FR2543394A1 - Carte imprimee a bas coefficient de dilatation et a conduction thermique elevee - Google Patents

Abstract

CARTE ADAPTEE A RECEVOIR DES COMPOSANTS A BASE DE CERAMIQUE. LE SUBSTRAT SE COMPOSE D'UNE PLAQUE SUPPORT 1 EN MATERIAU A BASE DE CARBONE, ISOLEE SUR AU MOINS L'UNE DE SES FACES DES CONDUCTEURS D'INTERCONNEXION DU CIRCUIT IMPRIME 2 CORRESPONDANT PAR AU MOINS UNE COUCHE ISOLANTE, PAR EXEMPLE EN CERAMIQUE OU EN ALUMINE3A, 3B. CETTE COUCHE SE PROLONGE 7 A L'ENDROIT DES PERFORATIONS TRANSVERSALES. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT A DES ASSEMBLAGES AVEC DES COMPOSANTS ENCAPSULES DANS DES MICRO-BOITIERS A CONNEXIONS PERIMETRIQUES ET A SORTIES SUR PLOTS.

Description

CARTE IMPRIMEE A BAS COEFFICIENT DE DILATATION
ET A CONDUCTION THERMIQUE ELEVEE
La présente invention concerne une carte imprimée à bas coefficient de dilatation et à conduction thermique élevée. L1inven- tion se rapporte, plus précisément, à résoudre des problèmes d'assemblage d'éléments qui présentent des caractéristiques physiques différentes, ces assemblages groupant des composants électroniques montés sur un substrat support doté de connexions.

Ces problèmes sont essentiellement d'ordre thermique et mécanique, d'ordre thermique en ce qui concerne l'évacuation de calories engendrées par le fonctionnement des circuits sous tension et d'ordre mécanique résultant des dilatations généralement différentes des composants électroniques et du substrat sur lequel ils sont montés et connectés, ces dilatations étant consécutives aux variations de températures locales ou ambiante. Ces problèmes sont particulièrement importants lorsque la carte imprimée, géné- ralement en fibre de verre et résine époxy, est équipée d'éléments à base de céramique. Il peut s'agir d'éléments passifs, condensateurs par exemple, ou de composants plus complexes, par exemple des circuits intégrés, ou hybrides, encapsulés dans des micro-boîtiers à connexions périmètriques et à sorties sur plot (appelés "chipcarriers" en anglais).La céramique est utilisée pour avoir une bonne étanchéité et une excellente tenue en température dans une très large plage.

Les composants électroniques en question, réalisés avec un substrat en alumine ou en céramique, sont rigides par rapport à la carte imprimée qui, elle, présente une certaine souplesse. Il en résulte déjà des risques de rupture du brasage au cours de manipulations de la carte imprimée, ou à la suite de vibrations.En complément, les éléments en céramique (ou en un matériau comparable, tel l'alumine) présentent un coefficient de dilatation faible, bien inférieur à celui d'un substrat en fibre de verre et résine époxy sur lequel ils sont montés. ,En conséquence, des variations de température importantes, etlou répétées imposées à ces montages, con duisejit tot ou tard à des ruptures des points de soudure au circuit imprimé, notamment les points qui relient les plots périmétriques de çtnnexion des micro-boîtiers. Ceci est d'autant plus vrai si les composants et les cartes imprimées sont de grande dimension.Il en résulte des limitations importantes d'exploitation des micro-bottiers à connexions périmétriques, en céramique #ou en alumine, qui par ailleurs autorisent des montages hybrides de circuits intégrés à grande échelle sur des panneaux ou des cartes de circuits imprimés.

Pour remédier à ces inconvénients, il est connu d'utiliser un drain métallique, généralement en cuivre ou en aluminuim, pour obtenir un bon tranfert de calories. Cependant, dans le cas où l'on veut monter sur la carte imprimée un composant du type considéré, le drain doit être tel qu'il faut obtenir en outre un coefficient de dilatation de l'ensemble équivalent à celui de la céramique. Pour ce faire, il est connu ("Electronique Industrielle" n020 du 15 septembre
1981, page 19) d'utiliser un drain composé d'une plaque en invar placée entre deux couches de cuivre ou d'un alliage de cuivre et de nickel. Le coefficient de dilatation du colaminé ainsi constitué est fonction de l'épaisseur de la plaque d'invar et de celles des couches de cuivre et il peut ainsi être adapté à celui des composants à rapporter sur la carte imprimée.

