Brevet FR2413016A1 — publié le 19790720

La présente invention concerne des circuits imprimés multicouches à collecteur thermique incorporé, comportant notamment une pluralité de nappes de bandes conductrices supportées par des plaquettes isolantes superposées, des trous métallisés dtinterconnexion et des cristaux de dispositifs semi-conducteurs fixés sur des drains écoulant vers le collecteur thermique les calories générées dans les cristaux par le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs réalisés avec les dits cristaux, On sait que pour des circuits multicouches comportant sur une de leurs faces une densité élevée de composants semi-conducteurs donnant lieu chacun à la dissipation d'une certaine puissance électrique se transformant en calories dans chaque composant, le problême de l'évacuation des calories ainsi générées n'est pas facile à résoudre en conservant une température suffisamment basse aux cristaux semi-conducteurs, compatible avec un fonctionnement correct dés dispositifs semi-conducteurs concernés. On connaît par le brevet français N0 2 207 401 une des solutions déjà proposées, consistant à former par électrolyse, couche après couche et pour chaque cristal de dispositif semi-conducteur, à partir d'une plaque radiatrice de chaleur aménagée à la partie inférieure du circuit multicouche, une suite continue de plots bons conducteurs de la chaleur, dont le plot supérieur supporte le cristal dont les calories sont à écouler vers la plaque radiatrice de chaleur. Il est en effet possible de constituer par ce procédé un chemin d'écoulement de la chaleur provenant du cristal vers une plaque radiatrice de chaleur, mais c'est un procédé de fabrication lent, et de ce fait onéreux, qui a par ailleurs l'inconvénient de consommer de l'énergie d'une façon excessive du fait que le drain conduisant la chaleur émanant du cristal vers la plaque ayant un rôle de collecteur thermique# et/ou de radiateur est fabriqué en place, tranche par tranche, par électrolyse. L'invention a pour but, entre autres, de permettre une réalisation rapide et économique des drains de chaleur disposés entre le collecteur thermique incorporé à des circuits multicouches et les cristaux des dispositifs semi-conducteurs du circuit imprimé multicouches. L'invention a également pour but de faciliter la réalisation de drains à haute conductance calorifique. L'invention a aussi pour objectif d'atteindre les buts indiqués ci-dessus avec une consommation d'énergie minimale. Selon l'invent ion les circuits imprimés multicouches à collecteur thermique incorporé, comportant notamment une pluralité de nappes de bandes conductrices supportées par des plaquettes isolantes superposées, des trous métallisés d'interconnexion et des cristaux de dispositifs semi-conducteurs fixés sur des drains écoulant vers le collecteur thermique les calories générées dans les cristaux par le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs réalisés avec les dits cristaux, sont notamment remarquables en ce que les drains précités sont constitués par des pièces métalliques d'une bonne conductibilité calorifique emmanchées à force (emmanchement dur) dans des logements ménagés dans le collecteur thermique associé au circuit multicouche. Il est bien évident que l'utilisation de drains selon l'invention évite le recours à une opération prolongée d'électrolyse, lente et onéreuse, pour la fabrication de drains utilisés, et qu'elle permet en même temps l'économie de l'énergie qui aurait été consommée par l'opération d'électrolyse. Le mode de réalisation des drains thermiques selon l'invention permet également la réalisation de drains dont le diamètre est égal ou supérieur à la hauteur et dont, de ce fait, la conductance calorifique est élevée, ce qui se traduit par une diminution de la température des cristaux des semi-conducteurs et des Jonctions qu'ils comportent, toutes choses égales par ailleurs. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre ce qu'est l'invention et comment elle peut ttre réalisée. La figure unique jointe est une vue en élévation, avec une coupe partielle, d'un élément de circuit multicouches selon l'in vention, la coupe partielle étant effectuée dans le plan de l'axe d'un drain thermique selon l'invention. Sur la figure jointe, l'élément Il de circuit multicouches représenté à grande échelle à titre d'exemple est muni d'une plaque métallique 12, en cuivre par exemple, constituant le collecteur thermique du circuit multicouche. La plaque 12 est munie d'un trou 13 dont le diamètre initial est très légèrement plus faible que celui de la partie inférieure 14 d'un drain thermique t5, en cuivre ou en alliage de cuivre ,dont le corps 1.6 est d'un diamètre supérieur à celui de la partie inférieure 14 dudit drain. Un cristal 17 constituant le substrat d'un dispositif semiconducteur 18 est fizë sur la face supérieure 19 du drain thermique 15 à l'aide d'une très mince couche 20 d'une colle ayant une bonne conductibilité calorifique, par exemple une colle à base de résine époxyde et chargée de poudre d'alumine très fine. L'épaisseur de cette couche de colle peut être, par exemple, d'environ 20 pm. Un tel mode de fixation concilie, d'une manière connue, un isolement approprié du cristal par rapport au drain et un écoulement satisfaisant de la chaleur du cristal 17 vers le drain 15 sans entraîner un écart de température important entre ledit cristal et ledit drain -: à titre indicatif, on a mesuré un écart de température de 1,5 degré Oelsius par watt pour un cristal