Brevet FR2464010A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne les structures de circuit à plusieurs couches et, en particulier, la réalisation d'intercon- nexions entre les circuits des différentes couches. Ces structures de circuit sont ordinairement constituées d'une pile de plaquettes de circuit imprimé qui peuvent être à une seule face ou à double face. Des blocs conducteurs sont formés sur les plaquettes de circuit aux points des circuits qu'il est néces- saire d'interconnecter. Les blocs sont alignés à l'intérieur de la pile à plusieurs couches et des interconnexions sont formées par percement de la pile au niveau des blocs et placage des parois internes des trous. Toutefois, lorsqu'on utilise cette technique, la densité des interconnexions se trouve limitée par la dimension des blocs, lesquels doivent eux-mêmes être d'une dimension suffisante pour que le percement produise un trou assez grand pour assurer un placage fiable dans les trous. Un autre inconvénient de cette technique est que la structure de circuit ne peut être contrôlée qu'une fois terminée, si bien que, en cas de défaillance de l'une des plaquettes de circuit intérieures de la pile, c'est toute la structure qu'il faut rejeter. Il a été proposé d'utiliser des liaisons conductrices pour constituer les interconnexions. Dans ce cas, on réalise des trous plaqués en forme de sablier à travers les plaquettes à l'empla- cement des blocs, et on dispose, au niveau des parties coniques, les liaisons, lesquelles peuvent être des sphères conductrices. Les trous et les sphères sont dimensionnés de façon que, lorsque les sphères ont été insérées dans les extrémités opposées d'un trou, elles sont en contact l'une avec l'autre par-leur centre. Ainsi, il peut être construit une structure à plusieurs couches dans laquelle des interconnexions sont formées par des colonnes de sphères qui sont toutes en contact les unes avec les autres. L'opération finale consiste à souder les sphères ensemble ainsi qu'aux côtés des trous par application de contacts de soudage aux sphères situées à l'exté- rieur. Un inconvénient de ce procédé est que, dans le cas o les interconnexions ne se prolongent pas à travers toute la pile, il n'existe pas d'accès pour les contacts de soudage, si bien que la structure de circuit doit être construite en un certain nombre de sous-ensembles permettant un tel accès. De plus, dans le cas du soudage d'une colonne de sphères en série, les sphères tendent à se déformer et c'est pourquoi il est difficile de contrôler la fiabilité de l'interconnexion. Un autre inconvénient du procédé est que, du fait de leur forme, les trous sont difficiles et donc coûteux à réaliser. De plus, les dimensions des trous et des sphères doivent avoir des valeurs cruciales pour assurer que les sphères insérées dans les extrémités opposées d'un trou soient en contact aussi bien l'une avec l'autre qu'avec les côtés du trou. L'invention propose un procédé de production d'une structure de circuit en plusieurs couches dans laquelle au moins deux plaquettes de circuit sont superposées l'une à l'autre, les plaquettes de circuit portant des conducteurs sur au moins leur face respectivement en regard devant être interconnectées, le procédé consistant à former un revêtement de soudure sur les conducteurs, à former un séparateur diélectrique entre les plaquettes de circuit, le séparateur comportant des ouvertures respectivement alignées avec les positions des conducteurs qu'il est nécessaire d'interconnecter, à former une liaison conductrice constituée d'une ou plusieurs sphères conductrices revêtues de soudure dans chaque ouverture du séparateur, la liaison conductrice étant en contact avec les conduc- teurs des plaquettes de circuit respectives, à appliquer une pression à la structure afin de presser les plaquettes de circuit l'une contre l'autre tout en chauffant la structure afin de fondre les revêtements de soudure des sphères et des conducteurs, et à refroidir la struc- ture afin de faire que les liaisons conductrices se soudent aux conducteurs et réalisent des interconnexions entre les conducteurs des plaquettes de circuit respectives. La description suivante, conçue à titre d'illustration du dispositif de l'invention, vise à donner une meilleure compré- hension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une structure de circuit à plusieurs couches dans laquelle des sphères conductrices sont utilisées pour réaliser des connexions entre les couches; 246 4010 - la figure 2 est une vue en coupe d'une des inter- connexions avant soudage; -_ la figure 3 est une vue en coupe de l'interconnexion de la figure 2 après soudage; - la figure 4 est une vue en coupe montrant une inter- connexion unique formée de trois sphères; et - les figures 5A, 5B et 5C sont des vues en coupe présentant d'autres modes de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, est représentée une structure de circuit à plusieurs couches comprenant des plaquettes de circuit imprimé 1 à double face portant des tracés conducteurs (non repré- sentés) et des blocs conducteurs 2. Des séparateurs