Brevet FR2001970A1 — publié le 19691003

Ô La présente, invention se rapporte à des unités de circuits électriques comprenant plusieurs couches de conducteurs mutuellement isolés sur un substrat pour interconnecter plusieurs composants de circuit. 5 Ces unités de circuits peuvent être du type circuit imprimé normal, avec des composants séparés tels des résistances et des transistors ou elles peuvent être du type circuit hybride où les composants sont des circuits intégrés. Avec ces unités de circuits, et en particulier avec le dernier type, des problèmes 10 surgissent pour le refroidissement de l'unité. L'objet principal de la présente invention est de prévoir une unité dans laquelle ce problème de refroidissement est pallié ou surmonté. Ainsi, selon des caractéristiques de la présente invention, dans une telle unité, le substrat est une plaque métallique iso-15 lée à conductibilité électrique et thermique élevée, qui sert de plan d'alimentation et de source froide. Le substrat s'étend de préférence au-delà des couches d'isolement et des conducteurs de sorte qu'il peut être facilement fixé à une conduite de fluide de refroidissement. L'isolement est de préférence formé de matières 20 en verre-céramique. Le substrat peut porter les conducteurs sur une face et, sur l'autre, un plan d'alimentation auquel des connexions sont faites par l'intermédiaire de fils isolés par la matière, en verre-céramique et passant à travers des trous dans le substrat. 25 Selon un autre aspeet de la présente invention on prévoit un procédé de fabrication d'une unité de circuit ayant les caractéristiques indiquées ci-dessus, dans lequel le substrat a une configuration de trous formés dedans, des fils gainés sont placés à travers les trous, l'ensemble est chauffé pour sceller les 30 fils dans le substrat, les surfaces du substrat sont rendues plates par meulage et les couches de conducteurs sont formées sur le substrat. Une unité de circuit selon des caractéristiques de la présente invention et un procédé pour sa fabrication seront mainte-35 nant décrits à titre d'exemple, en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective de l'unité dé circuit et La figure 2 est une coupe partielle à travers l'unité, un 40 composant y étant fixé. 69 368/' 2 2001970 Hi l'une ni l'autre figure n'est à l'échelle. Le substrat 10 de l'unité est une plaque de cuivre de 50nm x 70 mm et de 2,5mm d'épaisseur. Cette plaque est divisée en trois régions 10A, 10B et 10C ; la région 10A n'est pas recou-5 verte et peut être serrée sur une conduite 30 qui transporte du fluide de refroidissement, la région 10B porte les eouches de conducteurs et les composants de circuit, et la région 10C porte des connecteurs de bordure 11 sur les deux faces. Les régions 1OB et 10C sont sensiblement complètement recouvertes par les couches 10 isolantes 12 et 14 sur les faces inférieure et supérieure respectivement, un plan d'alimentation 13 sensiblement continu étant porté sur la couche 12. Une série de conducteurs de signaux 15 est portée sur la couche 14, une autre couche d'isolement 16 étant portée sur la couche 14 et les conducteurs 15 et cette cou-15 che 16 portant une autie série de conducteurs de signaux 17 transversaux par rapport aux conducteurs 15. Des connexions de traversée sont faites du plan d'alimentation 13 aux conducteurs de signaux 15 et 17 et depuis les connecteurs de bordure 11 portés sur la couche d'isolement 12 jusqu'à ces conducteurs. Les oon-20 nexions sont également faites entre le substrat 10 et les conducteurs 15 et 17 et entre ces séries de conducteurs. Les circuits intégrés sont portés dans des évidements 18 dans la couche d'isolement 16. La fabrication de oette unité sera maintenant décrite. Le 25 procédé commence avec un substrat nu 10. Il est perforé ou autrement percé pour former des trous à des positions désirées, par exemple 20 et 21, où l'on doit faire des connexions de traversée vers le plan d'alimentation, ces trous ayant 1mm de diamètre. De petites parties compactes tubulaires 22 en verre pou-30 vant être dévitrifié sont alors placées à travers les trous et on place à travers ces parties compactes de courtes longueurs de mince fil de cuivre 23. Une composition convenable de verre est la suivante : SiOg 68,3 1° en poids 35 Li20 9,7 ZnO 19,4 ^2°5 2,6 L'ensemble est cuit jusqu'à 1000°C pendant 15 minutes sous une atmosphère d'azote pour faire fondre le verre et sceller les 40 fils à travers le substrat. L'ensemble est alorà rapidement re 69 3687 5 2001970 froidi jusqu'à 500°C, maintenu à cette température pendant une heure, chauffé à 5°C par minute jusqu'à 800°C, maintenu à cette température pendant une heure et ensuite refroidi jusqu'à la température ambiante sous une atmosphère d'azote. Ce traitement 5 thermique transforme le verre dans les joints traversant les conducteurs en une matière réfractaire céramique-verre ayant un coefficient élevé de djlflMion thermique. Toutes les extrémités des fils faisant projection sont alors coupées et les deux faces de 1'ensemble sont meulées avec une poudre au carbure de silicium 10 pour laisser les joints en céramique-verre 22 et