Brevet FR2515876A1 — publié le 19830506

Dispositif électronique modulaire à composants intégrés L'invention concerne le domaine de la microélectronique et elle a pour objet un dispositif électronique modulaire comportant au moins une plaquette, constituant module, portant des circuits intégrés. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans les secteurs industriels où il est impératif de réduire le plus possible la masse et le volume des équipements (notamment l'espace et l'aviation). A l'heure actuelle, les systèmes électroniques complexes numériques sont généralement constitués en montant des "puces" ou microplaquettes de circuits intégrés sous boîtier de protection sur des cartes de circuits imprimés munies de plages de contacts sur une tranche. Les cartes nécessaires sont ensuite enfilées dans des rails et enfichées dans des connecteurs prévus au fond d'un panier de réception. La présente invention vise à fournir un dispositif permettant un gain de poids et de volume notable par rapport à ceux antérieurement connus, en même temps qu'une bonne résistance aux vibrations, une modularité intrinsèque, une facilité de montage et de démontage suffisante pour permettre de vérifier et de remplacer éventuellement les divers composants ou modules et, malgré tout, une fabrication économique. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif comprenant au moins une plaquette formant module, constituée par un substrat en matériau rigide électriquement isolant portant un réseau de pistes conductrices, ayant des bords parallèles destinés à coulisser dans les rainures d'un châssis de réception portant des composants intégrés, dont certains au moins sont actifs, munis de pattes reliées à des pistes du réseau et des contacts électriques souples répartis à intervalles réguliers le long d'une tranche du substrat, reliés à des pistes du réseau et prévus pour venir en appui sur des contacts plats fixes du chassis de réception de la plaquette. Les composants T. ontés sur le substrat peuvent être autoprotégés (par exemple du type couramment appelé porteur de puce , TAB...) ou non protégés. Dans le second cas, les composants actifs doivent être protégés à l'aide de capots métalliques,en céramique ou en matière plastique, le matériau étant choisi en fonction de l'environnement d'emploi. Chaque capot peut être prévu pour recouvrir un ou plusieurs composants. Lorsqu'on utilise des capots céramiques, ces derniers sont avantageusement scellés par du verre fondant à basse température, de façon à assurer une bonne étanchéité. Pour éviter de porter à température élevée les composants actifs, le scellement peut être effectué en interposant, entre le capot et le substrat, un cadre en métal ou alliage présentant une résistance électrique suffisante pour qu'il soit possible de le chauffer par passage de courant entre deux languettes placées dans les angles. Le cadre est alors enduit d'une encre sérigraphique contenant le verre fusible, le cadre et le capot sont placés (après préchauffage du capot, par exemple sur embase chauffante) et le verre est fondu par passage du courant pendant un temps bref. Il est souhaitable d'utiliser des contacts électriques du type autonettoyant.Pour que la saillie de tous les contacts soit la même, ces contacts sont avantageusement montés sur la tranche du substrat par une partie arrière formant pince, munie d'un coude ou d'une déformation dont l'appui sur la tranche détermine la position du contact. Le châssis destiné à recevoir une ou plusieurs plaquettes (-et généralement un nombre élevé de plaquettes) pourra lui-même constituer un macromodule. Son plancher destiné à recevoir les contacts, sera généralement constitué par un circuit imprimé multicouche muni de plages de contact dorées. Le châssis comportera également deux flancs munis de rainures destinées à recevoir les bords opposés des plaquettes et à les guider perpendiculairement au plancher. Ces bords seront munis de moyens élastiques, tels que des lames élastiques courbes fixées par leur centre à la plaquette, s'appuyant également (par exemple par leurs extrémités) contre un côté des rainures pour plaquer le substrat contre le côté opposé des rainures. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'une plaquette module dont le substrat comporte, sur une seule face, des puces nues protégées par capots en céramique - les figures 2 et 3 sont des vues en coupe suivant les lignes Il-Il et III-III de la figure 1 -la figure 4 est une vue partielle, en perspective, de la plaquette de la figure 3 - la figure 5 est une vue schématique en plan d'un cadre de fixation des capots de protection sur un substrat du genre montré en figure 1 ;;i - la figure 6, similaire à la figure li montre une autre variante, dans laquelle le substrat porte sur ses deux faces des circuits intégrés sous boîtiers miniatures en céramique, du type dit "porteur de puce" - la figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne Vil-Vil de la figure 6 - la figure 8, similaire à la figure 1, est un schéma de principe d'un fragment d'une plaquette constituant une variante de celle de la figure 1, munie de puces TAB protégées par capots plastiques - la figure 9 est une vue de détail à grande échelle montrant un des contacts des plaquettes des figures 1, 6 et 8 - la figure 10 est une vue en perspective d'un châssis de réception des plaquettes. La plaquette montrée en figures 1 à 4 comporte un substrat lien matériau rigide et isolant