pour la réalisation de ce projet. Il est divisé en trois parties qui résument le travail que j’ai fourni au cours de mon stage : • Présentation de ST Microelectronics et description de la ligne de production. • Explication détaillée sur le fonctionnement de la Machine Multitest. • Etude théorique et réalisation du système taper qui va résoudre le problème du coincement. SFE : 2020-2021 1 / 30 Chapitre 1 : Présentation de ST Microelectronics 1.1. Identification de la société ST Microelectronics est une société internationale de droit hollandais mais d’origine franco-italienne. La société conçoit, développe et commercialise une vaste gamme de circuits intégrés et de composant discret utilisés dans de nombreuses applications microélectroniques pour les télécommunications, informatique, les produits grand public, l’automobile et les applications industrielles. Le groupe ST a été créé en 1987 suite au regroupement de Thomson Semi-conducteurs (France) et SGS Microelectronica (Italie). Elle est, actuellement, considérée parmi les grands groupes les plus organisés et les plus structurés du monde. En matière d’infrastructure industrielle, ST Microelectronics se positionne un peu partout dans le monde. Figure 1.1 : Implantation de STMicroelectronics dans le monde SFE : 2020-2021 2 / 30 1.2. ST au Maroc Crée en 1952 par la compagnie générale de télégraphie sans fils, la société de fabrication radioélectrique Marocaine (FRM), basée à Aîn Sebaa, est devenue par la suite filiale de Thomson CSF et a vu ses activités se diversifier. Ce n’est qu’en 1974 que la fabrication de semi-conducteur est lancée et elle n’a pas cessé de progresser pour devenir la seule activité de l’usine vers la fin des années 80. En 1998, la décision de construire le nouveau site de Bouskoura BE a été prise, avec un investissement planifié sur 5 ans de 250 à 300 millions $. En Août 2000, la production démarra sur ce site. Avec l’inauguration de la nouvelle usine de Bouskoura BE, ST Maroc est devenue l’une des entreprises les plus importantes du Maroc avec près de 5000 employés au total. La nouvelle usine de ST Bouskoura est chargée d’assembler et de tester une large gamme de composants à base de semi-conducteurs qui jouent un rôle clé dans des secteurs de l’industrie. En général, ces derniers se divisent en cinq catégories figurant dans le graphe. Figure 1.2 : Graphe des principaux segments de marché SFE : 2020-2021 3 / 30 1.3. Produits de ST Bouskoura En général, les types de circuits assemblés se divisent en cinq catégories, présentés dans le tableau ci-dessous : Secteurs d’utilisations Catégories de produits Informatique et Périphériques Stockage de données Cartes mères Adaptateurs LAN sans fil Afficheur LCD et CRT Grand public DVD Télévision (vidéo/audio) Décodeurs numériques Automobile Sécurité et confort Divertissement Moteur Alarme, serrure, contrôle des sièges... Communications Téléphones cellulaires Multimédia Cartes à puces Téléphone public Transport Chaine TV payante SFE : 2020-2021 4 / 30 1.4. Processus de fabrication Pour réaliser l’assemblage et le test des composants semi-conducteurs, ST reçoit la plaquette de silicium (wafer) réalisée à Tours en France et à Catane en Italie. L’assemblage et le test&finish sont réalisés dans une salle blanche où la concentration particulaire est maîtrisée afin de minimiser l’introduction, la génération et la rétention de particules à l’intérieur. Le processus d’assemblage est composé des opérations suivantes : • Opération Collage / Sciage : Le but de cette opération est de coller le Wafer sur un scotch et un anneau en inox pour garantir son maintien lors du sciage et du Die Attach (étape suivante). Figure 1.3 : Opération de collage du Wafer Après le collage on découpe le WAFER en un ensemble de puces, à l’aide d’une lame de diamant d’épaisseur 25 microns et qui tourne à une vitesse de 50000 tr/min. Figure 1.4 : Opération de