les extrémités des fils 23 dans le même plan que les surfaces du substrat 10. L'ensemble a maintenant les deux couches d'isolement 12 et 14 formées dessus. Pour ces couches, on utilise un verre ayant la composition suivante : 15 SiOg 54,2 io en poids 5,0 ld20 9,0 Na20 5,0 ZnO 24,4 20 P205 2,3 Une suspension de poudre, ayant cette composition, dans l'alcool méthylique est utilisée pour recouvrir les deux faces du substrat, le substrat étant maintenu non revôtu dans la région d'extrémité 10A. Le substrat est ensuite cuit à une tempéra-25 ture de 950°C pendant 40 minutes pour faire fondre le verre en poudre, en produisant des couches de verre uniformes et lisses de 50 à 75 microns d'épaisseur. L'ensemble est alors maintenu à une température de 500°C pendant une heure, chauffé à 5°C par minute jusqu'à 750°C, maintenu à cette température pendant une 30 heure et puis refroidi à un taux allant jusqu'à 10°C par minute jusqu'à la température ambiante, sous une atmosphère d'azote. Ce traitement thermique transforme•les couches de verre en couches réfractaires de verre-céramique. Le stade suivant de la fabrication consiste à étendre les 35 connexions de traversée 25 à travers les couches d'isolement 12 et 14. Ceci est obtenu par attaque à travers la matière en verre-céramique avec une solution à 10$ d'acide fluorhydrique après l'applicationd'un élément photorésistant convenable et puis le dépôt par galvanoplastie de connexions à travers les trous ainsi 40 formés avec du cuivre pour les prolonger sur une étendue appro 69 3687 4 2001970 priée » L'étape suivante de fabrication est la formation de connecteurs de bordure 11, du plan 13 d'alimentation en tension et des conducteurs 15 formant un plan de conduoteurs de signaux. 5 les connecteurs de bord 11 ont chacun 1,25mm de largeur avec la môme séparation ; le plan de tension 13 est une couche métallique continue et les conducteurs 15 ont chacun 0,125mm de largeur, avec un pas de 0,25 am. Ces conducteurs sont formés par impression classique sur écran en utilisant une pâte se compo-10 sant de poudre d'or ou de poudre d'or et de platine dispersée dans un support organique convenable. L'ensemble imprimé est alors cuit à l'air jusqu'à une température de 450°C pour retirer par combustion le support organique, et puis chauffé encore jusqu'à 750 ou 800°C sous une atmosphère d'azote pour consolider 15 les particules métalliques dans les conduoteurs imprimés qui deviennent ainsi fortement conducteurs. Ce procédé constitue automatiquement des connexions jusqu'aux connexions déposées par galvanoplastie à travers les oouches isolantes 12 et 14. L'étape suivante est de former la couche isolante 16. On 20 utilise dans ce but un verre ayant la composition suivante : SiOg 36,4 en poids B203 18,8 Na20 12,5 K20 6,3 25 BaO 26,0 Les trous 18, en forme de carré de 2,5mm, doivent être laissés dans cette couche suivant un réseau régulier aux emplacements des confettis ou pastilles. La couche 16 est en conséquence appliquée par impression sur écran, en utilisant une pâte 30 pour écran se composant d'une partie en poids de fluide pour écran et de trois parties en poids de poudre de verre ayant la composition indiquée ci-dessus. L'ensemble est alord chauffé jusqu'à 500°C dans l'air pour retirer par combustion les constituants organiques de la couche 16, puis chauffé dans l'azote 35 jusqu'à 750°C pendant 15 minutes pour faire fondre le verre en poudre et produire une couche de verre uniforme et lisse de 12,5 à 50 microns d'épaisseur. L'étape suivante est la formation de trous dans la couche 16 pour que des connexions puissent être faites à travers. Ces 40 trous sont faits par des techniques classiques d'attaque et d'é- 693687 5 2001970 1émeut photoréaistant. L'étape suivante de fabrication est la formation des conduoteurs 17. Ils sont formés sensiblement de la môme manière que les conducteurs 15. Durant ce procédé, il se produit l'im-5 pression de la pâte métallique à travers les trous dans la couche d'isolement 16 jusqu'aux conducteurs sous-jacents 15 et ainsi des interconnexions entre les deux séries de conducteurs de signaux sont formées. La température durant la cuisson de cette seconde série .de conducteurs est limitée à 700°C. 10 Le stade final de fabrication est la fixation des pastilles 19 de circuit intégré à l'ensemble. Des tampons métalliques 15A sont fornés sur la couche isolante 14- aux emplacements des pastilles, par exemple en même temps que se fait la formation des conducteurs 15, «t les pastilles areo des surfaces inférieures 15 métallisées sont liés à ces tampons par des couches de soudure. Des connexions entre les pastilles et les conducteurs 16 et 17 sont faites par des fils de traversée 26 en aluminium ou en or. Une caractéristique principale de la présente invention est l'utilisation de matière en verre-céramique pour des couches 20 d'isolement principales. Avec ces matières, il est possible d'obtenir des coefficients importants de dilatation thermique et, par suit», il est possible d'incorporer des sections substantielles de métaux à dilatation élevée, tels que du cuivre dans le sous-ensemble ou bloc, et ceci permet