[0001] La présente invention est relative à un procédé permettant l'ajustement de la marche
d'un module horloger, ledit module horloger comportant notamment un quartz et un circuit
intégré comprenant un oscillateur piloté par le quartz, un circuit diviseur de fréquence
à plusieurs étages, un circuit d'ajustement permettant l'introduction d'un facteur
de correction du taux de division dudit circuit diviseur de fréquence et un circuit
mémoire contenant une information représentative dudit facteur de correction.
[0002] Par "procédé d'ajustement de la marche", on entendra un procédé consistant à introduire
un facteur de correction du taux de division du circuit diviseur de fréquence, de
telle sorte que la fréquence des impulsions délivrées à la sortie de celui-ci est
corrigée de manière à se trouver dans une gamme prédéterminée.
[0003] Par "module", on entendra en outre un système semi-fini ou intermédiaire, prêt à
être monté dans le produit final. En particulier, par "module horloger", on entendra
dans la suite de la description, un circuit imprimé comportant différents composants
électroniques, en particulier le quartz et le circuit intégré susmentionné.
[0004] L'ajustement de la fréquence de l'oscillateur, en particulier d'un oscillateur à
quartz est une opération particulièrement compliquée et délicate. En effet, comme
cela est exposé dans l'exposé d'invention CH 534 913, cet ajustement s'effectue selon
une première étape d'ajustement grossier par des opérations mécaniques de précision
sur le quartz, puis une deuxième étape d'ajustement fin sur le quartz encapsulé, et
finalement selon une dernière étape d'ajustement et de compensation du vieillissement
par un système de réglage ou trimmer.
[0005] Ces étapes présentent les inconvénients d'être délicates et complexes, ce qui influence
grandement le coût de la pièce. D'autre part, la stabilité en fréquence du quartz
est sensiblement détériorée. Par conséquent, le brevet CH 534 913 propose une solution
satisfaisante et peu coûteuse, en agissant directement sur le taux de division du
circuit diviseur de fréquence par l'introduction d'un facteur de correction, ceci
ayant pour effet d'améliorer la stabilité du quartz et de s'affranchir de l'utilisation
d'un trimmer. A cet effet, le circuit diviseur de fréquence proposé dans le brevet
CH 534 913 présente des entrées électriques auxiliaires dont l'état logique détermine
le rapport de division du diviseur de fréquence et un circuit mémoire, reliée à ces
entrées auxiliaires, pour retenir sous forme codée une information représentative
du facteur de correction du rapport de division du circuit diviseur de fréquence.
[0006] Le système qui vient d'être évoqué opère par inhibition ou suppression périodique
d'un nombre déterminé d'impulsions délivrées par l'oscillateur. On mentionnera qu'un
système opérant alternativement par ajout d'un nombre déterminé d'impulsions est en
outre proposé dans le brevet CH 558 559.
[0007] Quelque soit le système choisi, le circuit d'ajustement est typiquement relié à un
circuit mémoire contenant l'information représentative du facteur de correction du
taux de division. La mémorisation de cette information est préférablement non volatile
de sorte que celle-ci n'est pas perdue lors d'un changement de pile ou lors d'une
interruption de l'alimentation.
[0008] Diverses réalisations du circuit mémoire sont connues de l'art antérieur. En particulier,
on opte généralement pour des solutions utilisant des mémoires non volatiles reprogrammables
(EPROMs/EEPROMs) ou des plages de contact additionnelles.
[0009] L'utilisation d'une EPROM/EEPROM nécessite un investissement important en termes
de surface du circuit intégré, car une telle mémoire doit non seulement comprendre
un nombre suffisant de bits pour coder l'information représentative du facteur de
correction, mais nécessite également l'implémentation d'une logique de programmation
permettant de programmer celle-ci et un circuit multiplicateur de tension afin de
produire les tensions élevées nécessaire à cette programmation. Ceci ce traduit évidemment
par une augmentation substantielle du coût de fabrication du circuit intégré dû notamment
aux étapes supplémentaires nécessaires à l'intégration de l'EPROM/EEPROM et se répercute
sur le coût de fabrication du module horloger et de la pièce d'horlogerie en tant
que telle.