ayant une surface de 2,8 millimètres carrés. S'il n'est pas nécessaire que le cristal 17 soit isolé du drain thermique 15, le cristal 17 peut alors être soudé sur le drain 15, par exemple à l'aide d'une soudure étain-plomb, ce qui permet alors d'avoir unwécart de température très faible entre le cristal 17 et le drain t5. Le circuit multicouches dont la'élément Il est représenté sur la figure unique Jointe est constitué à partir de cinq plaquettes minces 21, 22, 23, 24, 25 en fibres de verre et résine époxyde, porteuses chacune d'une pellicule de cuivre collée sur une de leurs faces et gravée selon une configuration appropriée. Une ou plusieurs de ces plaquettes peuvent comporter sous la pellicule de cuivre mentionnée-ci-dessus une couche résistive de résistivité (résistance carrée) appropriée permettant la constitution d'un ou de plusieurs réseaux de résistances intégrés dans le circuit multicouches. Des trous à paroi interne métallisée tels que le trou 26 visible sur la figure jointe assurent de façon connue les liaisons galvaniques nécessaires entre les différentes couches du circuit multicouche. Les liaisons électriques nécessaires entre le dispositif semi-conducteur 18 aménagé à la surface du cristal 17 et le circuit multicouches sont assurés à l'aide de fils fins tels que 27 et 28, soudés par thermo-compression ou par ultra-sons sur les plages de branchement du dispositif semi-conducteur 18 et sur les bandes conductrices aménagées sur la face supérieure de la plaquette 21. La liaison mécanique et thermique entre le drain t5 et la plaque radiateur 12 peut entre renforcée par un cordon de soudure 29 disposé dans une fraisure 30 du bord du trou 13 de la plaque 12 formant collecteur thermique. La forme de drain thermique 15 représentée sur la figure unique jointe constitue un exemple donné de mode de réalisation, mais un tel drain peut revêtir des formes différentes : le corps 16 du drain 15 peut notamment être muni de stries longitudinales ménå- geant entre elles des creux facilitant l'infiltration de résine époxyde entre le corps du drain et des plaquettes isolantes ; le drain 15 peut également être d'une section uniforme sur toute sa hauteur. Les opérations de fabrication des circuits multicouches selon l'invention peuvent être précisées comme suit - les plaquettes internes telles que 22, 23 et 24 porteuses d'une pellicule de cuivre ou d'une couche résistive et d'une pellicule de cuivre sont gravées, en un ou deux temps, de façon à aménager les configurations appropriées de bandes et de zones conductrices et de zones et de bandes résistantes. - les plaquettes externes non gravées et les plaquettes internes gravées sont empilées avec interposition, par exemple, de 2 épais seurs de tissu de verre imprégné de résine époxyde, mixes sous presse et chauffées de façon à polymériser la résine et à assem bler les plaquettes. - les trous d'interconnexion sont d'abord percés, puis métallisés. - les pellicules de cuivre des plaquettes 21 et 25 sont gravées (la pellicule de cuivre de la plaquette 25 est sur la face infé- rieure de ladite plaquette). - perçage des trous pour le passage des drains thermiques dans le bloc des plaquettes assemblées. - préparation de la plaque radiateur 12, avec emmanchement dur des parties 14 des drains thermiques 15 dans les trous 13 et dépôt éventuel du cordon de soudure 29 dans la fraisure 30. - mise en place sur la plaque radiateur 12 de deux épaisseurs de tissu de verre pré-imprégné de résine époxyde et comportant les trous nécessaires au passage des drains thermiques. - mise en place du bloc des plaquettes assemblées, pressage et chauffage de l'ensemble (les deux épaisseurs de tissu de verre pré-imprégné assurent l'isolement électrique de la face inférieure de la plaquette 25 vis-à-vis de la plaque radiateur 12 ; l'excédent de résine époxyde s'infiltre dans le jeu radial prévu à cet effet entre les drains et le bloc de plaquettes, et renforce l'assemblage constitué par les drains et les plaquettes) pose des dispositifs semi-conducteurs sur les drains thermiques, par collage ou par soudure. soudure des fils de connexion entre les dispositifs semi-conducteurs et les bandes conductrices de la plaquette 21. Après contrôle du fonctionnement et des caractéristiques des circuits multicouches selon l'invention, la face supérieure des dits circuits multicouches ainsi-que les dispositifs semi-conduc teurs qu'elle comporte est protégée par un revetement isolant ou par un capot, généralement isolant, fixé sur le bloc de plaquettes constituant le circuit multicouches. REVENDICBTIONB 1 Circuits imprimés multicouches à collecteur thermique incorporé, comportant notamment une pluralité de nappes de bandes conductrices supportées par des plaquettes isolantes superposées, des trous métallisés d'interconnexion et des cristaux de dispositifs semi-conducteurs fixés sur des drains écoulant vers le collecteur thermique les calories générées dans les cristaux par le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs réalisés avec les dits cristaux, caractérisés en ce que les drains précités sont constitués par des pièces métalliques d'une bonne conductibilité calorifique emmanchées à force (emmanchement dur) dans des logements ménagés dans le collecteur thermique associé au circuit multicouches. 2.- Oircuits imprimés multicouches à collecteur thermique incorporé, selon la revendication t, caractérisés en ce que la liaison mécanique et thermique entre les drains et le collecteur thermique est renforcée par un cordon de soudure.