électrique. On choisira habituellement un substrat en céramique, notamment en alumine qui a l'avantage d'être thermiquement conductrice. Le substrat porte un réseau de pistes conductrices, réalisé à l'aide des encres classiquement employées dans les micro structures hybrides à couches épaisses, sur une face (figure 2) ou sur deux faces Ce réseau peut comporter plusieurs couches de pistes conductrices isolées par plusieurs couches diélectriques. Le substrat a des dimensions variables suivant l'application ; des dimensions allant de 12 x 40 mm à 25 x 100 mm sont représentatives de la gamme des valeurs courantes. L'épaisseur peut varier d'environ 0,4 mm à 1,2 mm lorsque le substrat est en alumine. Dans le cas illustré en figures 1 à 3, le substrat est équipé de composants non auto-protégés, typiquement des puces 12 de semi-conducteurs discrets ou intégrés. Les pièces nues 12 sont collées ou brasées sur le substrat 11 revêtu et microcâblées ; les jonctions entre les pattes des pièces 12 et les pistes conductrices peuvent notamment être effectuées par ultrasons : à titre d'exemple, les figures 1 et 4 montrent une plaquette portant huit puces, qui peuvent être des mémoires vives en MOS complémentaires de 16 obits. Il est nécessaire de protéger les pièces nues 12 contre les agents extérieurs et les chocs. Pour cela, elles sont recouvertes de capots étanches en isolant électrique 13, généralement en céramique, recouvrant chacun une ou plusieurs pièces 12. Sur les figures 1 et 4,'deux capots recouvrent chacun quatre puces. Les capots peuvent être fixés par collage avec une colle organique (polymérisable vers 1600C) à très faible porosité ou par scellement au verre fusible à basse température (450 C). La fusion du verre peut dans ce cas être obtenue par passage au four, ou par électrode chauffante extérieure appliquée sur le rebord du capot. Toutefois, ces procédés defixation provoquent un échauffement des pièces qui peut les endommager. On aura donc souvent intérêt à utiliser le procédé de soudage à'aide d'une préforme intermédiaire qui sera décrit plus loin. Aux deux extrémités du substrat 11 sont montées deux lames élastiques 14,généralement en cuivre au béryllium, fixées par collage ou soudage sur la céramique, éventuellement métallisée dans les zones intéressées. On verra que ces deux lames sont destinées à plaquer les bords du substrat dans les rainures des flancs de support. Leur forme permet un bon engagement dans les rainures et leur élasticité est choisie pour que la plaquette soit maintenue plaquée même aux plus forts niveaux de vibrations prévus. La longueur des lames est telle que leur partie 15 en saillie vers le bas serve de butée et évite un enfoncement exagéré des contacts électriques de liaison avec le boîtier. Ces contacts 16, représentés sur la figure 9 à grande échelle, sont généralement en cuivre au béryllium nickelé et doré . Leur épaisse-ur (environ 0,2 mm)et leur forme sont telles qu'ils puissent se déformer de 0,8 mm environ sous une force de 0,25 à 0,5 Newton. Les contacts 16 sont destinés à venir s'appuyer, avec un léger mouvement e de façon à être auto-nettoyants, sur des pistes cuivrées, nickelées et dorées de planchers en circuits imprimés décrits plus loin. Ces contacts 16, au nombre de quarante par exemple par plaquette, répartis au pas de 1,27 mm, 1,905 mm ou 2,54 mm, présentent une partie arrière en forme de pince légèrement fermée qui vient serrer le bord de la plaquette. Le fond de la pince a un coude 17 destiné à venir s'appuyer sur la tranche et à définir de façon précise l'enfoncement de la pince. Ainsi, tous les contacts 16 ont la même sailie. La fabrication des plaquettes peut s'effectuer par des techniques classiques : les tracés conducteurs sont réalisés par les méthodes utilisées pour la fabrication de circuits à couche épaisse. Les contacts 16, éventuellement présentés en bande mitrailleuse pour faciliter leur manipulation et leur montage, sont tour à tour enfilés puis soudés par refusion sur des pistes pré-étamées ,ménagées sur le substrat 11. La refusion peut être réalisée par un jet d'azote chaud (vers 2500C), a l'aide d'une électrode chauffante ou par refusion en phase vapeur. Les capots sont toutefois avantageusement soudés par un procédé qui permet de limiter l'échauffement des composants. On utilise une préforme 20, constituée d'un cadre mince en métal adapté aux scellements verre-métal (figure 5),de forme correspondant à celle du capot 13 à fixer. Cette préforme constitue une résistance chauffante incorporée et perdue. Elle peut être constituée d'un cadre mince en alliage dit#Kovar(alliage NiFe Co largement utilisé pour les scellements verre-métal)ou en un autre métal réfractaire, à coefficient de dilatation similaire à celui de l'alumine. Le cadre est pré-enduit d'une couche mince (50 Mm environ) par sérigraphie d'encre diélect-rique à verre de scellement. Deux languettes 21 non revêtues sortent du cadre. On préchauffe le substrat entre 1500C et 300 C, puis on pose les préformes 20 et le-s capots 13. Les languett#es 21 dépassent sur les côtés et permettent d'appuyer des électrodes.Par ces dernières, on fait passer un fort courant dans le cadre et on fond le verre du fait de l'élévation de température localisée sur le pourtour du boîtier, là où elle est nécessaire et pendant un court laps de temps, ce qui évite de porter longtemps les composants à des températures élevées. Après refroidissement, le capot se trouve fixé de façon étanche au