Cette solution présente cependant divers inconvénients, liés essentiellement au fait que l'invar présente une mauvaise tenue aux essais climatiques (brouillard salin, chaleur humide), qu'il est relativement cher et que son usinage ne peut être obtenu avec le même outillage que celui convenant pour les cartes traditionnelles en verre-epoxy.

On peut citer également, pour mémoire, le cas d'utilisation directe d'un substrat en céramique pour constituer le circuit imprimé, mais le produit ainsi obtenu est très fragile et guère utilisé que pour réaliser des cartes de petites dimensions.

Une autre solution, plus récente, décrite dans le brevet US-A4 318 954, consiste à utiliser comme matériau pour constituer un drain thermique de la fibre de carbone ou une fibre aramid. On cumule ainsi les propriétés désirées de conductibilité thermique et de dilatation avec l'avantage d'un usinage aisé comparable à celui des substrats classiques en fibre de verre et résine époxy des cartes imprimées. Ces cartes imprimées, à simple face ou multifaces, sont déposées d'un côté ou de part et d'autre du drain; Elles sont liées à ce dernier par l'intermédiaire d'un élément adhésif, pré-preg par exemple, généralement à base de résine époxy. Ainsi, les cartes imprimées sont rendues solidaires mécaniquement du drain thermique par la ou les couches d'adhésif qui jouent, en outre, le rôle d'isolant étant donné la conductibilité électrique présentée par le drain.Ceci nécessite également d'isoler le drain dans les trous, en aménageant un cylindre en verre-époxy à l'endroit de chacun des trous métallisés après un perçage correspondant de la carte selon un plus grand diamètre.

Le but de la présente invention est de remédier aux divers inconvénients précités en utilisant une plaque en matériau à base de carbonne et en lui faisant cumuler le rôle de drain thermique avec celui de la plaque support des conducteurs d'interconnexion des composants, moyennant une isolation appropriée des faces porteuses des conducteurs d'interconnexion.

Les avantages qui en résulte sont directement liés à la simplification importante de la structure de carte imprimée obtenue, simple ou double faces, et pouvant être thermiquement adaptée pour son assemblage avec des composants prévus, par exemple en céramique. La rapidité d'exécution des cartes imprimées est accrue et le coût réduit.

Selon l'invention, il est proposé de réaliser une carte imprimée à bas coefficient de dilatation et à conduction thermique élevée, utilisant une plaque en matériau à base de carbone et des moyens d'isolation pour isoler les grandes faces de la plaque des parties conductrices contituées par des conducteurs d'interconnexion du circuit imprimé, la carte étant caractérisée en ce que ladite plaque constitue avec les moyens d'isolation, le substrat de la carte porteur desdits conducteurs, les moyens d'isolation étant constitués par au moins une couche isolante déposée sur au moins l'une desdites grandes faces.

Les particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figures annexées qui représentent:
- Fig.l, une carte imprimée simple face conforme à l'invention pour le montage de composants soudables à plat;
- Fig.2, une carte imprimée simple-face conforme à l'invention pour le montage de composants à broches;
- Fig.3, une carte imprimée double-faces conforme à l'invention ~
- Fig.4, une carte imprimée muticouches conforme à l'invention;
- Fig.5, un détail de réalisation de l'isolation d'une plaque du type carbone/carbone; ;
- Fig.6 et Fig.7, deux variantes de réalisation multicouches d'une carte imprimée, dérivées respectivement de la struture simple face ce la Fig.l et double faces de la Fig.3.