[0010] L'utilisation de plages de contact additionnelles nécessite également un investissement
important en surface (une plage de contact par bit) ainsi que des pistes de connections
supplémentaires sur le circuit imprimé.
[0011] L'implémentation de telles plages de contact conduit ainsi également à une augmentation
du coût de fabrication du circuit intégré et du module horloger.
[0012] On notera que le coût relatif des solutions susmentionnées dépend essentiellement
de la surface du circuit, du nombre de bits et du coût de fabrication additionnel
dû à l'intégration éventuelle d'une EPROM/EEPROM.
[0013] On mentionnera, en outre, que plus la surface du circuit est élevée, plus le coût
de l'investissement en surface, quelque soit la solution retenue, est proportionnellement
faible et devient négligeable pour un circuit de quelques dizaines de mm
2.
[0014] Par contre le coût relatif lié aux étapes additionnelles de fabrication d'une EPROM/EEPROM
reste constant en fonction de la surface et constitue ainsi l'élément déterminant
pour les circuits de grande taille. En d'autres termes, le coût additionnel de l'implémentation
des bits d'EPROM/EEPROM est pratiquement proportionnel à la surface du circuit, raison
pour laquelle la solution employant des plages de contact additionnelles est plus
économique pour des circuits de grande taille.
[0015] Pour les circuits de petite taille (quelques mm
2) le choix est beaucoup plus discutable. L'investissement en surface devient proportionnellement
important.
[0016] Un bit d'EPROM/EEPROM nécessite moins de surface qu'une plage de contact additionnelle,
mais engendre toutefois un investissement fixe dû notamment à la logique de programmation
et au multiplicateur de tension. Ainsi, plus le nombre de bits est élevé plus la solution
EPROM/EEPROM est économique en surface comparativement à la solution employant des
plages de contact additionnelles. Par contre, le coût de fabrication par unité de
surface reste proportionnellement plus élevé.
[0017] En pratique, pour des circuits de quelques mm
2, l'avantage en surface de la solution EPROM/EEPROM équilibre les coûts de fabrication
supplémentaires et les deux solutions sont ainsi économiquement comparables.
[0018] A titre d'exemple, on notera que la demande de brevet FR 2,238,280 décrit un oscillateur
intégré et son procédé de réglage digital en fréquence comprenant des éléments de
mémoire programmables depuis l'extérieur du circuit intégré. Ces éléments sont des
diodes dont certaines sont court-circuitées afin de modifier leur état de manière
permanente. Chaque élément est relié à une borne du circuit intégré.
[0019] Selon le brevet CH 534 913, déjà cité, il est proposé d'utiliser un circuit mémoire
se composant d'une pluralité d'éléments mémoire individuels, par exemple altérable
électriquement, associés chacun à une borne de programmation du circuit intégré.
[0020] Selon le brevet CH 621 036, il est décrit encore un autre système intégré permettant
l'ajustement du taux de division d'un circuit diviseur de fréquence. Ce système intégré
comporte des circuits mémoires comprenant une diode en série avec un élément mémoire
formé d'un fusible constitué d'une métallisation particulière du circuit intégré qu'il
est possible de détruire en y faisant passer un courant d'une certaine importance.
Chaque élément mémoire peut être adressé séparément au moyen des diodes en appliquant
entre les bornes du circuit intégré une combinaison de tensions particulière.
[0021] On constatera que les solutions proposées dans les brevets suscités nécessitent obligatoirement
l'utilisation de bornes de connexions existantes et/ou additionnelles du circuit intégré
de manière à permettre la mémorisation du facteur de correction. Certaines solutions
nécessitent en outre parfois la déconnexion de certains éléments, notamment la source
d'alimentation, lors de la programmation de la mémoire ce qui rend l'opération de
programmation parfois complexe et longue.
