FR3062273A1 - Carte a circuit imprime multicouche et methode pour sa fabrication - Google Patents

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Abstract

Une carte à circuit imprimé multicouche (10) comprend une couche conductrice supérieure (12), une couche conductrice inférieure (18) et au moins une couche conductrice interne (14); un trou d'interconnexion (46) métallisé traversant la carte à circuit imprimé multicouche (10) depuis la couche conductrice supérieure (12) jusqu'à la couche conductrice inférieure (18), le trou d'interconnexion (46) interconnectant électriquement un motif électriquement conducteur (36) d'une des couches conductrices (12) à un motif électriquement conducteur (51) d'une des autres couches conductrices (18); une des couches conductrices (14) distincte des couches conductrices interconnectées électriquement par le trou d'interconnexion (46) comporte un dépôt (56) de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant interposé entre un motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) et le trou d'interconnexion (46) de sorte à permettre une conduction de chaleur depuis le trou d'interconnexion (46) vers le motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) sans y faire circuler du courant électrique.

Description

(® Mandataire(s) : DELPHI FRANCE SAS Société actions simplifiée.
par ® CARTE A CIRCUIT IMPRIME MULTICOUCHE ET METHODE POUR SA FABRICATION.
FR 3 062 273 - A1 (57) une carte à circuit imprimé multicouche (10) comprend une couche conductrice supérieure (12), une couche conductrice inférieure (18) et au moins une couche conductrice interne (14); un trou d'interconnexion (46) métallisé traversant la carte à circuit imprimé multicouche (10) depuis la couche conductrice supérieure (12) jusqu'à la couche conductrice inférieure (18), le trou d'interconnexion (46) interconnectant électriquement un motif électriquement conducteur (36) d'une des couches conductrices (12) à un motif électriquement conducteur (51) d'une des autres couches conductrices (18); une des couches conductrices (14) distincte des couches conductrices interconnectées électriquement par le trou d'interconnexion (46) comporte un dépôt (56) de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant interposé entre un motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) et le trou d'interconnexion (46) de sorte à permettre une conduction de chaleur depuis le trou d'interconnexion (46) vers le motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) sans y faire circuler du courant électrique.
Figure FR3062273A1_D0001
Figure FR3062273A1_D0002
DP-323326
CARTE A CIRCUIT IMPRIME MULTICOUCHE ET METHODE
POUR SA FABRICATION
DOMAINE TECHNIQUE
L’invention concerne le domaine des cartes à circuit imprimé multicouche et leur fabrication.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Pour répondre aux exigences croissantes en matière de puissance de calcul dans l’industrie automobile, notamment avec l’apparition de système d’assistance au conducteur, de nombreuses évolutions technologiques sont à prévoir. Un grand sujet est le refroidissement de semi-conducteurs à forte dissipation de puissance tels que des microprocesseurs haute performance à l'intérieur d'une unité de contrôle électronique.
Actuellement, l'approche principale pour limiter l’élévation de la température est de dissiper la chaleur générée par le composant à travers un dissipateur de chaleur sur le dessus du composant semi-conducteur.
Avec les solutions actuelles, le transfert de chaleur n'est pas optimisé. Notamment, dans les semi-conducteurs à puces retournées, communément appelés selon le terme anglo-saxon ‘flip chip’, la source de chaleur se trouve au fond d’un boîtier dont les terminaisons électriques sont des matrices de billes (boîtier communément appelé selon le terme anglo-saxon, boîtier ‘BGA’ pour ‘Bail Grid Array’).
Entre la source de chaleur et la surface supérieure du dispositif, la résistance thermique est élevée. Par conséquent, le mode de refroidissement n'est pas très efficace, en raison de la haute résistance thermique à l'intérieur du silicium.
Il est donc important de proposer une solution nouvelle résolvant ces problèmes.
RESUME DE L’INVENTION
Une carte à circuit imprimé multicouche comprend une couche conductrice supérieure, une couche conductrice inférieure et au moins une couche conductrice interne; un trou d’interconnexion métallisé traversant la carte à circuit imprimé multicouche depuis la couche conductrice supérieure jusqu’à la couche conductrice inférieure, le trou d’interconnexion interconnectant électriquement un motif électriquement conducteur d’une des couches conductrices à un motif électriquement conducteur d’une des autres couches conductrices. Une des couches conductrices distincte des couches conductrices interconnectées électriquement par le trou d’interconnexion comporte un dépôt de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant interposé entre un motif électriquement conducteur de ladite couche conductrice et le trou d’interconnexion de sorte à permettre une conduction de chaleur depuis le trou d’interconnexion vers le motif électriquement conducteur de ladite couche conductrice sans y faire circuler du courant électrique.
