Brevet FR2377743A1 — publié le 19780811

La présente invention a pour objet un procede de réalisation de circuits inductifs incorpores à un support de circuits electriques et les circuits inductifs obtenus par la mise en oeuvre dudit procedé. L'invention est applicable aussi bien dans la technique de fabrication des circuits imprimés que dans celle des circuits intégrés et des circuits LSI (circuits intégrés réalisés à grande échelle). Un moyen eslployé jusqu'à présent pour obtenir des inductances sur des circuits à couches minces consiste à utiliser des films comportant des rubans conducteurs plats enroulés en spirale, lesdits rubans étant fixés superficiellement à la carte de circuits. La spirale couvre généralement une aire de forme carrée pour des raisons de commodité d'utilisation des surfaces de la carte. La valeur de ces inductances est faible, de l'ordre de quelques micro Henrys du fait de la médiocre perméabilité magnétique de la zone environnante (air, substrat). Par ailleurs, les transformateurs utilisés dans les dispositifs électroniques tels que par exemple les alimentations stabilisées, ne pouvaient jusqu'à maintenant être "amalgames" aux plaques support de circuits imprimés ou à fortiori de circuits intégrés ; ces transformateurs devaient obligatoirement être utilisés sous forme de circuits discrets d'un poids et d'un volume non négligeable en comparaison avec le degré de microminiaturisation obtenu en technologie des circuits imprimés et surtout des circuits intégrés. Le but de l'invention est de réaliser des circuits inductifs tels que des enroulements selfiques; des transformateurs et des relais, par exemple, en les incorporant au substrat des circuits imprimés ou intégrés. Le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait qu'on utilise un support comportant, au soins localement et dans tout ou partie de son épaisseur, un matériau magnétique et que l'on pratique dans ledit support au moins deux fenêtres, la zone du support située entre les fenêtres formant le noyau magnétique du circuit inductif incorpore au support, ledit circuit inductif étant réalisé par au moins une première plastification totale de la superficie du noyau magné- tique principalement des faces et bords desdites fenêtres, un conducteur étant placé autour dudit noyau de manière a réaliser un enroulement dudit circuit inductif incorporé à la carte. Selon une caractéristique de l'invention, au moins deux fentes parallèles ou obliques sont pratiquées dans une carte de circuits imprimés ou intégrés, ladite carte casportant, dans la totalité ou non de son épaisseur et au moins dans la zone délimitée par lesdites fentes, un matériau magnétique. Selon une autre caractéristique de 11invention la carte subit, au moins dans la zone délimitée par les fentes, un premier enrobage isolant (plastification) suivie par une première metallisatioa de conducteurs localisée dans ladite zone, lesdits conducteurs constituant un enroulement autour de la (ou les) partie (s) du matériau magnétique comprise (s) entre les bords en regard d'une (ou plusieurs) paire (s) desdites fentes, de manière à réaliser au moins un enroulement selfique incorporé à la carte selon une technologie applicable à la réalisation des circuits à couches minces ou à celle des circuits intégrés, Selon une autre caractéristique de l'invention un second enrobage isolant est effectué dans la zone de première métallisation (intetlentes) de la carte, suivi par une seconde métallisation de conducteurs localisée dans ladite zone de manière à réaliser au moins un transformateur incorporé à la carte de circuits. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les deux fentes parallèles communiquent par une troisième fente reliant leurs extrésites d'un même coté, la languette de matériau magnétique ainsi formée recevant un premier circuit selfique imprimé sur première plastification, puis un second circuit conducteur imprime sur seconde plastification, ladite languette étant légè- rement pliée à son extrémité solidaire du plan de la carte et ayant son extré- mité libre prolongée par au mOins un contact relié audit circuit conducteur, de manière à réaliser un relais au noyau magnétique incorporé la carte, ledit relais permettant d'effectuer des commutations électriques entre conincteurs notamment