Brevet FR2530083A1 — publié le 19840113

Plaques de circuits à micro-ondes et leur procédé de fabrication. La présente invention concerne des plaques de circuits pouvant être utilisées aux fréquences des micro-ondes Plus spécifiquement, l'invention con- cerne des plaques de circuits, ainsi qu'un procédé de formation de plaques de circuits comportant des con- nexions par des trous traversants pratiqués dans un lamifié comportant une pellicule de matière plastique intercalée entre des couches de cuivre et d'aluminium. La présente invention est particulièrement utile pour la formation de plaques de circuits pour la transmission de signaux électriques aux fréquences des micro-ondes Les plaques de circuits destinées à être utilisées aux fréquences des micro-ondes compor- tent très souvent une plaque ou une couche d'aluminium relativement épaisse qui, parmi d'autres utilisations, fait office de dissipateur thermique Une couche d'une matière plastique choisie pour ses propriétés diélectriques et mécaniques est liée, au moyen d'un adhésif, à une surface de la couche d'aluminium, tandis que le lamifié de la plaque de circuit comporte également une couche constituée d'une feuille de cuivre liée à la surface exposée de la pellicule diélectrique, c'est-à-dire la couche de matière plastique La pel- licule diélectrique peut être constituée, par exemple, de polytétrafluoréthylène ou de polytétrafluoréthylène renforcé de fibres Ce lamifié d'une matière diélec- trique intercalé entre une couche inférieure d'alumi- nium relativement épaisse et une couche supérieure d'une feuille de cuivre relativement mince peut être considéré comme une structure préliminaire, de départ ou intermédiaire d'une plaque de circuit. Dans des plaques de circuits de ce type, il est nécessaire d'établir des connexions électriques entre des parties du circuit qui seront formées sur ou dans la couche de la feuille de cuivre, et la pla- que d'aluminium faisant partie du plan de base Ces connexions sont avantageusement établies par des trous traversants pratiqués dans le lamifié L'établisse- ment fiable et économique de ces connexions par trous traversants est un problème qui se pose depuis long- * temps dans la technique Les connexions par trous traversants sont le plus avantageusement effectuées par dépôt de cuivre sans courant Toutefois, simple- ment par dépôt sans courant, il n'est pas possible d'établir un parcours conducteur entre des éléments espacés en cuivre et en aluminium En fait, il est bien connu dans la technique que le dépôt sur l'alu- minium exige des traitements extraordinaires pour obtenir l'adhérence requise. Il existe actuellement deux techniques principales pour effectuer un dépôt sur l'aluminium. Ces deux techniques sont le procédé de zingage dans lequel une mince couche de zinc est déposée sur le support d'aluminium-, tandis que d'autres métaux sont ensuite déposés sur le zinc, de même que le procédé dtanodisation dans lequel on forme un revêtement anodique poreux sur lequel on dépose ensuite un métal. Par suite de sa mise en oeuvre relativement élevée et des frais relativement faibles qu'il entraîne, le pro- cédé de zingage est de loin la technique la plus cou- ramment adoptée Toutefois, cette technique présente un inconvénient du fait qu'elle est très sensible à l'état de la surface de l'aluminium, ce qui exige de longs traitements de pré-zingage, de nettoyage et de morsure De plus, on considère généralement qu'il n'est pas recommandable d'utiliser des organes en aluminium comportant un revêtement de zinc dans des applications de circuits électriques,étant donné que le zinc fond au cours du brasage, qu'il se mélange avec la soudure et qu'il forme desconnexions à haute résistance ou présentant d'autres défauts Les remar- ques qui précèdentsont également vraies pour le cad- mium que l'on substitue parfois au zinc. On nta pas adopté des procédés-d'anodisa- tion dans la fabrication de plaques de circuits à micro-ondes, car on a universellement pensé que le cuivre empêcherait la formation d'un revêtement ano- dique sur la surface d'aluminium ou qu'il serait attaqué chimiquement et deviendrait ainsi inadéquat pour l'utilisation. En conséquence, face à la technique anté- rieure selon laquelle il est nécessaire d'établir une connexion par trous traversants entre les couches' d'aluminium et de cuivre d'un lamifié d'une plaque de circuit pour micro-ondes et du fait que l'on ne peut adopter un procédé de zingage, on a eu recours à la technique peu fiable selon laquelle on essaye de déposer du cuivre ou du nickel soit directement sur l'aluminium, soit sur l'aluminium qui a reçu préala- blement un revêtement de transformation de chromate. De façon bien connue, ces procédés donnent des revête- ments métalliques déposés de qualité'médiocre ayant une faible force d'adhérence au métal de base en alu- minium Dès lors, lorsqu'on expose ces revêtements de