d'obtenir des avantages 25 techniques importants. Par exemple, cela renforce la bonne dissi~ pation de chaleur qui permet la compacité intime des dispositifs. Egalement, par suite de l'excellente conduction thermique du cuivre, la chaleur peut être retirée à travers le côté du sous-ensemble et ceci laisse les deux surfaces du substrat disponi-30 bles pour porter des parties du circuit. Uh autre avantage des matières en verre-céramique est que, tout coimiie les verres, elles peuvent ftre fermement liées sous forme de couches très minces à des métaux. Cependant, les matières en verre-céramique ont des conductibilités thermiques supérieures aux verres et ceci aide à 35 renforcer une bonne transmission de chaleur. Une autre caractéristique importante des matières en verre-céramique est associée au gain d'aspect réfractaire de la matière, qui est obtenu en transformant les verres en matière en verre-céramique. Dans ce cas, comme le cuivre est compris dans le bloc, la température de 40 cuisson maxima pour les premières couches d'isolement est 1000°C 69 3687 6 2001970 (point de fusion du cuivre = 1083*0). En général, des verres qui fondent à cette température ont des températures de ramolisse-ment dilatométriques qui sont inférieures à 600°C. En conséquence, c'est la température maxima pour le traitement ultérieur. 5 Des verres qui fondent en dessous de 600°C sont connus mais en général leurs propriétés chimiques et électriques sont mauvaises. Dans le cas des conducteurs, des pâtes métalliques pour impression sur écran exigent des températures supérieures à 600°C pour développer les conductibilités électriques exigées dans les con-10 ducteurs imprimés. Par l'utilisation des matières en verre-céramique, ces problèmes sont minimisés par suite du gain d'aspeet réfractaire qui est obtenu durant la cristallisation. Par exemple, on peut appliquer des verres-généralement du type ligO-~ ' EnO-SiOg à du cuivre-à 900-950*0 et ultérieurement on peut lès 15 cristalliser pour former des oouches verre-céramique qui supporteront des températures comprises entre 750 et 800°C. Ainsi, pour l'application de couches ultérieures d'isolement et de conducteurs, on peut employer des températures supérieures. De nombreuses variations peuvent être apportées à la struo-20 ture at au mode opératoire décrits ci-dessus. Par exemple, on peut utiliser des fils revêtus de verre au lieu des fils nas et des masses compactes verre-céramique dans le premier stade de fabrication, ou bien des fils revêtus de verre peuvent être passés à travers des trous faits dans l'ensemble, après que les con-25 ducteurs de signaux aient été déposés, bien que ceci soit moins convenable. Les couches d'isolement peuvent être faites sous forme de feuilles de verre mince séparées qui sont perforées ou attaquées de manière appropriée et sont liées au substrat par la chaleur et la pression. Une de ces feuilles pourrait s'étendre 30 au-delà du substrat métallique et porter les connecteurs de bordure. Les conducteurs pourraient être formés par évaporation sous vide, ou en liant des feuilles de métaux minces à l'ensemble, suivi d'une attaque. Les trous pour la connexion de la couche 16, qui est formée par impression sur écran, pourraient être produits 35 par l'impression, bien que l'attaque ultérieure de ces trous soit plus précise. Les deux faces du substrat pourraient être utilisées pour les conducteurs de signaux, bien que ceci augmente grandement le nombre de connexions exigées. Les trous aux emplacements de copeaux 18 pourraient être formés dans la couche d'isolement 4-0 H, les pastilles étant fixées directement au substrat. 69 3687 7 2001970 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 69 3687 s _ 2001970 REVEHDICATIOHS 1 - Unité de oireait électrique comprenant plusieurs couches de conducteurs mutuellement isolés sur un substrat pour interconnecter plusieurs composants de circuit, caractérisée en ce que le substrat est une plaque de métal isolé à. conductibilité 5 électrique et thermique élevée, qui sert de plan d'alimentation et de source froide. 2 - Unité de circuit électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat s'étend au delà des couches d'isolément et des conducteurs, de sorte qu'il peut être fixé à 10 tme conduite de fluide de refroidissement. 3 - Unité de circuit électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'isolement est une matière en verre-céramique. 4 - Unité de circuit électrique selon la revendication 3, 15 caractérisée en ce que le substrat porte les conduoteurs sur un côté et, sur l'autre, un plan d'alimentation auquel des connexions sont faites par l'intermédiaire de fils isolés par une matière en verre-céramique et traversant des trous dans le substrat. 5 - Procédé de fabrication d'une unité de cirouit électri-20 que selon la revendication 4, caractérisée en oe que le s«lsstr&t a une configuration de trous formés dedans,des fils protégés sont placés à travers les trous, l'ensemble est chauffé pour sceller les fils dans le substrat, les surfaces du substrat sont rendues plates par meulage, et les couches de conducteurs sont formées 25 sur le substrat.