[0022] Un but de la présente invention est ainsi de proposer un procédé d'ajustement de
la marche d'un module horloger qui ne nécessite pas une implémentation complexe au
niveau du circuit intégré, de sorte que le coût de fabrication de ce dernier, et donc
du module en tant que tel, n'est pas grandement affecté.
[0023] Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé d'ajustement de
la marche d'un module horloger notamment adapté à la production en masse ou automatisée
de modules horlogers, soit un procédé d'ajustement simple et rapide.
[0024] A cet effet, la présente invention à pour objet un procédé d'ajustement de la marche
d'un module horloger, ledit module horloger comprenant un circuit imprimé sur lequel
sont notamment montés un quartz et un circuit intégré comprenant :
- un oscillateur piloté par ledit quartz,
- un circuit diviseur de fréquence,
- un circuit d'ajustement permettant d'introduire dans ledit circuit diviseur de fréquence
un facteur de correction de la marche dudit module horloger, et
- un circuit mémoire contenant une information représentative dudit facteur de correction,
ce procédé comprenant les étapes suivantes :
a) mesure de la marche dudit module horloger;
b) calcul dudit facteur de correction de la marche du module horloger; et
c) mémorisation dans ledit circuit mémoire de ladite information représentative dudit
facteur de correction,
ce procédé étant caractérisé en ce que le circuit mémoire comprend des éléments mémoires
formés de fusibles destructibles par laser et que ledit circuit intégré est préalablement
monté sur ledit circuit imprimé sans application d'une résine protectrice avant l'étape
de mesure a), l'étape de mémorisation c) comprenant les étapes suivantes :
c1) alignement du module sous un dispositif laser;
c2) destruction, au moyen dudit dispositif laser, desdits fusibles nécessaires au
codage de ladite information représentative du facteur de correction de la marche
du module horloger;
cette étape de mémorisation c) étant en outre suivie de l'étape suivante :
d) dépôt de ladite résine protectrice sur ledit circuit intégré.
[0025] Un avantage de la présente invention réside dans le fait que la mémorisation de l'information
représentative du facteur de correction est effectuée de manière simple et surtout
rapide, donc particulièrement adaptée à la production en masse de tels modules. La
rapidité et la simplicité du procédé d'ajustement selon la présente invention assure
ainsi une réduction substantielle des coûts de fabrication.
[0026] On constatera en outre que la présente invention a également pour avantage de permettre
l'ajustement de la marche d'un module horloger, soit d'un ensemble fini ou intermédiaire
comprenant d'autres composants électroniques que le quartz, l'oscillateur, le circuit
diviseur de fréquence, le circuit d'ajustement du taux de division ou le circuit mémoire.
De cette manière, l'ajustement peut être opéré en prenant en considération les influences
de tous les composants électroniques du module.
[0027] Un autre avantage de la présente invention réside dans le tait que le coût du circuit
intégré et du module horloger en tant que tel n'est pas sensiblement affecté. En particulier,
l'utilisation d'éléments mémoires formés de fusibles destructibles par laser ne nécessite
pas une implémentation complexe et coûteuse au niveau du circuit intégré.
[0028] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la
lecture de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés,
donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels :
- la figure 1 représente un schéma bloc d'un module horloger comportant un quartz, un
oscillateur, un circuit diviseur de fréquence, un circuit d'ajustement et un circuit
mémoire;
- les figures 2a à 2c présentent divers exemples d'implémentation d'un circuit mémoire
6 bits comprenant des éléments mémoires formés de fusibles destructibles par laser.