Le matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant peut être une pâte thermique.
Le dépôt peut être agencé dans un évidement entourant le trou d ’ interconnexi on.
La couche conductrice comportant le dépôt de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant peut être une couche conductrice interne de la carte à circuit imprimé multicouche.
Les deux couches conductrices interconnectées électriquement par le trou d’interconnexion peuvent être les deux couches externes de la carte à circuit imprimé multicouche.
Le motif électriquement conducteur de la couche conductrice comportant le dépôt de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant peut être un plan de cuivre formant globalement l’ensemble de la troisième couche.
La carte à circuit imprimé multicouche peut comporter un composant électronique générateur de chaleur monté sur la couche conductrice supérieure de la carte à circuit imprimé multicouche, le composant électronique étant relié électriquement au trou d’interconnexion par un motif électriquement conducteur de la couche conductrice supérieure.
Selon l’invention, une méthode de fabrication d’une carte à circuit imprimé multicouche comprend les étapes de :
fourniture d’un ensemble comprenant une couche conductrice et une couche isolante formant le support de la couche conductrice, la couche conductrice formant un plan de cuivre plein;
suppression du cuivre de la couche conductrice formant ainsi un évidement sur la surface de cuivre de la couche conductrice;
remplissage de l’évidement par un dépôt de pâte thermique;
fourniture d’au moins deux autres couches conductrices;
empilage des trois couches conductrices de sorte à former une carte à circuit imprimé multicouche;
aménagement d’un trou d’interconnexion métallisé traversant les trois couches conductrices et traversant l’évidement, de sorte que le dépôt de pâte thermique relie thermiquement le trou d’interconnexion à la surface de cuivre de la couche conductrice comportant l’évidement.
La suppression du cuivre peut être réalisée sur une surface circulaire selon un premier diamètre formant ainsi un évidement circulaire;
le trou d’interconnexion peut être percé selon un second diamètre plus petit que le premier diamètre.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemple non limitatif et sur lesquels:
- La figure lest une vue schématique en coupe transversale d’une carte à circuit imprimé multicouche comportant un composant électronique et un trou d’interconnexion selon l’invention.
- La figure 2 est une vue schématique éclatée en perspective de la carte à circuit imprimé multicouche de la figure 1.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES
Afin de faciliter la description, et de façon non limitative, un axe vertical V est défini. Des orientations « inférieure » et « supérieure » sont définies selon la direction verticale.
Selon la figure 1, une carte à circuit imprimé multicouche 10 comprend quatre couches conductrices, nommées depuis la face supérieure jusqu’à la face inférieure de la carte à circuit imprimé : la couche conductrice supérieure 12, la première couche conductrice interne 14, la seconde couche conductrice interne 16 et la couche conductrice inférieure 18. Les quatre couches conductrices sont séparées entre elle par trois couches isolantes 20, 22, 24. La surface de la couche conductrice supérieure 12 est équipée d’un composant électronique 26.
Le composant électronique 26 peut générer de la chaleur lorsqu’il est en fonctionnement. Le composant électronique 26 comporte des terminaisons électriques 27, 28, 30, 32 soudées sur des empreintes de cuivre 34, 36, 38, 40 de la couche conductrice supérieure 12. Les empreintes de cuivre 34, 36, 38, 40 sont liées à des pistes de cuivre 42, 44 permettant de connecter électriquement les terminaisons électriques 27, 32 du composant électronique à d’autres composants. Selon le mode de réalisation, les empreintes de cuivre 34, 36, 38, 40 sont des pastilles de cuivre formant des surfaces de cuivre circulaire.