diélectriques 3 sont interposés entre les plaquettes de circuit imprimé 1. Des trous 4 intérieurement plaqués sont formés dans les plaquettes de circuit afin de connecter électriquement les blocs opposés 2 se trouvant sur les faces opposées des plaquettes 1. Des sphères de cuivre 5 sont disposées dans des trous 6 ménagés dans les séparateurs diélectriques en des positions qui sont alignées avec les trous intérieurement plaqués 4. Les sphères de cuivre 5 sont soudées aux blocs correspondants 2 de plaquettes de circuit adjacentes afin de former entre ceux-ci des interconnexions. On va maintenant décrire en détail la fabrication et le montage de la structure de circuit 4 plusieurs couches en relation avec les figures 1 et 2 des dessins. Les plaquettes de circuit imprimé 1 à double face sont des plaquettes classiques portant des tracés conducteurs sur les deux faces ainsi que des blocs conducteurs 2 disposés en regard l'un de l'autre aux points o des interconnexions sont nécessaires à la fois entre des tracés conducteurs de cOtés opposés des plaquettes et entre des tracés conducteurs de plaquettes différentes. Des connexions intérieurement plaquées électriquement conductrices 4 lient les couples en regard de blocs 2. Lee plaquettes de circuit 1 sont des stratifiés à revêtement de cuivre sur les deux faces o les connexions intérieurement plaquées 4 sont d'abord formées par percement de chaque plaquette aux emplacements voulus et placage des parois des trous percés. Les plaquettes sont ensuite soumises à un décapage afin que soient formés les tracés conducteurs 24640 10 et les blocs conducteurs 2 autour des connexions intérieurement plaquées, Une couche de soudure 7 est déposée sur les parois plaquées des trous et sur au moins la partie des blocs entourant les trous. A ce stade, il est possible d'effectuer un contrôle de qualité sur chacune des plaquettes de circuit imprimé. Après ce contrôle, on asperge de décapant de soudage les plaquettes de circuit 1 et on les chauffe légèrement pour éli- miner les solvants du décapant de soudage. On dispose ensuite un séparateur diélectrique 3 sur chaque plaquette 1 de façon que les trous 6 soient alignés avec les trous intérieurement plaqués 4 formés dans la plaquette de circuit. Les trous 6 sont plus grands que les trous 4 et sont chacun dimensionnés de façon à pouvoir recevoir une sphère de cuivre 5 sur laquelle est déposée une couche de soudure 7. Les sphères sont contraintes par le séparateur diélectrique 3 à venir en contact avec les bords des trous intérieurement plaqués 4 formés dans les blocs 2 de telle façon que leur périphérie aille jusque dans les trous 4. L'épaisseur du séparateur diélectrique 3 est moindre que le diamètre des sphères 5, si bien que les sphères font saillie au-dessus du séparateur 3. - On assemble alors en une pile les plaquettes de circuit 1 avec leurs séparateurs diélectriques 3 respectifs et leurs sphères respectives, les parties saillantes des sphères 5 étant en contact avec les bords des trous intérieurement plaqués correspondant au niveau de l'envers des plaquettes de circuit qui les surmontent, comme cela est présenté sur les figures. Pour faciliter cette opération, on peut faire appel à un ensemble de montage. Un tel ensemble pourra comporter des moyens permettant d'aligner avec précision tous les éléments constitutifs de la pile, comme par exemple des goujons destinés à passer dans des trous. De plus, cet ensemble de montage pourra également être conçu de façon à réaliser un vide au-dessous des éléments de la pile afin de les attirer fermement contre une base. On place alors un poids sur le sommet de la pile, puis, après suppression du vide, on place la pile ainsi assemblée dans l'ensemble de montage à l'intérieur d'un four et on élève rapidement la température jusqu'à environ 20'C au-dessus du point de fusion de la soudure utilisée. Ceci amène les couches de soudure 7 présentes sur les sphères 5 et dans les trous 4 à refluer, si bien que les sphères se soudent aux blocs 2 en formant des joints permanents. On comprend que, lorsque la soudure présente sur les sphères et les blocs, ainsi que dans les trous 4, reflue, les plaquettes de la pile se rapprochent l'une de l'autre jusqu'à ce que, idéalement, le métal des sphères 5 soit en contact avec le métal des bords des trous inté- rieurement plaqués 4. En pratique, du fait des tolérances de fabri- cation des diverses composantes de l'assemblage, un tel contact entre les métaux ne se réalise pas nécessairement. Toutefois, les couches de soudure présentes sur les sphères et les blocs assurent un soudage adéquat aux interfaces des joints et lient les sphères aux blocs. Les figures 2 et 3 représentent respectivement la dispo- sition relative de la sphère, du séparateur et des plaquettes de circuit au niveau d'une des interconnexions, avant et après le soudage. Du fait de la force de compression appliquée à la pile, la soudure fondue est envoyée à la fois dans les trous intérieurement plaqués et dans les trous formés dans les séparateurs diélectriques et se distribue approximativement comme cela est présenté sur