[0029] La figure 1 est une représentation schématique d'un module horloger comprenant un
circuit imprimé 1 comportant notamment un quartz 10 et un circuit intégré 20. Ce circuit
intégré 20 comporte un oscillateur 21 piloté par le quartz 10 de manière à délivrer
typiquement des impulsions à une fréquence de 32768 Hz. Cette fréquence est divisée
plusieurs fois par un circuit diviseur de fréquence 22 de manière à délivrer à sa
sortie des impulsions à une fréquence de 1 Hz et ainsi permettre la formation et l'affichage
d'une indication horaire.
[0030] Dans l'exemple illustré à la figure 1, le circuit diviseur de fréquence 22 comporte
ainsi un nombre total de 15 étages de division binaires 22.1 à 22.15. Les deux premiers
étages 22.1 et 22.2 permettent en particulier de délivrer un signal à une fréquence
de 8192 Hz qui est utilisé pour permettre la correction du taux de division du circuit
diviseur de fréquence 22.
[0031] Un circuit d'ajustement 23 permet à cet effet l'introduction d'un facteur de correction
du taux de division du circuit diviseur de fréquence 22. Un circuit mémoire 24 contient
ainsi une information, généralement sous la forme d'un nombre binaire N, représentative
du facteur de correction du taux de division du circuit diviseur de fréquence 22.
[0032] On rappellera que diverses techniques d'ajustement du taux de division sont connues
de l'art antérieur. L'une d'entre elles, décrite dans le brevet CH 534 913, dite technique
d'inhibition, consiste à supprimer un nombre N d'impulsions au cours d'une période
déterminée. La description qui va suivre est basée sur une telle technique, mais on
comprendra bien évidemment que l'invention peut être étendue par analogie à d'autres
techniques connues comme celle consistant à additionner un nombre d'impulsions manquantes.
[0033] Le procédé d'ajustement consiste essentiellement à corriger l'écart de fréquence
existant entre la fréquence de l'oscillateur 21 et la fréquence dispensée par un oscillateur
étalon, cet écart de fréquence étant mesuré en ppm (parties par million). Cet écart
de fréquence peut être corrigé, selon la technique d'inhibition, par la suppression
d'un nombre N d'impulsions de période T
i au cours d'une période déterminée T
h, dite période d'inhibition.
[0034] Dans l'exemple de la figure 1, l'inhibition est réalisée à la sortie des deux premiers
étages de division 22.1 et 22.2 du circuit diviseur de fréquence 22, soit à partir
d'impulsions délivrées à une fréquence de 8192 Hz (T
i = 122 µs). En réalisant l'inhibition de manière périodique, par exemple toutes les
60 secondes, la résolution du système atteint ainsi 2.03 ppm.
[0035] Avec une telle résolution et de manière à obtenir une plage de correction suffisante,
par exemple de l'ordre de 100 ppm, on constatera par conséquent que le nombre N nécessitera
au moins 6 bits de mémoire. En pratique, selon l'application, ce nombre peut nécessiter
entre 4 et 9 bits.
[0036] Selon la présente invention, le circuit mémoire 24 comprend des éléments mémoires
formés de fusibles destructibles par laser. La figure 2a illustre un premier exemple
d'un circuit mémoire 6 bits comprenant 6 éléments mémoires 24.1 à 24.6 connectés en
parallèle et comportant chacun une paire de fusibles F1 et F2 destructibles par laser.
Les fusibles F1 et F2 de chaque élément mémoire sont connectés en série entre une
ligne de potentiel "haut" Vdd et une ligne de potentiel "bas" Vss. La destruction
de l'un des fusibles F1 ou F2 permet ainsi de mettre le point intermédiaire situé
entre les fusibles F1, F2 au potentiel haut Vdd ou bas Vss respectivement. Le codage
d'une information (nombre N) représentative du facteur de correction du taux de division
du circuit diviseur de fréquence 22 peut ainsi aisément être réalisé au moyen d'un
laser en détruisant l'un ou l'autre des fusibles F1 ou F2.