Selon le mode de réalisation représenté, le composant électronique 26 est un circuit intégré dont les terminaisons électriques 27, 28, 30, 32 soudées sur la carte à circuit imprimé multicouche 10 sont des matrices de billes de soudure communément appelées par leur acronyme anglo-saxons BGA (Bail Grid Array), disposées sur la surface du boîtier du composant électronique 26 en regard de la carte de circuit imprimé multicouche 10 sur laquelle elles sont soudées. Une des terminaisons 27, 28, 30, 32 du composant électronique 26 est une terminaison fort courant 28, c’est-à-dire une terminaison par laquelle peut circuler un courant électrique d’amplitude suffisante pour générer de la chaleur susceptible d’endommager la carte à circuit imprimé multicouche 10.
L’empreinte de cuivre 36 sur laquelle est soudée la terminaison fort courant 28 comporte un trou d’interconnexion 46, communément appelé selon le terme anglo-saxon ‘via’ (vertical interconnect access), traversant la carte à circuit imprimé multicouche 10 depuis la couche conductrice supérieure 12 jusqu’à la couche conductrice inférieure 18. Par la suite, cette empreinte 36 sera dénommée première empreinte fort courant. Le trou d’interconnexion 46 est un trou métallisé, dont, par exemple, la paroi interne 48 est entièrement recouverte de cuivre.
Le trou d’interconnexion 46 relie électriquement la terminaison fort courant 28 du composant électronique 26 à une seconde empreinte fort courant 49 de la seconde couche conductrice interne 16, la dite seconde empreinte fort courant 49 étant reliée électriquement à une piste de cuivre 50 de la seconde couche conductrice interne 16. Le trou d’interconnexion 46 relie également électriquement la terminaison fort courant 28 du composant électronique 26 à une troisième empreinte fort courant 51 de la couche conductrice inférieure 18, la dite troisième empreinte fort courant 51 étant reliée électriquement à une piste de cuivre 52 de la couche conductrice inférieure 18.
Afin de pouvoir dissiper la chaleur conduite par la terminaison fort courant 28, la première couche conductrice interne 14 forme un plan de cuivre 54 plein relié au trou d’interconnexion 46 exclusivement par un dépôt 56 de pâte thermique ou graisse thermique. Autrement dit, le dépôt 56 de pâte thermique est interposé entre le plan de cuivre plein 54 et le trou d’interconnexion 46. Le plan de cuivre 54 plein est comparable à un plan de masse total de cuivre gravé sur la première couche conductrice interne 14. A titre d’exemple, la pâte thermique peut être composée d'oxyde de zinc combiné à l'époxyde, l'époxyde étant déjà utilisé pour coller ensemble les couches de la carte à circuit imprimé multicouche. La pâte thermique est également un matériau isolant électrique, de sorte que le fort courant ne peut pas circuler depuis la terminaison fort courant 28 jusqu’à la première couche conductrice interne 14. Cependant, selon l’invention, la chaleur peut diffuser au travers du trou d’interconnexion 46 jusqu’au plan de cuivre 54 de la première couche conductrice interne 14, de sorte que le plan de cuivre 54 permet une dissipation de la chaleur. En d’autres termes, la première couche interne 14 est comparable à un radiateur de refroidissement enterré entre la couche conductrice supérieure 12 et la couche conductrice inférieure 18 du circuit imprimé multicouche 10.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, la couche conductrice supérieure 12, la couche conductrice inférieure 18 et la seconde couche conductrice interne 16 sont des couches permettant de relier électriquement une pluralité de composants électroniques montés aussi bien sur la couche conductrice supérieure 12 que sur la couche conductrice inférieure 18 de la carte à circuit imprimé multicouche 10. La première couche conductrice interne 14 est une couche permettant uniquement la dissipation thermique. Cette couche conductrice interne 14 peut être dénommée comme une couche de dissipation thermique.
Selon la figure 2, la carte à circuit imprimé multicouche 10 est le résultat de l’empilement de deux cartes à circuit imprimé simple face 13, 17 avec une carte à circuit imprimé double face 15, la carte à circuit imprimé double face 15 étant agencée entre les deux cartes à circuit imprimé simple face 13, 17.
Plus précisément, la couche conductrice supérieure 12 de la carte à circuit imprimé multicouche 10 est la couche conductrice d’une première carte à circuit imprimé simple face 13. La couche conductrice inférieure 18 de la carte à circuit imprimé multicouche 10 est la couche conductrice d’une seconde carte à circuit imprimé simple face 17. Enfin, la première couche 14 et la seconde couche conductrice interne 16 de la carte à circuit imprimé multicouche 10 sont respectivement la couche supérieure et la couche inférieure de la carte à circuit imprimé double face 15.
