Brevet FR2509564A1 — publié le 19830114

Procédé de connexion électrique de fines couches métalliques ou vitrométalliques sur circuit sérigraphié multicouches. La présente invention concerne un circuit réalisé par la technique dite des "couches épaisses" sur un substrat isolant plan comportant au moins deux couches conductrices et/ou résistives superposées ainsi qu'un procédé de réalisation d'une connexion entre lesdites couches conductrices. Parmi les technologies modernes de réalisation de circuits électroniques, la technologie dite des "couches épaisses" a vu son champ d'application s'étendre considérablement entre les années 1960 et 1980. Développée en vue d'applications militaires ou spatiales, la technologie des couches épaisses est, en 1980, utilisée dans le domaine des applications commerciales grand public. Cette évolution n'a été possible que grâce à une adaptation réalisée sur les matériaux de base de cette technologie. C'est principalement sur les encres utilisées pour la sérigraphie des circuits (sur un substrat isolant plan) que les efforts de réduction des coflts et d'amélioration de la qualité ont été portés. Les toutes premières encres conductrices étaient fabriquées à partir de poudre d'or et de platine. En 1980, ces métaux sont remplacés par l'argent, moins cher, mais aussi par des métaux non nobles comme par exemple, le cuivre, le molybdène, le nickel, l'aluminium. Les équipements nécessaires à la réalisation d'un circuit électronique en technologie des couches épaisses sont de conception relativement simple On distingue notamment, dans l'ordre de la ligne de fabrication 1 - une machine à sérigraphier 2 - un sécheur qui permet l'évaporation des solvants présents dans les encres de sérigraphie 3 - un four de cuisson, dont la température maximale est comprise entre 500 OC et 1 000 OC, La cuisson peut se faire à l'air sec et dépoussiéré ou bien en atmosphère réductrice contrôlée (azote pur ou azote/hydrogène) 4 - Un équipement de découpe des couches résistives qui permet l'ajus- tage des valeurs ohmiques des résistances sérigraphiées. Cet équipement est généralement structuré autour d'un laser dont le faisceau réalise la découpe. Les couches conductrices sérigraphiées sont, après traitement thermique au four, constituées de métaux purs, d'alliages de métaux, ou de mélanges de verres et de métaux. La cuisson des circuits sous atmosphère réductrice présente certains inconvénients. Cependant, la cuisson à l'air, c'est-à-dire en présence d'oxygène, est difficilement compatible avec les métaux non nobles car ceux-ci s'oxydent presque complètement -et deviennent isolants. Pour permettre la cuisson à l'air d'encres à base de métaux non nobles, des matériaux nouveaux ont été élaborés. Parmi ceux-ci, on trouve des mélanges de métaux et de verre, où le verre, en fort pourcentage, protège les grains métalliques de l'oxydation. Citons également les encres à base d'aluminium dont l'oxyde qui se forme en surface de la couche est imperméable et limite l'oxydation de manière acceptable. Une conséquence directe de cette protection efficace contre 1 'oxyda- tion est l'impossibilité d'obtenir une connexion électrique entre la couche conductrice protégée et un deuxième conducteur. En effet, le verre ou les oxydes tels que l'alumine sont des isolants électriques. La présente invention vise à résoudre cette difficulté et ainsi d'assurer une connexion électrique de bonne qualité entre un conducteur protégé par une couche d'isolant et un deuxième conducteur. L'invention s'applique à tout circuit réalisé en technologie des couches épaisses nécessitant au moins une soudure de ce type A cet effet, l'invention a pour objet un circuit sérigraphié multicouches comportant un substrat en matière isolante sur lequel sont déposés par sérigraphie, puis traités thermiquement, au moins deux réseaux de conducteurs superposés suivant au moins deux niveaux, caractérisé en ce que ltépaisseur de chaque couche de conducteur est inférieure à 50 pm, en ce que le circuit comporte au moins un chevauchement direct de deux conducteurs, en ce que les deux conducteurs se chevauchant sont isolés électriquement l'un de l'autre par la présence d'une couche intermédiaire isolante résultant dudit traitement thermique, et en ce que les deux conducteurs sont connectés électriquement entre eux dans la zone du chevauchement par soudures en un ou plusieurs points au moyen d'un faisceau laser. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation de la connexion électrique entre deux couches conductrices préalablement isolées, d'un circuit sérigraphié tel que défini ci-dessus, procédé caractérisé en ce que la connexion entre lesdites couches conductrices est réalisée par fusion rapide de celles-ci au moyen d'un faisceau laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de deux modes de sa réalisation donnés uniquement à titre d'exemple et illustrés par les dessins annexés sur lesquels - les Fig la et 2a sont des vues schématiques en coupe montrant res pectivement deux configurations de circuits auxquels l'invention est applicable - les Fig lb et 2b sont des vues schématiques en coupe correspondant respectivement aux Fig la et 2a et montrant le résultat obtenu par soudure au moyen d'un faisceau laser - la Fig 3 donne un exemple de struèture pour l'équipement nécessaire au contrôle du faisceau laser ; et - la Fig 4 est une vue de dessus d'une partie d'un circuit pour lequel l'invention est applicable La Fig la montre, avant traitement par un faisceau laser, un substrat 1 en matériau isolant, sur la surface duquel ont été déposées au moins deux couches conductrices 2, 4 traitées thermiquement et dont l'épaisseur est inférieure à 50 sm. L'une au moins des couches conductrices est constituée d'un matériau à base d'un métal non noble comme, par exemple, le cuivre, le molybdène, ou l'aluminium. Un traitement thermique en atmosphère oxydante provoque l'apparition d'une couchedtoxyde métallique 3 et éventuellement d'une autre couche 5 d'oxyde métallique en surface. La couche 3 isole électriquement les deux conducteurs2 et 4. En pratique, une telle disposition est rencontrée lorsque la couche 1 est une alumine à 96 %, la couche 2 à base d'aluminium, la couche 3 en oxyde d'aluminium Al203, et la couche 4 à base d'un ou plusieurs métaux de la série Ag, Pd, Pt, Au. Dans cet exemple, la couche 5 n'existe qu'à l'état de traces peu gênantes. En se reportant à la Fig lb, un faisceau laser 6 focalisé provoque la fusion des couches métalliques 2 et 4 : l'impact thermique détruit la couche isolante 3 et permet le mélange des conducteurs# 2 et 4 La rapidité de l'opération garantit l'obtention d'un contact électrique entre les deux couches, en zone 7 sans formation de barrière isolante. La Fig 2a montre, avant traitement par un faisceau laser, un deuxième exemple de configuration d'une partie d'un circuit pour lequel l'invention est également applicable. Sur cette vue en coupe, on distingue un substrat isolant Il sur lequel sont disposées deux couches conductrices 12 et 14 d'épaisseur inférieure à 50 Mm. La couche 12 est constituée d'un mélange de grains métalliques 13 et d'un verre ou d'une vitrocéramique enrobant les grains, les grains étant constitués principalement d'un ou plusieurs métaux de la série Nickel, Molybdène, Aluminium, Cuivre. Dans cette composition, le verre protège les grains de lfoxydation lors du traitement thermique en atmosphère oxydante.La couche métallique 14 est éventuellement recouverte d'une couche d'oxyde 15 provoquée par le traitement thermique en présence d'oxygène. Un exemple précis d'une telle configuration est rencontré en pratique lorsque la couche il est un substrat en alumine à 96 m, la couche 12 est un mélange de grains de nickel 13 et d'un verre ou d'une vitrocéramique, la couche 14 est une couche conductrice à base d'un ou plusieurs métaux de la série Ag, Pd, Pt, Au, où la couche 5 est pratiquement inexistante. La présence d'une forte proportion de matériau vitrifiant dans la couche 12 se traduit au moment du traitement thermique par la formation d'une couche de verre pur en surface qui isole électriquement les couches 12 et 14 La Fig 2b illustre l'action de l'impact thermique du faisceau