[0037] La figure 2b présente un deuxième exemple d'un circuit mémoire 6 bits comprenant
6 éléments mémoires 24.1 à 24.6 comportant chacun un fusible F.1 à F.6 destructible
par laser associé à un circuit d'interface L.1 à L.6. Le circuit d'interface L et
le fusible F sont connectés en série entre une ligne de potentiel "haut" Vdd et une
ligne de potentiel "bas" Vss. Le circuit d'interface peut être réalisé par l'homme
du métier d'une manière conventionnelle sous la forme d'un verrou permettant de copier
l'état d'entrée défini par le fusible. A cet effet, le verrou comprend en outre une
entrée de chargement CKP sur activation de laquelle une sortie Lout du verrou prend
l'état correspondant défini par l'état du fusible associé. En l'occurrence, la sortie
Lout du verrou prend l'état "haut" si le fusible est détruit et l'état "bas" si le
fusible est intact.
[0038] La figure 2c présente encore une autre exemple d'un circuit mémoire 6 bits. Cette
solution intègre en partie une logique d'inhibition du circuit diviseur de fréquence
22. Les six éléments mémoires 24.1 à 24.6, connectés en série, comprennent chacun
un fusible F.1* à F.6* connecté en parallèle avec un transistor T1 à T6. Chaque transistor
est commandé respectivement par les signaux d'horloge des six étages de division du
circuit diviseur de fréquence 22 sur lesquels l'inhibition est effectuée conformément
à ce qui a été décrit précédemment.
[0039] Si le fusible est intact, le transistor est court-circuité et le signal d'horloge
à son entrée n'a pas d'effet. Si le fusible est détruit, le transistor peut alors
produire un effet sur l'inhibition du circuit diviseur de fréquence 22. Par la destruction
sélective de certains fusibles parmi les fusibles F.1* à F.6*, il est ainsi possible
d'ajuster le taux d'inhibition du circuit diviseur de fréquence 22.
[0040] On constatera que l'utilisation de fusibles destructibles par laser constitue un
avantage substantiel par rapport à l'utilisation de fusibles destructibles par courant.
En effet, les fusibles peuvent être sélectivement détruit directement sur le circuit
intégré au moyen d'un dispositif laser. Ce processus ne nécessite ainsi pas l'utilisation
de bornes et de moyens d'adressage particuliers. L'utilisation de fusibles destructibles
par laser est en outre bien plus économique que toutes les solutions connues car elle
n'implique pas d'investissement important en termes de surface au niveau du circuit
intégré.
[0041] Aucun coût additionnel de fabrication n'est en outre engendré au niveau du circuit
intégré, car la réalisation de tels fusibles peut aisément être effectuée simultanément
lors de l'une des étapes de fabrication du circuit intégré 20. L'intégration d'une
EPROM/EEPROM ou de plages de contact additionnelles impliquerait, comme on l'a déjà
mentionné, un coût additionnel de fabrication.
[0042] L'utilisation de fusibles destructibles par laser ne s'impose toutefois pas directement
comme la solution la plus adéquate pour l'homme du métier. En effet, l'homme du métier
est confronté à diverses contraintes et difficultés liées à l'utilisation de fusibles
destructibles par laser. Dans la suite de la description, on tâchera de décrire brièvement
ces contraintes et difficultés.
[0043] Une première contrainte réside dans le fait que l'utilisation d'un faisceau laser
permettant de détruire sélectivement les fusibles sur le circuit intégré implique
que cette opération doit être effectuée avant le dépôt de la résine protectrice sur
celui-ci. Il n'est en effet pas envisageable de procéder à la destruction des fusibles
au moyen du laser au travers de la résine protectrice, qui dans ce cas devrait être
transparente, car ceci aurait pour effet d'annihiler totalement l'intérêt d'un tel
dépôt, soit en particulier la protection du circuit intégré contre les impuretés ambiantes
et la lumière.