de circuits imprimés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront ris en evidecca au cours de la description de plusieurs formes de réalisation non limitatives de Itinvention données à titre d'exemple à l'aide des figures annexées enumérées après :: - la figure I donne un exemple de la découpe de fentes obtenue sur une carte représentée partiellement plastifiée et partiellement nue, de circuits jiprinés ou intégrés simultanément ou non à l'opération de perçage des trous de fixation et d'interconnexion des circuits double face (poinçonnage) Les figures la, lb, Ic représentent des coupes de la zone de la carte ou est implanté le circuit selfique respectivement, suivant des axes XX,YY, ZZ de la figure I montrant l'enrobage plastique de la carte. - la figure 2 représente soit un circuit selfique incorporé à la carte après une première plastification puis une première métallisation sélective de la zone inter-fentes, soit un transformateur de rapport 1 incorporé la carte. Les figures 2a, 2b représentent des coupes de la zone du circuit selfique respectivement suivant des axes Xx et ZZ de la figure 2 montrant l'enrebage plastique de la carte et la métallisati0n du circuit conducteur ainsi que la métallisation d'un trou. - la figure 3 représente un transformateur incorporé de rapport différent de l. Les figures 3a, 3b représentent des coupes de la zone du circuit selfique respectivement suivant des axes XX et YY de la figure 3 montrant l'obtention d'un double enrobage alterné plastifié et métallisé de la zone, et l'obtention d'un trou métallisé à double plastification. - les figures 4 à 9 représentent les différents stades de réalisation d'un transformateur incorporé à la carte de circuits imprimés ou intégrés. - les figures 10 et 11 représentent un relais commutateur de circuits imprimés. La carte support de circuits imprimés utilisée pour la confection de circuits inductifs selon l'invention est découpée dans une plaque de fer ou d'alliage magnétique dont une partie hachurée 1 est représentée figure 1. On aménage dans cette plaque des fentes parallèles 2 et 3, la zone métallique inter-fentes constituant le noyau magnétique 4 du circuit inductif à réaliser. Pratiquement on réalise en une seule opération de poinçonnage la découpe de la carte et des fentes, ainsi que la perforation des trous permettant l'interconnexion des circuits double-face. Les bords des fentes délimitant le noyau magnétique comportent préfé- rentiellement une crénelure 5. La superficie de la plaque ainsi que les bords de découpe des fentes 2, 3 et des créneaux 5 sont recouverts d'une couche mince d'un matériau isolant 6, par exemple par i#inersion de ladite plaque dans un bain de plastique liquéfié. L'espacement des créneaux détermine le pas des spires conductrices 7 (figure 2) formées par des bandes disposées parallèlement sur chaque face plane du noyau magnétique plastifié et contournant le fond des créneaux de manière à établir une continuité métallique en hélice 12 autour dudit noyau. Lorsqu'un courant parcourt les spires, un flux magnétique circule dans la zone du matériau magnétique entourant les fenetres, ladite zone déterminant un circuit magnétique. Les spires peuvent être réalisées soit en fils conducteurs fins à brin unique ou à brins multiples, soit en rubans métallisés selon la technique des circuits imprimés ou intégrés, soit en rubans rapportés sur la carte par exemple collés. La figure 2 représente un circuit selfique incorporé à une carte support, ledit circuit étant réalisé en circuits imprimés, les traits tiretés montrant le trace du ruban conducteur sur la face opposée de la carte. Les créneaux 5 ont pour but d'éviter les courts-circuits par effet de pont entre spires consécutives au niveau du contournement, par le ruban conducteur, des bords des fentes délimitant le noyau magnétique. Chaque bande 7 relie les créneaux en regard sur chaque face plane du noyau magnétique, chaque extrémité desdites spires comportant une partie conductrice 8 débordant autour du créneau de manière, d'une part, à améliorer la surface conductrice de contournement du créneau et, d'autre part, à augmenter le couplage entre spires. La découpe du noyau magnétique peut comporter des empiètements tels que 9,10 (figure 1) sur la largeur des fentes, lesdits expiètements