L'utilisation d'un support en carbone (graphite expansé), ou en fibre de carbone et liant en époxy, ou en fibre de carbone et liant carbone appelé carbone/carbone, conduit à des substrats aux performances exceptionnelles à condition de les rendre isolants électriquement. En effet, on peut associer les propriétés suivantes:
- Haute conductivité thermique
200 à 300 W.m10.K (Al = 200, Cuivre = 380),
- Coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 5 ppm oc~
(AL203 = #6,5) et donc comparable à celui de la céramique ou de
l'alumine,
- Masse spécifique très faible 1,8 g.cm 3,
- Grande réfractarité sous atmosphère non oxydante.

Ces avantages sont intéressants pour construire des substrats supportant des microboîtiers céramiques.

En se reportant à la Fig. 1, la- carte imprimée comporte une plaque 1 en matériau à base de carbone qui supporte les conducteurs d'interconnexion 2 par l'intermédiaire d'une couche 3 isolante ayant un bas coefficient de dilatation et qui est disposée sur l'une des grandes faces pour réaliser une version de carte simple face. Le rôle de la couche 3 est d'isoler la plaque 1 qui est en matériau bon conducteur électrique des parties conductrices d'interconnexion 2.

Une deuxième fonction de la couche 3 peut être obtenue en choisissant un matériau à bas coefficient de dilatation pour coopérer avec la plaque 1 en sorte que l'ensemble 1+3 forme un substrat 5 de carte dont le coefficient de dilatation est relativement plus bas que ceux des réalisations conventionnelles en verre-époxy, ce coefficient étant du même ordre que celui de composants à supporter et à interconnecter; cette version est particulièrement envisagée pour le cas de composants 4 à base de céramique à interconnecter. Ces composants peuvent ainsi être en contact par leur boîtier avec la couche isolante 3..

La couche isolante 3 est de faible épaisseur, par exemple de 0,1 à 0,3 mm. La plaque 1 à base de carbone est plus épaisse, son épaisseur peut varier de manière habituelle de quelques dixièmes à plusieurs millimètres, généralement dans la gamme 0,5 å 5min.

La carte simple face de la Fig.l est destinée à recevoir des composants 4 du type par report à plat, c'est-à-dire munis soit de plots de connexion, soit de connexions latérales, et pouvant être soudés à plat sur les conducteurs 2 du circuit imprimé. Dans ce concept la carte est dépourvue de trous transversaux au substrat 5.

La Fig.2 représente une version simple face de la carte munie de trous pour permettre cette fois le montage de composants à broches 6. -Dans ce cas, la plaque 1 qui est en matériau bon conducteur électrique doit être isolée à l'endroit des trous par un revêtement 7 qui sera de préférence constitué par le prolongement de la couche isolante 3. A noter qe, comme dans le cas de la Fig.1, l'autre face de la plaque support 1 n'a pas besoin d'être isolée. Les composants à broches seront disposés de ce côté afin de souder lteqctrémité des broches 8 de l'autre côté, celui qui- porte les conducteurs 2; en opérant par soudure à la vague par exemple. Un pâte conductrice thermique et isolant électrique 9 de type connu peut etre prévue entre le boîtier des composants et la plaque 1.

Une structure semblable est utilisée pour réaliser une carte imprimée double faces qui constitue la version la plus courante.

La Fig.3 représente cette version double-faces avec des trous ou perforations transversales. Etant donné la présence de conducteurs 2A, 213 de part et d'autre du substrat, la plaque 1 à base de carbone doit être isolée sur chacune de ses grandes faces par des revêtements isolants 3A et 3B respectifs. L'isolation comme précédemment est prolongée dans les trous 10 et 11 qui peuvent être ensuite métallisés. Il est entendu que pour le montage de composants soudables à plat, la carte comme dans le cas Fig.l peut être démunie de perforations.

Enfin, la Fig.4 montre une réalisation multicouches. Cette version est obtenue de préférence en empilant plusieurs cartes double faces, compte tenu que pour solidariser les cartes entre elles on utilise, de manière connue, un moyen adhésif isolant 50. Dans l'exemple figuré, le montage comporte six couches de conducteurs 2A à 2F résultant du groupement de trois cartes double faces 51,52 et 53. L'élément de liaison -50 entre cartes successives peut être une résine thermodurcissable, en pré-preg par exemple.

Pour faciliter la compréhension le dessin n'est pas à l'échelle, l'ensemble de la structure multicouches pouvant avoir une épaisseur analogue à celle de la carte double-faces de la Fig.3.