découpage du Wafer SFE : 2020-2021 5 / 30 • Die-Attach (Collage des puces) Le collage est un processus qui consiste à attacher les puces électroniques sur des grilles métalliques nommées Frames, par l’utilisation d’une colle (Glue) ou d’une pâte à souder (Solder Paste). Une partie de ce support représente le radiateur du produit final. Figure 1.5 : Opération du Die-Attach • Wire Bonding (Soudure des fils) La soudure des fils est une technique d’interconnexion électrique entre la Die et son support par le soudage ultrason, avec un fin fil de cuivre. Cette opération se fait à l’aide d’une sorte d’aiguille nommée « Capillaire ». • Molding (Moulage) Cette opération se fait à une température de 180°C et sert à couvrir la puce d’une résine isolante pour la protéger du milieu extérieur. Avant chaque manipulation, l’opératrice met un lubrifiant pour que la résine ne colle pas dans le moule. • Plating (Etamage) En cas d’utilisation des Lead frames en cuivre, et afin de permettre la soudure des Leads sur les circuits imprimés du client, les Leads doivent être recouvrés par une fine couche de Pb-Sn (alliage de plomb-étain), d’une épaisseur de 10μm environ, qui est obtenue par électrolyse. • Cropping A l’issue de l’opération du plating, les puces sont encore reliées à la Lead frame. L’opération Cropping consiste à séparer les puces et à former les Leads. SFE : 2020-2021 6 / 30 • Test& Finish Cette phase de production est constituée de deux opérations : Testage des produits : un test électrique effectué sur la totalité des composants pour vérifier leur fonctionnalité et évaluer avec précision leurs caractéristiques électriques Marquage au laser et emballage : Les composants sont identifiés par un marquage au laser. Le type de produit, le nom du site où il a été fabriqué, ainsi que la date de fabrication sont inscrits sur le boitier. Les produits sont ensuite emballés soit dans des tubes rectangulaires en PVC (polymère thermo plastique qui résiste à l’eau et au feu) antistatique, soit dans des bobines, puis ils sont mis dans des boites en carton et transmis au service Expédition (Magasin produits finis). 1.5. Conclusion Au niveau du test & Finish, la pièce à ce stade est testée, puis identifiée en cas de validation, par un marquage signalant son nom, son type commercial ainsi que le lieu et la date de fabrication. Or, pour approuver le fonctionnement du circuit intégré aux différents environnements auxquels il peut être soumis prochainement, la pièce passe dans une machine où on effectue un test électrique dans une température pouvant aller de -55°C jusqu’à +155°C. Cette machine s’appelle machine MULTITEST l’objet de ce projet. SFE : 2020-2021 7 / 30 Chapitre 2 : Machine Multitest 2.1. Introduction La machine Multitest est un système de tri à grande vitesse des dispositifs semiconducteurs. Le programme testeur consiste à forcer une tension et un courant comme entrée et obtenir une certaine valeur de tension à la sortie puis voir si cette valeur est incluse ou non dans la marge tolérée. Pour imiter les conditions du milieu industriel où la pièce sera utilisée, la machine teste les pièces à température chaude, froide ou ambiante. 2.2. Handler Multitest 9308 Le Handler est la partie mécanique dans l’ensemble de Test. Le Handler 9308 est la première génération travaillant avec grande vitesse qui peut tester jusqu’à 17500 pièces/heure, travaille dans une large gamme de température pouvant aller de -55°C jusqu’à +155°C. Figure 2.1 : La machine Handler SFE : 2020-2021 8 / 30 Le Handler se compose de : Loader (Chargeur) : Le chargeur est un système automatique dédié à un seul type de pièces. C’est là où on pose les plateaux (Trays) des pièces prêtes à être testées. Base Unit Handler : A la sortie du chargeur, la Base Unit Handler s’occupe de faire passer les pièces une par une à la pince de contact pour pouvoir effectuer le test. C’est dans cette partie que la