Selon l’invention, la couche supérieure de la carte à circuit imprimé double face 15 forme le plan de cuivre 54 plein comportant un évidement 58. L’évidement 58 est un trou borgne circulaire dans le plan de cuivre 54 plein, dont le fond est formé par la couche isolante 22 de la carte à circuit imprimé double face 15. L’évidement 58 est réalisé par la suppression du cuivre sur une surface circulaire selon un premier diamètre dl formant ainsi une ouverture sur le plan de cuivre 54 plein. L’évidement 58 est entièrement rempli par la pâte thermique 56.
La couche conductrice de la première carte à circuit imprimé simple face 13 comporte les empreintes de cuivre 34, 36, 38, 40 prévues pour y souder les terminaisons électriques 27, 28, 30, 32 du composant électronique 26 représenté à la figure 1. L’empreinte fort courant 36 est prévue pour être soudée avec la terminaison fort courant 28 du composant électronique 26. Bien que non visible sur la figure 2, et conformément au mode de réalisation de la figure 1, la seconde empreinte fort courant 49 est agencée sur la couche inférieure de la carte à circuit imprimé double face 15. Egalement, bien que non visible, et conformément au mode de réalisation de la figure 1, la troisième empreinte fort courant 51 est agencée sur la couche conductrice de la seconde carte à circuit imprimé simple face 17. Lors de l’empilement des trois cartes à circuit imprimé 13, 15, 17, les trois empreintes fort courant 36, 49, 51 et l’évidement 58 rempli de pâte thermique sont alignés verticalement.
Une fois l’empilement des trois cartes à circuit imprimé 13, 15, 17 effectué de sorte à former le circuit imprimé multicouche 10, un perçage de la carte à circuit imprimé multicouche est effectué depuis le centre de la première empreinte fort courant 36 jusqu’à la troisième empreinte fort courant 51, permettant ainsi la formation du trou d’interconnexion 46 traversant. Le trou d’interconnexion 46 est métallisé de façon connue, par exemple par le dépôt d’une fine couche de cuivre (de l'ordre de 15 à 25 pm) sur la paroi du trou 46 réalisé par le perçage. Le diamètre de perçage d2 du trou d’interconnexion 46 est plus petit que le diamètre dl de l’ouverture circulaire de sorte que la pâte thermique est au contact tout autour de la section du trou d’interconnexion 46. La pâte thermique est également au contact avec le plan de cuivre 54 de la première couche interne 14 de la carte à circuit imprimé multicouche 10. Autrement dit, la pâte thermique est interposée entre le plan de cuivre 54 et le trou d’interconnexion 46.
Ainsi réalisé, le trou d’interconnexion 46 est relié thermiquement à la surface de cuivre de la première couche interne conductrice 14 et isolé électriquement de la première couche interne conductrice 14.
Selon le mode de réalisation représenté et décrit à travers les figures 1 et 2, l’homme du métier sera tout à fait capable de réaliser des trous d’interconnexion enterrés, c’est-à-dire reliant des couches internes d’une carte à circuit imprimé multicouche, mais ne débouchant ni sur la face supérieure, ni sur la face inférieure, les dits tous d’interconnexion étant relié thermiquement et non électriquement à un couche interne. De la même façon, il pourra réaliser l’invention avec des trous d’interconnexion borgne, c’est-à-dire des trous d’interconnexion ne débouchant que sur la face supérieure ou que sur la face inférieure d’une carte à circuit imprimé multicouche.
L’invention ne se limite pas à la réalisation d’un plan de cuivre agencé en couche interne d’un circuit imprimé multicouche servant de dissipateur thermique à un circuit intégré dont les terminaisons électriques sont des matrices de billes de soudure par l’intermédiaire d’un trou d’interconnexion. Tout autre type de composant électronique, telle une résistance de puissance, monté sur une carte à circuit imprimé comportant au moins trois couches conductrices, peut être relié électriquement à un motif électriquement conducteur, telle une pastille de cuivre. Ladite pastille de cuivre comporte alors un trou d’interconnexion relié uniquement thermiquement et non pas électriquement par le biais d’une pâte thermique, à un autre motif électriquement conducteur d’une autre couche conductrice de la carte 5 à circuit imprimé multicouche, tel par exemple un plan de cuivre.