qualité médiocre à des températures élevées, par exemple, lors d'une imprégnation pendant une heure à 1200 C ou lors d'une immersion dans une soudure fondue à 60 % d'étain et à -40 % de plomb, il se forme des soufflures dans le revêtement. L'objet de la présente invention est d'éviter les déficiences et les inconvénients ci- dessus de la technique antérieure, ainsi que d'autresw en prévoyant un nouveau lamifié d'une plaque de circuit à micro-ondes comportant des trous traversants pourvus dfun dép 6 t, ainsi qu'en prévoyant un nouveau procédé de fabrication de plaques de circuits à partir de lamifiés de ce type. Suivant l'invention, on part d'une structure lamifiée constituée d'une feuille de matière diélectri- que sur une surface de laquelle est appliquée une mince couche de cuivre, tandis qu'une couche plus épaisse d'aluminium est appliquée sur l'autre surface Des trous traversants sont forés dans le lamifié en une configuration prédéterminée Toutes les surfaces d'aluminium exposées (la couche d'aluminium et les parois des trous traversant cette couche) sont anodi- sées par un procédé minutieusement contr 8 lé afin de définir un revêtement poreux d'oxyde d'aluminium Au cours du procédé d'anodisation, la mince couche de cuivre déposée sur la matière diélectrique est isolée électriquement de l'aluminium Ensuite, par dépôt électrolytique, on dépose une couche d'une matière conductrice sur la totalité de l'oxyde d'aluminium. On soumet alors la structure à une morsure au sodium ou au plasma afin de traiter les parois des trous pratiqués dans la matière diélectrique de telle sorte qu'elles puissent être "humides" On soumet ensuite 2 q toute la structure à un dépôt sans courant afin de former un revêtement complet de métal sur toutes les surfaces exposées de la structure, y compris toutes les zones exposées du métal déposé par voie électrolytique, la mince couche initiale de cuivre et toutes les surfaces des trous traversants On définit ensuite un dessin de circuit à micro-ondes sur la surface qui comportait initialement la mince couche de cuivre, les trous traversants ayant reçu un dépôt formant alors des contacts conducteurs entre le dessin du circuit et l'autre surface en cuivre (sur l'aluminium) qui constitue le plan de base. Dans les dessins annexés: la figure 1 est un diagramme des étapes principales du procédé de la présente invention; les figures 2 A-2 E représentent la plaque de circuit lors des différentes étapes du procédé. Il est entendu que, dans les figures 2 A-2 D, les représentations des différents revêtements métal- liques sont données uniquement à titre d'illustration et ne sont pas à l'échelle ni aux proportions. Suivant la forme de réalisation préférée, on fabrique des plaques de circuits à micro-ondes à partir d'un lamifié préliminaire ou intermédiaire constitué initialement d'une feuille de cuivre 10 et d'une plaque d'aluminium 12 liées par un adhésif aux surfaces opposées d'une feuille 14 de polytétrafluor- éthylène renforcé de fibres (voir figure 2 A) Le lamifié peut être constitué, par exemple, de "RT/ duroid" 5870 ou 5880 vendu par "Rogers Corporation"; Rogers, Connecticut, E U A Dans une application pratique, la feuille de cuivre avait une épaisseur de O d'aluminium de type 6061-T 6. Après la formation du lamifié préliminaire (étape A), l'étape suivante (étape B) de la fabrica- tion d'une plaque de circuit à micro-ondes consiste à forer des trous traversants 16 aux dimensions requi- ses et aux points désirés à travers le lamifié (voir figure 2 B) Ensuite, les trous forés sont, au besoin, ébavurés Le lamifié est alors nettoyé Le nettoyage peut être avantageusement effectué en utilisant une solution de nettoyage qui est neutre à la fois vis-à- 1 q vis de l'aluminium et du cuivre L'étape de nettoyage a pour but de dégraisser le lamifié et d'éliminer les empreintes de doigts et les souillures habituel- les d'atelier. On plonge ensuite le lamifié nettoyé dans une solution aqueuse d'anodisation qui, dans une application pratique de l'invention, était constituée de 30 % en volume de H 3 P 04 à 85 % Toutes les surfaces exposées d'aluminium (clest-à-dire toutes les surfaces initialement exposées de l'aluminium et les parois intérieures des parties des trous traversants qui. passent à travers la couche d'aluminium) sont anodisées (étape C) moyennant un procédé minutieusement contrôlé dans lequel un contact électrique est établi avec la surface d'aluminium en utilisant une pince en titane réutilisable Il faut veiller à ce que la pince soit isolée électriquement de la face de cuivre du lamifié. Si l'on ne prend pas cette précaution, le cuivre se détache du lamifié par morsure et aucun revêtement anodique n'est formé sur l'aluminium, Au cours du procédé d'anodisation la température de la solution est maintenue dans l'intervalle allant de 40 à 480 C et, de préférence, à une température de 43,30 C Dans une