pouvant être pourvus par exemple d'un trou métallisé 9a, 10a dont la périphérie comporte une pastille conductrice 1 1 reliée à la partie 8 débordante d'un créneau (figure 2), ceci afin d'obtenir des bornes intermédiaires sur le circuit inductif. La figure 3 représente un transformateur de rapport différent de 1 réalisé en circuits imprimés et dont le noyau magnétique est incorporé à la carte. Les traits tiretes laissent entrevoir des portions du circuit primaire (ou secondaire) du transformateur, ledit circuit étant réalisé par exemple selon le tracé du conducteur en hélice 12 de la figure 2. Ce circuit est caché par une seconde couche isolante 13 localisée dans la zone du noyau magnétique et des fentes (seconde plastification du noyau). Les bandes conductrices 14 représentent les parties apparentes du circuit secondaire (ou primaire) dudit transformateur. Les bandes conductrices 15 en traits tiretés représentent les parties cachées dudit circuit secondaire (ou primaire) constitué sur la face plane opposée du noyau magnétique après la seconde plastification dudit noyau. Les bandes 14 et 15 sont par exemple des circuits imprimés obtenus par une seconde métallisation effectuée en superficie de la seconde couche plastifiée 13. Le rapport de transformation différent de 1 est obtenu par des ponts conducteurs 16 établissant un court-circuit aux extrémités d'au moins deux bandes conductrices voisines, reliant les bords en regard des fentes ou des créneaux, d'une même face du noyau magnétique, ledit court#ircuit permettant une augmentation de la surface conductrice des bandes. Les ponts non reliés aux bornes 17, 18 du circuit secondaire (ou pris ire) du transformateur sont prolongés d'une longueur double de manière à obtenir une continuité conductrice des bandes du recto (ou du verso) du noyau magnétique avec les bandes du verso (ou recto) dudit noyau. Une pastille conductrice telle que 19 constitue une borne intermédiaire du transformateur. Les figures la, 2a > 3a représentent une coupe du noyau magnétique 4 selon axe Xx respectivement des figures 1, 2 et 3 montrant les couches alternées isolantes et conductrices obtenues aux différents stades de réalisation d'un encoibrement selfique (figures la et 2a) ou d'un transformateur (figure 3a). Les figures lb et 3b représentent une coupe d'un enpièteeent 9 du noyau magnétique sur la fente 2 selon un axe Y-Y respectivement des figures 1 et 3, montrant les phases d'obtention d'un trou métallisé à double plastification tel que celui de la borne intermédiaire 19 ou des bornes 17 et 18 du transforuateur. Les figures lc et 2b représentent une coupe d'un elpiètement 10 du noyau magnétique sur la fente 3 selon un axe Z-Z respectivement des figures 1 et 2, montrant les phases d'obtention d'un trou métallisé à simple plastification tel que celui de la borne intermédiaire 11 du circuit inductif. La plastification des faces de la carte ainsi que des bords des trous et des fentes peut être obtenue par plusieurs procédés connus tels que par exemple, immersion, poudrage électrostatique, électrophorèse. Les différents stades de réalisation de circuits inductifs (enroulements selfiques et transformateurs) sont représentés sur les figures 4 a 9. La figure 4~représente la carte après poinçonnage (trous et fentes) et première plastification. La découpe des fentes est réalisée simultanément au perçage des trous, en une seule opération de poinçonnage. La figure 5 représente le circuit imprimé inductif selon l'invention et son raccordement au circuit imprimé classique. Ces deux types de circuits sont réalisés en meme temps lors d'une opération de première métallisation dite "photo-sélective" permettant d'obtenir par des moyens connus un "patron" métallisé directement sur matière plastique sans utilisation de photo-résist ou de sérigraphie. Seules les parties insolées acceptent un dépôt chimique de cuivre (procédé Photoforming - Photocircuit, utilisant l'action directe de la lumière sur certains métaux en présence d'un photosensibilisateur ; procédé PDR de PhilipS utilisant les propriétés photo-chimiques de certains oxydes). La figure 6 représente la carte ayant subi une deuxième plastification sélective dans la zone du noyau magnétique, c'est-à-dire sur la partie destinée à recevoir une seconde métallisation. Cette