pièce est exposée à la température adéquate au type de test. Contact area (Zone de contact) : Il s’agit d’un mécanisme de deux pinces de contact qui fonctionnent en alternance pour tenir la pièce pendant le test. Unloader (Déchargeur) : C’est là où on obtient les résultats des tests. Les pièces à la sortie sont classées dans des Trays différentes selon leur état. Il existe trois types d’output : good, parametric et out liers. S’il n’y a pas de défaut, la pièce est déposée par la machine sur la Tray « good ». Pour les rejets, il y’en a deux types : parametric par exemple si le wire bond qui est la connexion avec la die n’est pas bien collé, et open/short (out liers) tel que l’absence de ce wire bond ou l’ajout d’une grande quantité de glue qui diminue la résistivité de la pièce. Dans le cas où le taux des rejets paramétriques est élevé, le technicien maintenance check les pièces rejetées sous XRay, ensuite les pièces confirmées rejets sont envoyées au labo pour ouverture chimique afin de juger de la fiabilité du testeur et de la qualité du produit. Figure 2.2 : Module Unloader SFE : 2020-2021 9 / 30 2.3. Partie Hardware La partie Hardware est constituée du Testeur, du Test-Head, et de l’AutoJig, interconnectés entre eux comme dans la figure suivante : Figure 2.3 : Connexion de l’AutoJig au Test-Head et au Testeur • Testeur QT200 : Le testeur QT200 est un testeur de très faible coût conçu pour tester un lot de pièces. Il se compose d’une armoire principale contenant les parties générales du testeur et un ou deux têtes de test ou Test-Head spécifique pour les diverses familles de composants. Il est constitué d’un ensemble de cartes électroniques qui jouent le rôle de plusieurs instruments de mesure tel qu’un multimètre, un générateur de courant et de fréquences. Il constituera dans notre cas la source d’alimentation de l’auto-Jig, et sera commandé selon le besoin par le programme. Figure 2.4 : Testeur QT200 SFE : 2020-2021 10 / 30 • Smart Power Test-Head (T.H) : Le SPW T.H est un ensemble de cartes électroniques interconnectées qui permettent en principe la mesure des caractéristiques du circuit intégré. Il est relié via la matrice au testeur qui représente sa source d’alimentation. Il existe plusieurs types de Test-Head qui change selon le Figure 2.5 : Test-Head produit utilisé. • AUTOJIG : L’AutoJig est un adaptateur d’interfaçage électronique entre le Handler (pince de test), le testeur et le Test-Head. Il assure l’acheminement des signaux d’alimentations et des mesures grâce à des relais, selon les tests exigés par le produit correspondant. Figure 2.6 : AutoJig 2.4. Statistiques des erreurs D’après les machines Multitest MT24, MT39, MT38, MT25, MT26 et MT10 on a pu extraire toutes les erreurs qui arrive au niveau du Unloader. MT24 MT39 MT38 MT25 MT26 MT10 Jam in tran 84% 71% 77% 72% 91% 90% SFE : 2020-2021 Mag shifte 4% 7% 8% 6% 1% 2% 2 mag sing 6% 10% 7% 6% 2% 6% Mag not li 1% 5% 5% 2% 4% 1% Mag not pus 6% 7% 3% 14% 3% 1% 11 / 30 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% MT24 MT39 Jam in tran MT38 Mag shifte 2 mag sing MT25 Mag not li MT26 MT10 Mag not pus Figure 2.7 : Courbe des erreurs au niveau du Unloader Selon ces statistiques on remarque bien que presque 80% des erreurs de ces machines sont le coincement des pièces dans les Tarys (Jam in tran) ce qui provoque une perte de temps. 