L'usinage et la mise en oeuvre des plaques en fibre de carbone sont équivalents à ceux des cartes imprimés de verre-époxy, c'est-àdire que l'on peut usiner ces plaques sur les mêmes machines à percer et à détourer que les cartes.

Le drain en fibre de carbone peut être de structure différente en fonction des applications.

En effet, les possibilités nombreuses de mise en oeuvre des fibres permettent d'ajuster au mieux le coefficient de dilatation du circuit en utilisant des couches tressées dans des directions privilégiées ou bien d'augmenter la conduction thermique dans une direction en orientant le maximum de fibres dans cette direction.

On peut aussi jouer sur le nombre de couches de fibre c'est-àdire sur l'épaisseur de la matrice en carbone afin d'améliorer encore la conduction thermique.

La méthode consiste donc à créer une plaque à base de carbone, adaptée en épaisseur et en- composition aux exigences de chaque application, et à revêtir cette plaque d'une couche isolante, sur une grande face ou sur les deux. Le choix de l'isolant 3 est lié au caractère organique ou non présenté par la plaque 1 qui peut être une plaque carbone à matrice organique (résine époxyde, polyimide, etc...) ou une plaque à fibre de carbone dans une matrice carbone ; la réfractarité de ce dernier substrat permet de réaliser des traitements à température élevée alors que la plaque à matrice organique ne l'autorise que dans la limite de sa tenue en température, soit généralement au dessous de 300 à 4000.

Dans le cas d'un plaque 1 à base de carbone et à matrice organique, l'isolant 3 peut être réalisé aisément sous forme d'un dépôt de résine époxyde selon des procédés connus (fluidisation électrostatique, électrophorèse, lit fluidisé, trempage, etc...).

Dans le cas d'une plaque 1 carbone/carbone par contre, une isolation 3 minérale est à retenir notamment pour sa haute conductivité thermique afin de ne pas réduire la conductibilité thermique de l'ensemble 5. L'isolant 3 peut être de l'alumine, un émail, un verre ; on désigne ces matériaux par le terme générique de "céramique".

Les modes de dépôt de la céramique sont comparables à ceux utilisés pour l'émaillage de tôles. Ainsi on dépose d'abord, comme représenté sur le détail Fig.5 une couche d'accrochage 31 sur la plaque 1 en carbone/carbone avant de déposer la couche 32 de céramique, ces dépôts pouvant se prolonger à l'endroit des trous.

La couche d'accrochage 31 peut être du nickel, obtenue par nickelage chimique ou électrochimique, ou un dépôt de carbure, par exemple du carbure de silicium (SIC), par dépôt chimique en phase gazeuse.

Le dépôt de la céramique 32 est ensuite réalisé par un procédé classique: pistollage, électrophorèse, trempage, centrifugation, etc...).

Enfin la cuisson de la céramique est effectuée; la température dépend du matériau déposé et peut se situer dans la plage 400 à 10000.

Une autre méthode consiste, après avoir déposé une couche d'accrochage 31 en carbure de silicium, à oxyder cette couche de maniere à pouvoir utiliser des encres conductrices isolantes, résistives, cuisant à l'air.

Le carbure de silicium (Si C) peut être oxydé dans un four afin de produire une couche superficielle d'oxyde de silicium (Si 02) parfaitement isolante; cette opération est économique puisqu'elle est réalisable avec un four à air.

La plaque isolée est ensuite percée à l'endroit des trous métallisés et isolée par imprégnation de résine dans les trous, ou projection de céramique.

Puis, on vient rapporter sur chaque face isolée les conducteurs du circuit imprimé et l'on termine en effectuant les opérations de perçage, de métallisation et de gravure propres à la réalisation de la carte imprimée.

Les conducteurs sont réalisés selon des techniques conven
tionnelles: utilisation de feuillard, sérigraphie, photogravure, etc...