opération de seconde plastification est effectuée en utilisant un masque permettant d'éviter de déposer une couche isolante sur les conducteurs 20 et les pastilles 21 du circuit imprimé classique. La zone ombrée 22 des figures 7 et 8 représente un revêtement protecteur contre l'oxydation. Ce revêtement est appliqué temporairement sur toutes les zones comportant des pastilles 21 de première métallisation devant par la suite entre reliées directement à des composants et, par conséquent, conserver une bonne soudabilité. Ce revêtement peut être constitué par un film photosensible appliqué par pression à chaud. La figure 8 représente la carte après l'opération de seconde métallisation permettant de réaliser le second enroulement (secondaire ou primaire) du transformateur. La figure représente un nombre de spires différent pour le second enroulement que pour le premier mais on pourrait utiliser le meme tracé pour le second enroulement que pour le premier. La figure 9 représente la carte de circuits imprimés avec le transformateur incorporé. La protection temporaire sur le circuit imprimé a eté enlevée pour obtenir le schéma définitif. Le#s figures 10 et 11 représentent respectivement une vue de dessus et une vue de profil d'un relais commutateur de circuits imprimés, le noyau ma magnétique dudit relais étant incorporé à la carte de circuits imprimés. Dans une carte en matériau magnétique on découpe deux fentes parallèles 30 et 31 et une fente plus mince 32 perpendiculaire aux extrémités d'un même c#té desdites fentes. La carte ayant subi une première plastification 6, on "imprime" sur les faces et les bords latéraux de la languette 33 délimitée par les fentes, un circuit inductif représenté en tireté et dont les extrémités 34 et 35 sont reliées à des bornes pouvant recevoir un courant d'alimentation. Un circuit conducteur 36 est également imprimé sur la carte au delà de la fente 32 et dans le prolongement de l'axe de symétrie de la languette 33. On effectue ensuite une seconde plastification 13 sur une face de la languette et dans son prolongement solidaire au plan de la carte. Un conducteur 37 est alors imprimé, par une opération -de seconde métallisation, sur ladite languette et son prolongement, suivant l'axe de symétrie de ladite languette. La languette 33 subit ensuite une contrainte mécanique à son extrémité solidaire du plan de la carte, ce qui lui fait prendre une position oblique par rapport audit plan. Une labelle métallique flexible 38, fixée à l'extrémité libre de la languette 33, porte à son extrémité libre un contact 39. Lorsqu'un courant circule entre les extrémités 34 et 35 du circuit inductif, le champ magnétique induit repousse la languette dans le plan de la carte et le contact 39 établit une continuité électrique entre les conducteurs 36 et 37. La languette 33 constitue la palette commutatrice du relais incorporé à la carte selon l'invention, ladite palette supportant le bobinage et faisant office de noyau magnétique. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisations décrites et représentées qui n'ont été données qu a titre d'exemple. On peut, notamment obtenir un transformateur à noyau magnétique incorporé selon l'invention, au moyen d'une seule plastification suivie d'une seule métallisation d'au moins deux circuits selfiques développés côte à côte sur un remue noyau nagnétique. On peut encore, sans sortir du cadre de l'invention utiliser des moyens techniques différents permettant d'effectuer des réalisations équivalentes à celles décrites, mais suivant une autre technologie. On peut, par exemple réaliser des circuits inductifs incorporés aux cartes de circuits intégrés à grande échelle (LSI) en procèdant par des moyens techniques donnant des résultats analogues à ceux utilisés pour les cartes de circuits inorinés. C'est ainsi que l'opération de poinçonnage des fentes délimitant le noyau ~magnétique, pourra être avantageusement remplacée par un découpage desdites fentes au laser afin de respecter la micro-miniaturisation propre à la technologie des circuits ISI. REVENDICATIONS 1/ Procédé de réalisation de circuits inductifs incorporés à un support de circuits électriques, notamment à une carte de circuits imprimés ou de circuits intégrés, caracterise par le fait qu'on utilise un support comportant, au moins localement et dans tout ou partie de son épaisseur, un matériau magnétique et que lton pratique dans ledit support au moins deux fenêtres, définissant un circuit magnétique > la zone du support située entre les fenêtres formant le noyau magnétique du circuit inductif incorporé au support, ledit circuit inductif étant réalisé par au moins une première plastification totale de la superficie du noyau magnétique, principalement des faces et bords desdites fenêtres, un conducteur étant placé autour dudit noyau de manière à réaliser un enroulement dudit circuit inductif incorporé à la carte. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement autour du noyau magnétique est réalisé au moyen d'une première métallisation partielle autour dudit noyau afin de réaliser un enroulement selfique selon une technologie applicable à la réalisation des circuits à couches minces ou à celles des circuits intégrés. 3/ Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des échancrures ou créneaux (5) sont aménagés sur les bords du noyau magnétique (4). 4/ Procédé selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une troisième fente est pratiquée dans la partie du support définissant le circuit magnétique, ladite troisième fente débouchant aux extrémités d'un même cté des deux premières fentes de façon à constituer une languette (33) ladite languette et son enroule- ment constituant un circuit selfique non saturable. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un premier circuit selfique étant imprimé en première métallisation sur la languette (33), on applique une contrainte mécanique à l'extrémité de ladite languette solidaire du plan de la carte, ladite languette prenant une position oblique par rapport au plan de la carte de manière à constituer une palette de relais. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à chaque extrémité des spires de ltenroulement, au droit d'un créneau, est réalisée une partie conductrice débordante (8) autour du créneau. 7/ Procédé selon l'une des revendications i à 3 ou 5, caractérisé par le fait qu'une seconde plastification du noyau magnétique suivie d'une seconde métallisation d'un second circuit selfique analogue au premier permet de réaliser un transformateur incorporé. 8/ Procédé salon'l'une des revendications 1 à 3 ou 5, caractérisé par le fait qu'un transformateur incorporé à la carte peut être réalisé au moyen d'une seule plastification suivie d'une seule métallisation d'au moins deux circuits selfiqu développés' côte à cote sur un meme support magnétique. 91 Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que, après avoir pratiqué une 3ème fente dans le support à matériau magnétique de manière à former une languette (33), un premier circuit selfique est, après première plastification de la carte, imprimé en première métallisation sur ladite languette, un second circuit conducteur (36) étant imprimé en première metallisation sur la carte dans le prolongement de l'extrémité libre de la languette et un troisième circuit conducteur (37) étant imprime, après seconde plastification de la languette et de son prolongement côté solidaire de la carte, sur ladite languette et ledit prolongement, une lamelle métallique flexible (38) étant fixée à l'extrémité libre de ladite languette et un contact (39) étant fixé a l'extrémité libre de ladite lamelle, la languette (33) subissant une contrainte mécanique à son extrémité solidaire du plan de la carte de manière à prendre une position oblique par rapport audit plan, un courant circulant dans le circuit selfique entraînant un escamotage de la languette dans le plan de la carte et l'etablissement d'une commutation entre les circuits conducteurs (36, 37) de première et seconde métallisation de sorte que l'on obtient ainsi un relais cnTmuàteur au noyau magnétique incorporé à la carte de circuits imprimés ou intégrés. 