la figure 3. Il est apparu avantageux de soumettre l'assemblage à des vibrations modérées pendant l'opération de reflux de la soudure. Les vibrations aident à la compression de la pile et améliorent le reflux de soudure. On notera que le séparateur diélectrique 3 se trouve alors pris entre les plaquettes de circuit 1 et que, après refroidis- sement et solidification de la soudure, l'assemblage se trouve lié principalement par les interconnexions soudées, mais également par l'adhésion des surfaces décapées des plaquettes de circuit aux séparateurs diélectriques au niveau des emplacements o existent des tracés ou des blocs conducteurs. Pour assurer que les séparateurs diélectriques se trouvent retenus entre les plaquettes de circuit, il est essentiel d'agir sur les tolérances de fabrication des séparateurs et sur le diamètre des sphères à l'intérieur de la couche de soudure. Il faut également ajuster l'alignement des trous intérieurement plaqués correspondants qui traversent la pile. Après soudage, il est possible d'imprégner sous vide l'assemblage afin de remplir toutes les cavités pouvant exister entre les tracés et les blocs, ou bien d'effectuer une simple obtu- ration à l'aide d'un agent d'étanchéité approprié. Il s'est révélé préférable d'utiliser une soudure ayant une température de fusion relativement élevée, par exemple de l'ordre de 2000C, afin de permettre la liaison ultérieure des éléments cons- titutifs à l'assemblage au moyen d'une soudure à point de fusion plus bas. Ces deux soudures peuvent avoir commodément des températures de fusion respectives de 224 et 1850C. Il est apparu que les plaquettes de circuit imprimé pouvaient être rigides ou bien, si elles étaient fabriquées à partir d'une mince couche d'un matériau du type polyimide par exemple, elles pouvaient être souples. Dans le cas o les plaquettes de circuit sont souples, il est souhaitable d'utiliser un séparateur diélectrique rigide, par exemple une céramique. Les plaquettes de circuit peuvent elles-mêmes être faites en céramique, par exemple une céramique d'alumine, portant sur ses deux faces des pellicules épaisses ou minces. Toutefois, du fait de la rigidité de la base d'alumine, il est nécessaire dans un tel cas d'assurer un haut degré de planéité des surfaces en regard. La figure 4 illustre l'utilisation de trois sphères dans une application exigeant l'emploi d'un séparateur diélectrique plus épais. Une telle situation correspond par exemple à la nécessité de réaliser une certaine impédance entre les conducteurs de plaquettes de circuit adjacentes. Il est apparu que l'utilisation d'un certain nombre de petites sphères, au lieu d'une sphère plus grande, pouvait améliorer la densité des-interconnexions ou des tracés conducteurs. Il peut en outre être avantageux d'utiliser des sphères d'une taille normalisée au lieu de sphères de plusieurs tailles. Alors que le mode de réalisation décrit utilise des plaquettes de circuit à double face comportant des trous intérieure- ment plaqués, on comprendra que l'invention ne se limite pas à cette seule application. Par exemple, comme cela est représenté sur la figure 5A, la technique de l'invention peut être adaptéede manière à permettre la réalisation d'interconnexions entre des blocs ou des 2 46 40 10 tracés portés par deux plaquettes de circuit à une seule face disposées l'une en regard de l'autre et séparées par un séparateur diélectrique comme dans l'exemple précédent. Dans ce cas, on forme des trous 8 non plaqués dans les blocs ou les tracés, puis on les revêt de soudure comme dans l'exemple précédent. On soude ainsi les sphères aux blocs ou aux tracés autour des bords des trous. Selon un autre mode de réalisation, présenté sur la figure 5B, des creux 9 sont ménagés pour recevoir les sphères, ces creux aidant à la réali- sation de joints résistants. Enfin, il est possible-d'omettre aussi bien les trous que les creux, comme cela est présenté sur la figure 5C, et, dans ce cas, les sphères seront positionnées par les seuls trous formés dans le séparateur diélectrique et seront simplement soudées sur un conducteur ou un bloc non percé plan. Le procédé de fabrication de la structure de circuit à plusieurs couches décrite ci-dessus s'est révélé approprié à la réalisation de structures de dimensions largement variables. A titre d'exemple, sont données ci-dessous les dimensions typiques de compo- sants d'un type de structure de circuit. Epaisseur de plaquette de circuit (verre époxyde) 0,203 mm Epaisseur de séparateur diélectrique 0,254 mm Diamètre de bloc 0>635 mm Diamètre du trou de la plaquette de circuit 0>351 mm Diamètre du trou du séparateur diélectrique. 