L’invention ne se limite pas à une carte à circuit imprimé comportant sur une couche conductrice interne un évidement rempli par un dépôt de pâte thermique reliant thermiquement un motif électriquement conducteur, tel un plan de cuivre, à un trou d’interconnexion. L’évidement rempli de pâte thermique et 10 traversé par le trou d’interconnexion peut être agencé sur n’importe quelle couche conductrice d’une carte à circuit imprimé multicouche.
Une carte à circuit imprimé peut également comporter plusieurs évidements remplis de pâte thermique traversés par des trous d’interconnexions.
Un trou d’interconnexion peut également traverser plusieurs évidements 15 rempli de pâte thermique et agencés sur plusieurs couches conductrices d’une carte à circuit imprimé multicouche.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS :
    1. Carte à circuit imprimé multicouche (10) comprenant :
    une couche conductrice supérieure (12), une couche conductrice inférieure (18) et au moins une couche conductrice interne (14);
    un trou d’interconnexion (46) métallisé traversant la carte à circuit imprimé multicouche (10) depuis la couche conductrice supérieure (12) jusqu’à la couche conductrice inférieure (18), le trou d’interconnexion (46) interconnectant électriquement un motif électriquement conducteur (36) d’une des couches conductrices (12) à un motif électriquement conducteur (51) d’une des autres couches conductrices (18);
    caractérisée en ce qu’une des couches conductrices (14) distincte des couches conductrices interconnectées électriquement par le trou d’interconnexion (46) comporte un dépôt (56) de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant interposé entre un motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) et le trou d’interconnexion (46) de sorte à permettre une conduction de chaleur depuis le trou d’interconnexion (46) vers le motif électriquement conducteur (54) de ladite couche conductrice (14) sans y faire circuler du courant électrique.
  2. 2. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant est une pâte thermique.
  3. 3. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dépôt (56) est agencé dans un évidement (58) entourant le trou d’interconnexion (46).
  4. 4. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche conductrice (14) comportant le dépôt (56) de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant est une couche conductrice interne de la carte à circuit imprimé multicouche (10).
    ίο
  5. 5. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux couches conductrices (12, 18) interconnectées électriquement par le trou d’interconnexion (46) sont les deux couches externes de la carte à circuit imprimé multicouche (10).
  6. 6. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le motif électriquement conducteur (54) de la couche conductrice (14) comportant le dépôt (56) de matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant est un plan de cuivre formant globalement l’ensemble de ladite couche conductrice (14).
  7. 7. Carte à circuit imprimé multicouche (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la carte à circuit imprimé multicouche (10) comporte un composant électronique (26) générateur de chaleur monté sur la couche conductrice supérieure (12) de la carte à circuit imprimé multicouche (10), le composant électronique (26) étant relié électriquement au trou d’interconnexion (46) par un motif électriquement conducteur (36) de la couche conductrice supérieure (12).
  8. 8. Méthode de fabrication d’une carte à circuit imprimé multicouche (10) comprenant les étapes de :
    fourniture d’un ensemble comprenant une couche conductrice (14) et une couche isolante (22) formant le support de la couche conductrice (14), la couche conductrice (14) formant un plan de cuivre plein (54);
    suppression du cuivre de la couche conductrice (14) formant ainsi un évidement (58) sur la surface de cuivre de la couche conductrice (14);
    remplissage de l’évidement (58) par un dépôt (56) de pâte thermique; fourniture d’au moins deux autres couches conductrices (12, 18) ; empilage des trois couches conductrices (12, 14, 18) de sorte à former une carte à circuit imprimé multicouche (10);
    aménagement d’un trou d’interconnexion (46) métallisé traversant les trois couches conductrices (12, 14, 18) et traversant l’évidement (58), de sorte que le dépôt (56) de pâte thermique (56) relie thermiquement le trou d’interconnexion (46) à la surface de cuivre de la couche conductrice (14) comportant l’évidement (58).
  9. 9. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que :
    5 la suppression du cuivre est réalisée sur une surface circulaire selon un premier diamètre (dl) formant ainsi un évidement (58) circulaire;
    le trou d’interconnexion (46) est percé selon un second diamètre (d2) plus petit que le premier diamètre (dl).
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