Brevet FR2130098A1 — publié le 19721103

Cette invention se rapporte à des structures de lignes de transmission en forme de bandes, et plus particulièrement à des configurations de telles structures améliorées qui fonctionnent comme des lignes de transmission avec des caractéristiques électriques et de fabrication améliorées. 5 Si l'on veut que les systèmes d'ordinateur tirent un bénéfice maximum des récentes augmentations de vitesse dans les circuits intégrés, les délais de connexions entre les circuits doivent être réduits. Les circuits intégrés actuels à très grandes vitesses ont des temps de commutation de l'ordre de 1 nanoseconde ou moins. Cette vitesse ne peut pas être utilisée de façon 10 efficace dans un système si les délais de connexions entre les circuits sont supérieurs. Avec le verre époxy utilisé de façon habituelle, une connexion de 15cm a un délai de 1 nanoseconde. La réduction de la longueur des connexions, donc des délais de connexion exige des structures ayant de nombreuses interconnexions. Cependant, même 15 avec ces structures à microinterconnexions, il faudra tenir compte pour l'élaboration des connexions, étant donné la rapidité des nouveaux circuits, de facteurs tels que les impédances de ligne, les réflexions de charge et la diaphonie des signaux. Il faut tenir compte de façon plus sévère des interférences, parce que, une erreur de commutation avec des circuits rapides 20 nécessite que peu d'énergie parasite. En outre, l'augmentation de la densité des interconnexions augmente généralement le couplage qui à son tour augmente les interférences. La tendance actuelle, dans les ordinateurs, qui consiste à microminiaturiser ce qui implique une plus grande possibilité de composants à l'intérieur 25 de volumes de plus en plus petits, crée un autre problème. Cette tendance entraîne des problèmes tels que le maintien d'impédances caractéristiques uniformes tout en essayant de réduire la taille de l'emballage. Bien que les lignes de transmission faites par des techniques de circuits imprimés à plusieurs couches soient des moyens sûrs pour la transmission 30 de signaux à haute fréquence, différents aspects des opérations de laminage doivent cependant être pris en considération. Parmi les facteurs de laminage qui peuvent avoir une importance critique il y a la position des couches, l'épaisseur entre les couches, l'épaisseur totale de l'ensemble ainsi que les caractéristiques de déformation et de torsion des conducteurs et de 35 toute la structure de carte de circuit dues à la pression et/ou aux températures appliquées pendant les processus de laminage des matériaux. Dans le cadre de cette invention on fournit des structures de lignes de transmission en forme de bandes à trois plaques capables de transmettre efficacement des signaux hautes fréquences à l'intérieur d'un ensemble de 40 traitement de l'information. Ces structures de lignes de transmission sont 72 04900 2 2130098 adaptées aux exigences de microminiaturisation des développements technologiques actuels. La fabrication des lignes implique l'utilisation de deux matériaux différents comme milieux diélectriques. La base ou noyau est un matériau 5 tel du verre époxy [constante diélectrique = 4,4) ou du polyimide (constante diélectrique = 3,5) l'un et l'autre ayant une température de fusion ou de ramollissement fortement différente de celle du deuxième matériau, ils sont utilisés pour apporter à la construction une stabilité mécanique pendant la fabrication. Les couches diélectriques extérieures utilisent 10 un matériau à constante diélectrique relativement basse tel du FEP téflon (constante diélectrique =2,1) ou du polyethylène (constante électrique = 2,35) qui fournit les caractéristiques électriques les plus recherchées. Comme les points de fusion sont différents pour les couches intérieures et extérieures, le laminage et la commande des positions de conducteur sont 15 améliorées. La structure à triple plaques différentes permet la transmission simultanée de signaux dans les deux plans "X" et "Y", ce qui permet des transmissions orthogonales sans couplage important et permet également l'interconnexion de contacts arbitraires sur la carte. Un objet principal de cette invention est de permettre la fabrication 20 de lignes de transmission à plusieurs couches utilisant des matériaux diélectriques différents, ayant des constantes diélectriques différentes, pour obtenir une structure et un rendement meilleurs. ~ Un autre objet de cette invention est de fournir une technique facile pour produire des lignes de transmission en forme de bande. 25 Un autre objet de cette invention est de fournir une ligne de transmission ayant une construction diélectrique double. Un autre objet encore est de fournir des lignes de transmission de bande ayant une impédance relativement uniforme, une structure moins épaisse, des délais de transmission améliorés et des caractéristiques d'interférence 30 (diaphone) diminuées. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent.un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 est une vue éclatée d'une ligne de transmission à trois 35 plaques construite conformément à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'une ligne de transmission construite conformément à l'invention. La figure 3 est une vue en coupe d'uBe structure panneau à circuits rrulti-couches contenant des lignes de transmission. 40 La figure 4 montre les effets électriques causés par le changement 72 04900 3 2130098 de matériau diélectrique. La figure 5 montre comment le délai de transmission peut être affecté par le choix de matériaux ayant des constantes diélectriques différentes. La figure 6 est une vue plane pour montrer les avantages présentés 5 par des espacements de ligne plus étroits et que l'on peut obtenir dans une structure de ligne de transmission de 90 ohms en utilisant des matériaux diélectriques doubles. Nous nous référons à la figure 1, elle montre la structure d'une ligne de transmission de bande à trois plaques qui comprend une première pièce 10 diélectrique 10 à laquelle est lié un élément de plan de masse ou conducteur de masse 11, une seconde pièce diélectrique 12 ayant également un élément de plan de masse ou conducteur de masse 13 qui lui est soudé, et une troisième pièce diélectrique 14 ayant un ou plusieurs éléments de signal de plan "X" 15 fixés à un côté de celui-ci et/ou plusieurs éléments de signal 15 de plan "Y" 16 fixés de l'autre côté de celui-ci. La pièce diélectrique du milieu 14 est prise en sandwich entre les deux pièces diélectriques extérieures 10 et 12 et elles sont soudées ensemble par utilisation combinée de la chaleur et de la pression et grâce à l'utilisation d'un mince film de résine. Des connexions à ce montage peuvent se faire soit au bord du 20 module ainsi constitué soit à des emplacements souhaités intermédiaires de celui-ci. Différents essais ont montré qu'une telle structure pouvait être faite de façon avantageuse suivant au moins deux procédés. Dans le premier procédé de fabrication, on commence avec une pièce diélectrique 14 en verre époxy 25 avec un matériau ayant l'épaisseur convenable Cdans la réalisation préférée la pièce a une épaisseur de 0,1mm). Une feuille de cuivre du type 14,17g (0,50z) est alors soudée aux deux faces du matériau diélectrique en verre époxjr. Puis, par des procédés chimiques bien connus dans le domaine des circuits imprimés, les lignes de signal 15 et 16 des plans "X" et "Y" peuvent 30 être gravées et formées. Ensuite a lieu le laminage des pièces 10 et 12 en FEP Téflon de 0,1mm d'épaisseur aux deux côtés du verre époxy et des structures de lignes de signal 14, 15 et 16, respectivement. Puis ou simultanément, les plans de masse sous forme de feuilles de cuivre 11 et 13 sont laminés aux pièces diélectriques en FEP Téflon 10 et 12, et fixés à ces der-35 niers par l'utilisation d'une résine ou simplement par la chaleur. Nous nous référons maintenant à la figure 2, des connexions électriques aux éléments de signal conducteurs intérieurs 15 et 16 de la structure laminaire peuvent être effectuées en formant un trou dans la structure en sandwich puis en posant des plaques métalliques conductrices, sur les parties intérieu-40 res du trou signal 17 dit "via" par des moyens de galvanoplastie appropriés. 72 04900 4 2130098 Une zone de connexion 10 de type "oeillet" peut être gravée autour des "vias" de signal 17 pour faciliter les opérations de connexion électriques. Nous nous référons maintenant à la figure 1, la deuxième méthode pour fabriquer une structure de ligne de transmission à trois plaques commence 5 par mettre en oeuvre deux pièces diélectriques en FEP Téflon 10 et 12 ayant chacune une feuille de cuivre de type 14,17g (50z) fixées sur les deux côtés pour fonctionner comme les plans de masse 11 et 13. Un côté de la pièce diélectrique 10 est gravé pour former les lignes de signal de plan "X" 15, et l'autre pièce 12 est gravée pour former les lignes de signal de 1° plan "Y" 16. On peut ensuite fabriquer une structure de ligne de transmission à trois plaques par laminage avec une pièce 14 de verre époxy non traité de 0,1mm d'épaisseur entre les pièces diélectriques de FEP Téflon 10 et 12, suivi d'une opération de traitement. D'une façon similaire, les trous de signal "via" 17 peuvent être percés, revêtus de métal et gravés pour 15 fournir des moyens d'interconnexions électriques. Certains priniopes de base sont communs à toutes les structures de ligne de transmission II faut connaître ces principes pour comprendre pourquoi le rendement du circuit dépend en grande partie des propriétés diélectriques et des dimensions. Par exemple, lorsque le diélectrique est un solide et 20 non de l'air. La vitesse ou rapidité de propagation à laquelle une onde électrique se propage le long de la ligne de transmission est réduite et il en est ainsi