0>599 mm Diamètre de la sphère 0,450 mm Epaisseur de soudure sur la sphère 0,025 mm Epaisseur de soudure sur le trou et le bloc de la 0,025 mm plaquette Des dimensions typiques de composants d'un microcircuit A plusieurs couches plus petit sont les suivantes Epaisseur de plaquette de circuit (polyimide) 0,025 mm Epaisseur de séparateur diélectrique 0,106 mm Diamètre de bloc 0,127 um Diamètre du trou de la plaquette de circuit 0,076 mm 2-46&4010 Diamètre du trou du séparateur diélectrique 0,178 mm Diamètre de la sphère 0,127 mm Epaisseur de soudure sur la sphère 0,013 mm Epaisseur de soudure sur le trou et le bloc de 0,013 mm la plaquette On comprend que la structure de circuit décrite et son procédé de fabrication offrent certains avantages importantspar rapport à la technique antérieure. Parmi ces avantages, on note une plus grande densité de conducteurs, qui peut être obtenue du fait que les trous et donc les blocs conducteurs peuvent être plus petits, et la possibilité de contrôler chacune des plaquettes de circuit avant son montage dans la pile. De plus, l'invention permet d'éliminer plusieurs des opérations difficiles de la technique antérieure, comme le perçage et le placage de trous traversant toute la pile. Dans les cas o il n'est pas nécessaire d'effectuer des connexions à chacune des couches de la pile, des troue ne seront nécessaires que dans les couches à travers lesquelles passe la connexion, si bien qu'il ne sera pas nécessaire de former des trous dans les couches au-delà-de la connexion voulue. Ainsi, sur ces couches, aucune place n'est perdue du fait de l'obligation de former ces trous traversant toute la pile, comme c'est le cas pour les structures à plusieurs couches de la technique antérieure comportant des trous formés après l'empilement des plaquettes. On note que l'appréciation de certaines des valeurs numériques données cidessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'Stre donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention 246 40 10 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Structure de circuit à plusieurs couches qui comprend deux plaquettes de circuit superposées, ou plus, portant des conduc- teurs sur leurs surfaces respectivement en regard et dans laquelle des liaisons conductrices relient des conducteurs des plaquettes de circuit respectives, la structure étant caractérisée en ce que les liaisons conductrices sont formées par application d'un revêtement de soudure (7) aux conducteurs (2), mise en place d'une ou plusieurs sphères conductrices (5) revêtues de soudure dans des ouvertures (6) alignées avec les conducteurs et formées dans des séparateurs diélectriques (3) interposés entre les plaquettes de circuit (1), application de pression et de chaleur à la structure pour amener les revêtements de soudure (7) à couler, et refroidissement de la struc- ture de façon que les sphères conductrices se soudent aux conducteurs (2). 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un creux (9) est formé dans chaque conducteur (2) afin de venir en contact avec les sphères conductrices. 3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un trou est formé dans chaque conducteur (2), les trous ayant un diamètre plus petit que celui des sphères conductrices et étant disposés de manière à venir en contact avec les sphères conductrices. 4. Structure selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins certains des trous (8) des conducteurs (2) traversent les plaquettes de circuit (1) de même que les conducteurs (2) des deux cOtés des plaquettes, les trous étant intérieurement plaqués de façon à former des connexions électriquement conductrices (4) entre les conducteurs (2) appartenant à des faces opposées des plaquettes de circuit, et en ce qu'une pile est formée en plaquettes de circuit superposées entrecoupées de séparateurs diélectriques (3) positionnant des sphères conductrices (5), les sphères formant, en relation avec les trous intérieurement plaqués, des interconnexions reliant le conducteurs de la pile. 246%010 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les sphères (5) sont formées de cuivre. 6. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la soudure (7) utilisée pour revêtir les sphères (5) et les conducteurs (2) a un point de fusion relativement élevé. 7. Procédé de production d'une structure de circuit à plusieurs couches du type défini dans l'une des revendications 1 à 6, o au moins deux plaquettes de circuit sont superposées, ces plaquettes portant des conducteurs sur au moins leuissurfacesrespectivement en regard devant être interconnectées, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à former un revêtement de soudure sur les conduc- teurs, à placer un séparateur diélectrique entre les plaquettes de circuit, ce séparateur comportant des ouvertures respectivement alignées avec les positions des conducteurs qui doivent être inter- connectés, à former une liaison conductrice constituée d'une ou plusieurs sphères conductrices revêtues de soudure dans chaque ouverture du séparateur, la liaison conductrice étant en contact avec les conducteurs des plaquettes de circuit respectives, à appliquer une pression à la structure afin de presser les plaquettes de circuit l'une contre l'autre tout en chauffant la structure afin de faire fondre les revêtements de soudure des sphères et des conduc- teurs, et à refroidir la structure afin de faire que les liaisons conductrices sésoudentaux conducteurs et produisent des interconnexions entre conducteurs des plaquettes de circuit respectives.