substrat. Il faut remarquer que la machine de scellement des, capots p#eut aussi assurer le démontage du capot par refusion du verre et aspiration du capot, ce qui permet de remplacer un composant défectueux ou défaillant. Dans la variante de réalisatisn montrée en figures 6 et 7, (où les organes correspondant à ceux des figures 1-4 portent le même-numéro de référence), le substrat 11 est sérigraphié sur les deux faces à l'aide d'encres suivant la technique de fabrication de circuits à couche épaisse. Les composants sont auto-protégés, ce qui permet d'éviter l'emploi de capots de protection. Ces composants sont par exemple des puces 12 en boîtiers miniatures 18 de céramique du type couramment appelé "porteur de puce " ou "chip carrier". Ces porteurs de puces sont en général soudés par refusion d'alliage étain-plomb. Les composants peuvent également comporter des puces résistantes ou capacitives et/ou des résistances directement sérigraphiées. Dans le cas illustré en figure 8, les composants sont d'un type protégé par construction contre l'environnement, mais nécessitant une protection mécanique lors de la manutention des plaquettes. Ces composants sont par exemple des puces auto-protégées et passivées du type TAB (transfert automatique sur bande). On peut dans ce cas utiliser un capot unique 18 en plastique pour l'ensemble des compo sants et le fixer par collage. Les plaquettes sont destinées à être montées dans des châssis 22 qui peuvent être du genre montré en figure 10. Le châssis 22 comporte deux flancs 23 munis de rainures dans lesquel-les coulissent les bords des plaquettes 11, dont une seule est représentée parmi les dizaines que peut recevoir un même châssis 22. Le plancher 24 du châssis est formé par un circuit imprimé multicouches comportant des pistes dorées d'appui des contacts 16. Les flancs qui guident les plaquettes à 909 vers le plancher 24 peuvent être en plastique ou, mieux, en alliage léger pour favoriser la dissipation thermique. Des cales et/ou un couvercle vissé (non représentés) maintiennent les plaquettes 11 et donc les contacts convenablement enfoncées. -Le châssis sera généralement muni de glissières latérales 25 de montage dans un ensemble et d'un connecteur d'angle 26 de liaison avec la carte "fond de panier" de l'ensemble. Ainsi, chaque châssis constitue à son tour un macromodule, assurant par exemple l'ensemble d'une fonction complexe. On voit que l'invention permet d'arriver à un haut degré d'intégration et à un allégement maximal du système. La réalisation peut de plus être économique, du fait que les capots métalliques dorés habituels peuvent être omis. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant au moins une plaquette formant module, constituée par un substrat en matériau rigide électriquement isolant portant un réseau de pistes conductrices et ayant des bords parallèles destinés à coulisser dans les rainures d'un châssis de réception et portant des composants intégrés, dont certains au moins sont actifs, munis de pattes reliées à des pistes du réseau, caractérisé en ce que le substrat porte des contacts électriques souples (16) répartis à intervalles r#éguliers le long d'une tranche du substrat (11), reliés à des pistes du réseau et prévus pour venir en appui sur des contacts plats fixes du châssis (22) de réception de la plaquette. 2. Dispositif suivant la revendic#ation .1, caractérisé en ce que les composants montés sur le substrat sont autoprotégés et munis de capots de protection mécanique . 3. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les composants actifs montés sur le substrat sont nus et protégés par des capots métalliques ou en céramique recouvrant chacun un ou plusieurs composants. 4. Dispositif suivant la revendication 3,à capots céramiques, caractérisé en ce que lesdits capots (13) sont scellés par du verre fondant à basse température. 5. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le scellement est assuré par l'intermédiaire d'un cadre (20) en métal ou alliage présentant une résistance électrique appréciable, interposé entre le capot et le substrat, muni de deux languettes d'amenée du courant placées dans deux angles opposés, et enduit d'encre séri-graphi- que contenant le verre fusible, sauf sur les languettes (21). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les contacts électriques (16) sont du type auto-nettoyant et montés sur la tranche du substrat (11) par une partie arrière formant pince, munie d'un coude ou d'une déformation-dont 11 appui sur la tranche détermine la position du contact. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords du substrat portent des lames élastiques courbes (14) fixées en leur centre au substrat et prévues pour s'appuyer par leurs extrémités contre un côté des rainures pour plaquer le substrat contre le côté opposé des rainures. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les lames (14) débordent de la tranche du substrat pour constituer butée et limiter la déformation des contacts (16). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le châssis comprend un plancher (24) constitué par un circuit imprimé multicouches muni de plages de contact et deux flancs (23) munis de rainures destinées à recevoir les bords opposés des plaquettes et à les guider perpendiculairement 10. Dispositif suivant la revendication -9, caractérisé en ce que le châssis est muni de glissières latérales (25) de montage dans un ensemble et d'un connecteur de liaison (26).