pour la longueur d'onde. La constante diélectrique commande la rapidité de propagation dans une structure de ligne de transmission. Dans ce domaine des matériaux non magnétiques on suppose une perméabilité de 25 p=i. Pour une caractéristique d'impédance désirée, les éléments de circuit de ligne de transmission doivent avoir un certain rapport physique et dimen-sionnel. Une façon de réduire l'épaisseur requise de la structure de ligne de transmission à trois plaques est de diminuer la constante diélectrique Er. Bien que cela semble évident, la diminution de l'épaisseur doit se 30 faire sans sacrifier les autres caractéristiques désirées telle qu'une résistance de ligne faible. Ceci ne s'est pas révélé être facile. La corrmande de la constante diélectrique Er est donc une condition fondamentale et essentielle. La constante diélectrique Er est une propriété déterminante pour toute 35 réalisation de ligne de transmission. Cependant, l'épaisseur du diélectrique est également importante. L'épaisseur affecte "l'impédance caractéristique" Zo qui est un paramètre fondamental pour tous les circuits de ligne de transmission. L'impédance caractéristique Zo dépend de la constante Er du diélectrique, de la largeur et de l'épaisseur des bandes de conducteurs ^ de signal, et de l'épaisseur des couches diélectriques. 72 04900 5 2130098 Dans les structures de ligne de transmission de bande, il faut introduire les signaux dans la structure, les extraire et les faire avancer à travers les différents éléments composants de façon satisfaisante. Les impédances caractéristiques Zo souhaitables pour les lignes de transmission de bande 5 sont habituellement comprises entre 3D et 100 ohms. L'impédance caractéristique des lignes de transmission peut être déterminée au moyen de programmes d'ordinateur appropriés qui tiennent compte des limites des conducteurs, les interfaces diélectriques et des constantes diélectriques. Une première version d'un programme approprié est décrite dans "L'IBM Research and Develop-10 ment JOournal" Mai 1969, pages 314-322. Grâce à l'utilisation du programme, les dimensions géométriques et les constantes diélectriques peuvent être choisies pour réaliser les impédances désirées, et pour expérimenter les effets des changements sur chacun des paramètres. L'impédance caractéristique est très sensible à tout changement 15 de l'épaisseur du diélectrique, aux dimensions du conducteur et aux constantes diélectriques. On doit également prendre en considération les caractéristiques d'interférence (diaphonie). L'interférence est le couplage non désiré d'énergie entre les trajectoires de signal. Ce transfert, non voulu, d'énergie entre 20 les lignes de signal provient du couplage inducteur et du couplage capacitif entre les lignes de signal et est fonction de la longueur des lignes, de l'espacement entre celles-ci 'ainsi que de la constante diélectrique. Grâce également à l'utilisation du programme d'ordinateur mentionné plus haut un technicien dans ce domaine peut calculer les coefficients et avoir un 25 contrôle sur ces interférences. La figure 2 est une vue en coupe d'une structure de ligne de transmission .à trois plaques caractérisant une construction diélectrique double. Les tableaux suivants montrent les avantages au point de vue de l'épaisseur pour les lignes de transmission ayant respectivement une impédance caractéris-30 tique Zo de 50 ohms et de 90 ohms. La largeur du conducteur W est de l'ordre de 0,1rrm et l'épaisseur est de l'ordre de 0,02mm (14,17g de Cu) dans tous les cas. Ligne de 50 ohms Dimension double diélectrique (FEP et E/G) Tout verre 35 B C(ensemble) A D 0,1016mm 0,0762mm 0,254 mm 0,0079mm époxy EG 0,1016mm 0,1010mm 0,3040mm 0,1270mm 72 04900 6 2130098 Ligne de 90 ohms Dimensions A B C (ensemble] D double diélectrique (FEP et E/G) 0,1016mm 0,3046mm 0,7112mm 0,2794nm Tout verre époxy 0,1016mm 0,6604mm 1,4224mm Q,5080nm Pour montrer combien certaines de ces dimensions sont déterminantes, le programme d'ordinateur a été utilisé pour générer le tableau suivant 10 de sensibilités d'impédance pour une structureldiélectrique à double. (W = 4) = 199 ohms/mm 3W (B = 3) = 298 ohms/mm dti (A = 4) = 29,8 ohms/imt Dans lequel W est la largeur du conducteur et A et B sont les épaisseurs 15 du verre époxy et du FEP comme cela est indiqué sur la figure 2. La figure 3 montre de façon générale commefct la structure de base décrite à la figure 1 peut être réalisée dans une forme pratique. La face inférieure de la structure, sert au montage des composants, en particulier le trou dit "signal untact" est destiné à recevoir les broches "signal" dudit 20 composant. La face supérieure restant accessible pour des changements d'ordre technique, le trou "signal contact" peut être électriquement relié à un trou "XY" adjacent au dernier pouvant même être connecté à une ou plusieurs lignes de conducteur interne. Ceci facilite les changements d'ordre technique