[0044] En outre, on constatera que le dépôt ultérieur de cette résine protectrice engendre
des modifications des caractéristiques électriques du circuit intégré et donc des
caractéristiques de fréquence de ce dernier. Il est donc nécessaire de compenser cette
influence lors du calcul du facteur de correction du circuit diviseur de fréquence.
[0045] Une autre contrainte réside dans le fait que les conditions d'éclairement ont également
une influence non négligeable sur les caractéristiques du circuit intégré. L'opération
d'ajustement, en particulier l'opération de mesure de la marche du module, est ainsi
préférablement effectuée dans des conditions d'éclairement bien déterminées.
[0046] Le procédé d'ajustement de la marche du module horloger selon la présente invention
nécessite une phase préalable de préparation avant d'effectuer l'ajustement de la
marche à proprement parler.
[0047] La phase de préparation consiste à préalablement implémenter le nombre de fusibles
nécessaire pour permettre le codage de l'information (nombre N) représentative du
facteur de correction du taux de division du circuit diviseur de fréquence conformément
à ce qui à été décrit précédemment.
[0048] Cette phase de préparation consiste en outre à monter les différents composants électroniques
sur le module, soit en particulier le quartz et le circuit intégré sans appliquer
la résine protectrice sur le circuit intégré (opération dite de "potting").
[0049] Suite à cette phase préalable, le module est prêt à subir l'opération d'ajustement
proprement dite.
[0050] La phase d'ajustement consiste ainsi à mesurer au moyen d'un équipement externe la
marche du module horloger, soit à mesurer l'écart de la fréquence de l'oscillateur
à quartz par rapport à la fréquence d'un oscillateur étalon comme cela a été décrit
plus haut.
[0051] Afin de ne pas perturber les caractéristiques du circuit intégré, cette mesure est
préférablement effectuée dans des conditions d'éclairement bien déterminées.
[0052] A partir de cet écart de fréquence, un facteur de correction est calculé. On rappellera
que ce facteur de correction est déterminé par le calcul d'un nombre N correspondant,
dans le cas d'une technique d'inhibition, au nombre d'impulsions à supprimer au cours
d'une période déterminée T
h.
[0053] On mentionnera en outre que lors du calcul du facteur de correction, on tiendra compte
des diverses influences de l'environnement, en particulier des conditions d'éclairement,
et du dépôt ultérieur de la résine protectrice. Cette influence peut être estimée
expérimentalement par une série de tests préalables permettant de définir une valeur
d'offset. Cet valeur d'offset est alors considérée lors du calcul du facteur de correction.
[0054] L'étape suivante consiste à effectuer la mémorisation de l'information (nombre N)
représentative du facteur de correction calculé. A cet effet, le module horloger est
aligné sous un dispositif laser. En particulier, on veillera à aligner le dispositif
laser essentiellement par rapport à une zone du circuit intégré comprenant les fusibles
destructibles par laser.
[0055] Une fois cette opération d'alignement effectuée, le dispositif laser est mis en action
pour détruire sélectivement les fusibles nécessaires au codage de l'information (nombre
N) représentative du facteur de correction.
[0056] Une fois l'opération de codage effectuée, la résine protectrice peut alors être déposée
sur le circuit intégré.
[0057] Des étapes ultérieures à cette phase d'ajustement, comprenant notamment une étape
de test final de la marche du module horloger sont alors exécutées.
[0058] Le procédé d'ajustement de la marche d'un module horloger selon la présente invention
s'avère ainsi particulièrement adapté à la production en masse et à l'automatisation
d'une telle opération. On constatera, que le procédé d'ajustement selon la présente
invention permet ainsi une grande simplification du processus de fabrication et de
même un gain substantiel en termes de coûts de fabrication.
[0059] On comprendra que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé d'ajustement
de la marche d'un module horloger sans sortir du cadre de la présente invention. Cette
invention n'est ainsi pas seulement limitée à l'ajustement de la marche d'un module
horloger selon la technique d'inhibition mais s'applique également par analogie à
la technique d'ajustement par addition d'impulsion.