2.5. Problématique Lors du déchargement des pièces dans l’Unloader, il se peut qu’une pièce se coince à l’entrée de la Tray, dans ce cas la cellule du détecteur à l’entrée de la tray est masquée, la machine s’arrête, un message s’affiche sur l’écran et la LED indiquant qu’il y a un problème au niveau du Unloader s’allume. L’opérateur reçoit alors comme instruction de bousculer la Tray en mouvement verticale et horizontale pour débloquer le coincement. Il est clair que cette manière de procéder n’est pas très efficace car elle nécessite une surveillance constante de la part de l’opérateur pour éviter le coincement qui va provoquer l’arrêt de la machine et donc de la production pendant trop longtemps. Elle est donc coûteuse en termes de temps et de main d’œuvre. SFE : 2020-2021 12 / 30 2.6. Diagramme d’Ishikawa Le diagramme d’Ishikawa est aussi appelé diagramme causes à effet, C'est un outil de brainstorming pour identifier les causes aboutissant à un effet. Le diagramme et la figure suivants représentent les causes qui amène au coincement des pièces. Déformation à l’entrée du Tray Scratch Déformation sur parois du Tray Déformation à l’entrée du Tray Coincement des pièces au niveau du Unloader Déformation sur parois du Tray Scratch Figure 2.8 : Causes du coincement SFE : 2020-2021 13 / 30 2.7. Conclusion En vue de débloquer le coincement sans aide de l’opérateur et de réduire les arrêts de la machine, on a proposé de développer un système de déblocage plus performant et automatisé qui consiste en la réalisation d’un taper (électro-aimant) qui sera installé en dessous de la tray et sera géré par une carte électronique (NE555) pour faire monter et descendre le taper. Ce dernier va taper sur la Tray jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de coincement. SFE : 2020-2021 14 / 30 Chapitre 3 : Système Taper 3.1. Introduction Pour résoudre ce problème de coincement on a choisi d’implémenter dans la machine un système qui va commander un Taper placer sous les Trays. Ce taper est un électroaimant qui va être commander par un circuit NE555 astable. L’entrée du NE555 va être lier avec un capteur photoélectrique qui va détecter le coincement des pièces. 3.2. Circuit NE555 Figure 3.1 : NE555 Ce circuit intégré comporte un réseau de trois résistances montées en diviseur de tension, deux comparateurs, une bascule RS, un amplificateur de sortie et un transistor à collecteur ouvert. SFE : 2020-2021 15 / 30 Figure 3.2 : Structure interne d’un NE555 • Fonctionnement général : Reset (4) est à un niveau bas : La bascule est remise à zéro et le transistor de décharge est saturé et la sortie reste impérativement à un niveau bas. Aucune autre opération n'est possible. TRIG (2) est inférieur à Vcc / 3 : La bascule est activée (SET) et la sortie est à un niveau haut, le transistor de décharge est bloqué. THRES (6) est supérieur à 2.Vcc / 3 : La bascule est remise à zéro (RESET) et la sortie est à un niveau bas, le transistor de décharge est saturé. THRES et TRIG sont respectivement inférieurs à 2Vcc / 3 et supérieurs à Vcc / 3 : La bascule, la sortie et le transistor de décharge conservent leurs états précédents. SFE : 2020-2021 16 / 30 • Fonctionnement en astable : Le circuit est branché selon le schéma suivant. Un condensateur C est chargé à travers deux résistances Ra et Rb (constante de temps (Ra + Rb).C). Quand la tension aux bornes de C dépasse Vcc / 3, le comparateur C1 bascule et positionne la borne S de la bascule. Quand la tension aux bornes de C dépasse 2.Vcc / 3, le comparateur C2 bascule à son tour et provoque le passage de la sortie de la bascule RS à l'état bas et la saturation du transistor de décharge. C se décharge à travers l'espace collecteur-émetteur du transistor et la résistance Rb (constante de temps pratiquement égale à Rb.C). Quand la tension aux bornes de C atteint Vcc / 3, le comparateur C1 bascule ce qui provoque le passage de la sortie de la bascule RS à l'état haut et le blocage du transistor de décharge. Le circuit va osciller entre ces deux états et forme un montage astable. Dans les deux cas (charge et décharge) les valeurs extrêmes de la tension aux bornes de C sont Vcc / 3 = U et 2.Vcc / 3 = 2.U; la durée de la charge est donc T1 = (Ra + Rb).C.ln(2) et celle de la décharge est T2 = Rb.C.ln(2). La période de l'astable est T = T1 + T2. Figure 3.3 : circuit NE555 en mode astable SFE : 2020-2021 17 / 30 3.3. Le capteur de coincement Le capteur de coincement