et évite la nécessité de retirer les composants . En d'autres termes la connexion 25 supérieure entre le trou "signa contact" au trou'"XY" peut être coupée et un fil discret remplace la connexion interne. Une telle disposition supprime les objectures que l'on pourrait faire au* structures triple classiques. La broche introduite dans le trou "masse" représente une possibilité de connexion d'un composant inséré dans ledit trou. Une opération de soudure permet de 30 fixer définitivement ce composant. La figure 5 montre comment les caractéristiques de délai de transmission peuvent être affectées par le choix de matériau ayant une constante diélectrique Er différente, (point E: verre époxy à trois plaques, point F: struc 72 04900 7 2130098 ture à trois plaques à diélectrique double, point G: coaxial Téflon. La figure 4 montre où la densité d'énergie est la plus forte (région 2) et où se répercutera de la façon la plus forte un changement de diélectrique dans une structure de igne de transmission. C'est-là que le FEP Téflon 5 doit être substitué au verre époxy. En outre, pour maintenir l'impédance caractéristique Zo, les espacements ligne/plan de masse sont réduits. Ceci permet une diminution des caractéristiques d'interférence particulièrement pour les structures de 90 ohms. En d'autres termes, quand D= 0,2794, cette séparation de ligne à ligne peut être utilisée avec les mêmes niveaux d'in-10 terférence dans le cas d'une double constante diélectrique qu'avec une séparation de 0,5080mm lorsqu'un matériau diélectrique de verre époxy est utilisé le résultat de la structure unique réside dans le fait que l'épaisseur totale des trois plaques pour une impédance caractéristique de 90 ohms est réduite de 1,4224mm à 0,7112mm. Il résulte un double avantage 15 dans l'emballage. L'espacement 45+D entre les contacts de carte peut être réduit lorsque D est réduit de 0,5080mm à 0,2794mm comme cela est indiqué sur la figure 6, en outre, la rapidité de propagation est augmentée ce qui présente des avantages au point de vue performances. Dans une réalisation type, le rapport d'espacement peut être amélioré de 1,6510mm/1,4224mm et 20 le rapport de délai de 185 psc/in.à 145 psec/in. De ce fait le gain net est le produit des rapports ou 1,48. Mais la résistance série et la diaphonie sont restées constantes. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un 25 mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 72 04900 8 2130098 REVENDICATIONS 1.- Structure multicouches de lignes de transmission, caractérisée en ce qu'elle comprend: a) une première couche formée par un premier milieu diélectrique de 5 constante diélectrique b) au moins un élément conducteur de signal, d'une section et d'une première orientation X déterminées fixé sur un premier côté de ladite première couche diélectrique, c) au moins un élément conducteur de signal, d'une section et d'une 10 seconde orientation Y déterminées fixé sur le côté opposé audit premier côté, d) une seconde et une troisième couches formées chacune par un second milieu diélectrique d'une constante diélectrique Er^ telle que cette dernière soit inférieure à la constante diélectrique Er^, lesdites seconde et troi- 15 sième couches venant couvrir de part et d'autre lesdits côtés de ladite première couche diélectrique, e) une première et une seconde feuilles minces de matériau conducteur fixées sur la face externe du module ainsi constitué, c'est-à-dire sur les surfaces libres desdites seconde et troisième couches, pour être utilisées 20 comme plans de masse, de telle sorte que chacun des éléments de signal X ou Y en coopération sur son plan de masse respectif opère dans les conditions d'une ligne de transmission. 2.- Structure multicouches selon la revendication 1 dans laquelle on prévoit des moyens d'interconnexion pour relier électriquement entre eux de façon 25 appropriée les éléments de signal d'une première orientation et/ou il'une seconde orientation. 3.- Structure multicouches selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle la première et seconde orientations sont approximativement orthogonales. 4.- Structure multicouches selon l'une quelconque des revendications ci-30 dessus dans laquelle les premier et second milieux diélectriques sont constitués à partir d'un matériau thermoplastique. 5.- Structure multicouches selon l'une quelconque des revendications ci-dessus dans laquelle le premier milieu diélectrique est choisi dans le groupe comprenant le polyimide et le verre époxy. 72 04900 9 2130098 6.- Structure multicouches selon l'une quelconque des revendications ci-dessus dans laquelle le second milieu diélectrique est choisi dans le groupe comprenant le polyithylène et le FEP Téflon. 7.- Empilement de structures multicouches de lignes de transmission caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux structures multicouches du genre défini à l'une quelconque des revendications ci-dessus.