Les Figs. 6 et 7 se rapportent à une variante de réalisation
suivant laquelle les conducteurs sont réalisés par méthode additive,
selon des techniques de circuits intégrés. I1 en résulte, par croissance électrochimique de couches successives, une structure à plusieurs couches 21 qui peut être déposée sur une face du substrat 5 (carte simple face, Fig. 6) ou sur les deux faces (carte double-faces Fig.7).

La ou les structures multicouches, 22 et/ou 21, ainsi formées comportent des parties conductrices électriques 23 séparées par des parties isolantes 24, à base de verre par exemple. Sur les exemples représentés la plaque est considérée du type carbone/carbone mais, la réalisation de telles solutions avec des plaques à matrice organique n'est pas à exclure, en utilisant des pâtes polymères pour réaliser les parties isolantes 24 ; dans ces derniers cas, l'isolation de la plaque 1 est réalisée directement, par dépôt d'une seule couche 3 comme décrit précédemment, généralement à base de résine époxyde. Il n'a pas été représenté de trous à travers l'ensemble mais la carte peut en être pourvue comme dans les exemples précédents Fig.3 ou Fig.4. On obtient ainsi une carte imprimée multicouches dans laquelle la structure multicouches est liée directement à un unique substrat support 5, sans collage ni brasage. Cette liaison directe facilite les échanges thermiques et, par la supression de substrats et d'interfaces de collage (cas du muticouches de la Fig.4) conduit à une structure simplifiée.

Les applications de l'invention à la réalisation #de montages hybrides de puissance sur carte et même de microassemblages de puissance, sont potentiellement considérables puis#que l'on retrouve
les avantages de la tôle- émaillée sans en avoir les désavantages
(désadaptation mécanique, faible conductivité thermique, poids éle

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Carte imprimée à bas coefficient de dilatation et à conduction thermique élevée, utilisant une plaque en matériau à base de carbone et des moyens d'isolation pour isoler les grandes faces de la plaque des parties conductrices constituées par des conducteurs d'interconnexion du circuit imprime, la carte étant caractérisée en ce que ladite plaque (1) constitue avec les moyens d'isolation (3), le substrat (5) de la carte porteur desdits conducteurs, les moyens d'isolation étant constitués par au moins une couche isolante déposée sur au moins l'une desdites grandes faces.

2. Carte selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'isolation (3,3A et 3B) sont déposés sur l'une des grandes faces d'une plaque support (1) pour réaliser une carte imprimée simple face, et sur les deux grandes faces pour réaliser une version double-faces.

3. Carte selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une carte imprimée multicouches est réalisée par un empilement de cartes double-faces accolées (51,52,53) comportant chacune une plaque à base de carbone et rendues solidaires par un moyen adhésif isolant (50).

4. Carte selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'une carte imprimée multicouches est réalisée par une structure multicouches (21,22) desdits conducteurs, déposée au moins sur une des grandes faces isolée d'une unique plaque support (l), ladite structure étant produite par méthode additive, par croissance électro- chimique, selon des techniques de circuits intégrés.

5. Carte selon l'une quelconque des revendications I a ss caractérisée en ce qu'elle comporte des perforations transversalec qui sont électriquement isolées par prolongation du dépôt d'iso- lant (7) dans ces trous.

6. Carte selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'ensemble plaque support et moyens d'isolation présente un coefficient de dilatation dans la gamme englobant celui de la céramique en sorte de réaliser la compatibilité thermique de cet ensemble composant le substrat et produire une carte adaptée à recevoir des composants à base de céramique ou similaire.

7. Carte selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'isolation (3) comportent deux couches, une première couche (31) dite d'accrochage déposée sur les grandes faces à isoler, une deuxième couche (32) dite de céramique déposée par dessus la première couche et supportant les conducteurs d'interconnexion (2).

8. Carte selon la revendication 7, caractérisée en ce que la première couche est du nickel déposé par nickelage chimique et la seconde couche est une céramique déposée par voie liquide.

9. Carte selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'isolation (3) sont obtenus par dépôt chimique en phase gazeuse d'une couche de carbure de silicium.

10. Carte selon la revendication 9, caractérisée en ce que la couche de carbure de silicium est revêtue d'une couche d'oxyde de silicium par réoxydation dans un four à air, ou d'une couche d'émail par voie liquide.