laser 16 dans la zone 17, comme décrit à propos de la Fig lb. Dans cette seconde configuration des Fig 2a et 2b, la couche inférieure 12 peut former une résistance dont les extrémités sont recouvertes du conducteur supérieur 14, la connexion électrique étant réalisée en au moins un point à chaque extrémité de la résistance. La Fig 3 illustre schématiquement la structure du dispositif permettant le contrôle du faisceau laser, nécessaire à l'obtention du contact électrique recherché. Cet appareil est un équipement standarden technologie des couches épaisses et comprend un bloc 22 contenant le tube laser, qui est généralement un laser pulsé, alimenté électriquement par un bloc 21 et commandé par un bloc 24 De préférence, le faisceau laser est un faisceau pulsé de longueur d'onde comprise entre 0,5 et 2 pm La focalisation et la déflexion du faisceau laser sontobtenuesaumoyend'un dispositif optique 23 commandé par le bloc 24. En fonctionnement, le faisceau laser focalisé 25 est dirigé sur le point choisi du circuit 26, maintenu en place par le porte-circuit 27 qui est éventuellement mobile et commandé par le bloc 24. La Fig 4 est une vue de dessus montrant un exemple de disposition des différentes couches décrites en regard des Fig la, lb et 2a, 2b. Cette vue montre les couches conductrices inférieure 32 et supérieure 34 déposées sur un substrat isolant 31. Le traitement par faisceau laser permettant d'obtenir un contact électrique entre les couches 32 et 34 peut être fait en un ou plusieurs points 33. REVENDICATIONS 1. Circuit sérigraphié multicouches comportant un substrat en matière isolante sur lequel sont déposés par sérigraphie, puis traités thermiquement, au moins deux réseaux de conducteurs superposés suivant au moins deux niveaux, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque couche de conducteur (2, 4 ; 12, 14) est inférieure à 50r m, en ce que le circuit comporte au moins un chevauchement direct de deux conducteurs, en ce que les deux conducteurs se chevauchant sont isolés électriquement l'un de l'autre par la présence d'une couche intermédiaire isolante résultant dudit traitement thermique1 et en ce que les deuxconducteurs sont connectés électriquement entre eux dans la zone du chevauchement par soudure en un ou plusieurs points (7 ; 17 ; 33) au moyen d'un faisceau laser. 2. Circuit sérigraphié selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des deux conducteurs au moins contient une forte proportion d'un ou plusieurs métaux de la série Argent, Palladium, Platine, Or. 3. Circuit sérigraphié selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'un des deux conducteurs contient une forte proportion d'aluminium. 4. Circuit sérigraphié selon l'une quelconque des revendications lot 2, caractérisé en ce que l'un des deux conducteurs est constitué d'un mélange de grains métalliques et d'un verre ou d'une vitrocéramique, les grains métalliques étant constitués principalement d'un ou plusieurs métaux de la série Nickel, Molybdène, Aluminium, Cuivre. 5. Circuit sérigraphié selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le substrat est constitué d'uneeéramique à base d'alumine. 6. Circuit sérigraphié selon l'une quelconque des revendications 4 etllt caractérisé en ce que le conducteur inférieur forme une résistance dont les extrémités sont recouvertes du conducteur supérieur lui-même conal titué d'un ou plusieurs métaux de la série Argent, Palladium, Platine, Or, et en ce que la connexion électrique au laser est réalisée en au moins un point à chaque extrémité de ladite résistance. 7. Procédé de réalisation de la connexion électrique entre deux couches conductrices préalablement isolées d'un circuit sérigraphiéselon l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que la connexion entre lesdites couches conductrices est réalisée par fusion rapide de celles-ci au moyen d'un faisceau laser. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en- ce que la connexion électrique entre les deux couches conductrices est obtenue au moyen d'un faisceau laser pulsé de longueur d'onde comprise entre 0,5 et 2 mu.