qui enverra un signal d’entrée du NE555 pour l’informer de la présence d’un coincement est déjà installé sur la machine à l’entrée de la Tray dans la partie Unloader. Le détecteur de coincement est une cellule photo-électrique de type émetteur et récepteur. Figure 3.4 : Détecteur de coincement Les détecteurs photoélectriques ont un émetteur à diode électroluminescente et un récepteur à phototransistor. Ces constituants électroniques sont utilisés pour leur grand rendement lumineux, leur insensibilité aux chocs et aux vibrations, leur tenue en température, leur durée de vie pratiquement illimitée et leur rapidité de réponse. SFE : 2020-2021 18 / 30 Figure 3.5 : Schéma électrique d’un capteur photo-électrique 3.4. Schéma global et fonctionnement du système Figure 3.6 : Circuit du système SFE : 2020-2021 19 / 30 La détection du coincement se fait à travers un capteur photoélectrique (TOR). S’il y a un blocage le capteur envoie un ‘1’ logique à l’entré Reset du NE555 qui va générer un signal carré en sortie. Ce signal va commander un ralais pour actionner le Taper (électroaimant). S’il n’y a plus de blocage le capteur va envoyer un ‘0’ logique pour arrêter le Taper. Dans le montage de la figure 3.6 on a remplacé le Taper par une LED (D1). Quand la LED est allumée cela veut dire que le taper est actionnée, et dans le cas contraire, le Taper sera désactivée. La carte NE555 est alimenté par 5V et génère dans la sortie Q un signal carré d’amplitude 2.5V, alors on ne peut pas lier l’électroaimant directement avec la sortie car ce dernier s’alimente avec 24V DC. C’est pour cela on a utilisé un ralais qui va être commander par le signal de sortie Q (lorsque le signal est à l’état haut la bobine va être exciter et le courant va passer pour alimenter le taper). On peut aussi varier la période de Q en changant la valeur du potentiomètre RV1 selon la relation suivante : 𝑻 = (𝑹𝟏+𝟐.𝑹𝑽𝟏).𝑪 RV1=2.5kΩ 𝟏.𝟒𝟒 RV1=5kΩ Figure 3.7 : Signal de sortie Q du NE555 SFE : 2020-2021 20 / 30 3.5. Réalisation (1) (2) (3) Figure 3.8 : Réalisation de la carte (1) : Liaison de la carte avec le capteur photoélectrique (l’émetteur) (2) : Liaison de la carte avec le capteur photoélectrique (le récepteur) (3) : Sortie de la carte allant au Taper (électroaimant) 3.6. Conclusion Cette carte réalisée va être implémenter dans la machine pour lier leurs branches avec le capteur de coincement et le Taper. SFE : 2020-2021 21 / 30 Conclusion Générale Au terme de ce projet de fin d’étude, j’ai essayé de mettre en pratique les connaissances acquises durant mes études universitaires et cela dans le but d’améliorer le rendement d’une machine Multitest. On peut considérer que ce travail de fin d’études, s’est articulé autour de trois axes principaux : • La première partie a été consacrée à la présentation de l’organisme d’accueil ST Microelectronics. • La deuxième partie portait sur l’architecture d’une machine Multitest, leur fonctionnement et leurs problèmes qui provoque l’arrêt de la machine. • La troisième partie était dédiée à l’étude théorique et la réalisation d’une carte électronique, qui est conçue pour débloquer le coincement des pièces. Finalement, le travail que j’ai réalisé, m’a permis d’une part, d’intégrer le milieu industriel, et d’autre part de tisser des relations professionnelles et des liens de compréhension mutuelle et d’entente pour mener à bien mon projet. SFE : 2020-2021 22 / 30 Webographie http://stephane.genouel.free.fr/FT/0%20Dossier%20technique/1%20Texte/Scenari%20 capteurs/co/module_DT_8.html https://fr.wikipedia.org/wiki/Diagramme_de_causes_et_effets https://www.yumpu.com/en/document/read/47203742/573-030-00-multitest-93089320-handler-interface-zzybotnet https://pdf1.alldatasheet.fr/datasheetpdf/view/23384/STMICROELECTRONICS/NE555.html SFE : 2020-2021 23 / 30 Annexe : NE555 Datasheet SFE : 2020-2021 24 / 30 SFE : 2020-2021 25 / 30 SFE : 2020-2021 26 / 30