10/ Procédé de réalisation de circuits inductifs sur une carte en alliage magné- tique selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes successives suivantes ai Poinçonnage : découpe en tme seule opération de la carte ainsi que des trous et des fentes de ladite carte. b/ Première plastification totale de la carte ci Première métallisation réalisation en une meme opération du circuit iwr primé de la carte et d'un circuit selfique incorporé obtenu par métallisation d'un conducteur autour du noyau magnétique dudit circuit selfique délimité par la zone inter-fentes. d/ Deuxième plastification sélective de la carte Plastification de la zone inter-fentes et de son prolongement immédiat ; Utilisation d'un masque protégeant de cette seconde plastification les circuits imprimés classiques de la carte tandis que le circuit selfique est isolé sous cette seconde couche plastique. e/ Epargne : application d'un masque-de protection temporaire contre l'o2y- dation sur toutes les zones comportant des pastilles de première métallisation devant par la suite être reliées à des composants et donc devant conserver une bonne soudabilité. fi Deuxième métallisation : réalisation d'un second circuit imprimé selfique dans le cas d'un transformateur incorporé à la carte ou d'un conducteur dans le cas d'un relais incorporé à la carte 11/ Circuit inductif obtenu au moyen du procédé selon la revendication 1, caractérisé Par le fait que les fenêtres sont constituées par au moins deux fentes parallèles ou obliques dont les bords en regard comportent des créneaux (5) préférentiellement disposés en quinconce, lesdits créneaux constituant le pas des spires réalisées au moyen d'impressions de parties parallèles d'un ruban conducteur, lesdites parties reliant les extrémités des créneaux de chaque face du noyau#l# orientation desdites parties de ruban de chaque face étant différente et lesdites parties étant réunies par métallisation au niveau du fond des créneaux de manière à obtenir un ruban continu spiralé autour du noyau* l'ensemble ruban-noyau constituant un circuit selfique incorporé à la carte de circuits imprimés ou intégrés. 12/ Circuit inductif obtenu au moyen du procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le noyau magnétique comporte au moins une seconde plastification et au moins une seconde métallisation d'un second circuit selfique analogue au premier, de manière à réaliser un transformateur incorporé. 13/ Circuit inductif obtenu au moyen du procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le second circuit selfique peut comporter des ponts conducteurs (16) établissant une continuité aux extrémités d'au moins deux bandes~(14) conductrices voisines reliant les bores en regard des fentes ou des créneaux d'une mEme face du noyau magnétique, de manière à réaliser un transformateur incorporé de rapport différent de 1. 14/ Circuit inductif selon les revendications 12 et 13, caractérisé par le fait que la découpe du noyau magnétique comporte des empiètements (9, 10) dudit noyau sur la largeur des fentes, chaque empiètement comportant un trou métallique à simple ou double plastification selon que lton désire obtenir des bornes inter médiaires sur le premier ou (et) sur le second circuit selfique incorporé, la pastille (11 ou 19) du trou métallisé étant reliée à une extrémité d'une bande (7 ou 14) conductricè. 15/ Circuit inductif obtenu au moyen du procédé selon les revendications 4, 5 et 9 caractérisé par le fait que deux fentes parallèles et une fente étroite perpendiculaire déterminent une languette (33) dans le support à matériau magnétique, ladite languette comportant un premier circuit selfique imprimé en première métallisation Après première plastificatio#n de la carte, ladite carte comportant un second circuit conducteur (36) imprimé en première métallisation dans le prolongement de l'extrémité libre de la languette, ladite languette et son prolongement cté solidaire, de la carte.comportanr un troisième circuit conducteur (37) imprimé après seconde plastification de ladite languette et dudit prolongement, l'extrémité libre de la languette comportant une lamelle métallique flexible (38) dont l'extré- mité libre est pourvue d'un contact (39) > l'extrémité de la languette solidaire du plan de la carte subissant une contrainte mécanique de manière à prendre une position oblique par rapport audit plan, un courant circulant dans le circuit selfique entraînant un escamotage de la languette dans le plan de la carte et ltétablis- sentent d'une commutation entre les circuits conducteurs (36, 37) de première et seconde métallisation, de manière à réaliser un relais commutateur au noyau magnétique incorporé à la carte de circuits imprimés ou intégrés.