application pratique dans laquelle la température de la solution était de 43,30 C, l'intensité du courant anodique était de 2,3 ampères/m 2 et on a laissé se poursuivre l'anodisation pendant 5 minutes Au cours de l'anodisation, on a agité modérément la solution afin que les bulles d'oxygène se formant sur la sur- face de l'aluminium au cours de l'anodisation n'empê- chent pas llanodisation complète, en particulier, sur les parois des trous forés Le revêtement d'oxyde formé lors de la mise en oeuvre de la présente inven- tion aura un poids se situant dans l'intervalle allant de 0,6 à 13 mg/cm 2. Après l'étape d'anodisation, on rince le substrat, spécifiquement par lavage dans de l'eau propre. L'étape suivante du procédé (étape D) con- siste à déposer, par voie électrolytique, un revête- ment de cuivre 18 ou d'un autre métal électriquement conducteur tel que le nickel,sur le revêtement d'oxyde d'aluminium formé au cours de l'étape d'anodisation (voir figure 2 C) Dans le cas du dépôt électrolytique de cuivre, on plonge le substrat dans une solution acide de Cu SO 4 jusqu'à ce que l'oxyde d'aluminium soit recouvert d'une pellicule adhérente de cuivre Par suite de la porosité du revêtement d'oxyde d'aluminium, que l'on obtient moyennant un contrôle minutieux de l'étape d'anodisation, le cuivre déposé par voie élec- trolytique sur l'oxyde d'aluminium pénètre dans les pores et l'on pense qu'il se dépose également sur le métal de base en aluminium Dans l'un ou l'autre cas, le cuivre déposé adhérera fermement au revêtement d'oxyde et il sera en contact électrique avec l'alu- minium de base, si bien qu'une connexion électrique avec le métal de base peut être obtenue en établissant un contact électrique avec le dépôt de cuivre Dans une application pratique, on a déposé le cuivre à' partir d'une solution de Cu SO 4/H 12 So 4 fournie par "Lea-Ronal Inc "', Freeport, New York, E U A et vendue dans le commerce sous le nom "Copper Gleam PCM"I Dans une autre application pratique, on a substitué un dépôt de nickel au cuivre et on a utilisé une solution de (NH 2 SO 3 H)2 Ni Le métal déposé sert de plan de base dans la plaque de circuit à micro-ondes ainsi obtenue. Afin d'obtenir un revêtement établissant de manière fiable un contact électrique avec le métal de base en aluminium, on a trouvé qu'il était particu- lièrement important que le courant continu soit mis en circuit lorsque le lamifié est introduit dans la cuve de dépôt On donnera ci-après des paramètres spécifiques d'unle étape de dépôt de cuivre: Température de la solution = 21 à 32 C courant cathodique = 1,85 à 3,7 ampères/m 2 rapport entre la surface anodique et la surface cathodique = 1:1 à 2:1 durée = 10 à 20 minutes. La solution est agitée avec de l'air pur (barbotage). L'épaisseur du dépôt se situe dans l'in- tervalle compris entre 0,005 et 0,01 mm à la fois pour le cuivre et le nickel. Après l'étape de dépôt électrolytique, on soumet la structure à une morsure au sodium ou au plasma (étape E), afin de modifier toutes les surfaces exposées de la matière diélectrique, en particulier, les parois des trous traversants Ce traitement permet d'imprégner les parois des trous, c'est-à-dire qu'elles peuvent recevoir une matière à base d'eau. Après le traitement de morsure, on lave le lamifié avec un bain catalysant (sel de palladium). Ensuite, on forme un dépôt de cuivre (ou de nickel) sans courant sur la structure afin d'obtenir un revêtement continu de cuivre (ou de nickel) 20 sur la feuille de cuivre initiale, le dépôt de cuivre (sur l'aluminium initial) et les parois des trous traver- sants (Voir figure 2 D et figure 2 E, laquelle est une coupe segmentée prise suivant la ligne E-E de la figure 2 D) Le dépôt de cuivre (ou de nickel) formé sur les parois des trous traversants établit des par- cours conducteurs à travers les trous forés entre la mince feuille de cuivre et le dépôt de cuivre et, via ce dernier, avec le métal de base en aluminium On achève ensuite la structure de la plaque de circuit à microondes,qui est alors prête pour y former ou y définir un dessin de circuit - Après l'achèvement de cette structure de plaque de circuit, on peut former un ou plusieurs des- sins de circuits à micro-ondes sur la surface compor- tant la mince feuille de cuivre initiale Des parties du dessin de circuit seront raccordées, ainsi quton le désire au plan de base par les trous traversants comportant alors un revêtement conducteur. Comme le comprendra l 1 homme de métier, dans le cadre de la présente invention, on peut envi- sager d'appliquer des dép 8 ts métalliques supplémentai- res tels que, par exemple, de la soudure au cuivre ou un alliage de cuivre/nickel/or en vue d'améliorer les propriétés électriques et/ou la soudabilité de la couche de cuivre ou également afin d'obtenir des cou- ches métalliques résistant à l'action des mordants chimiques utilisés pour définir les éléments de cir- cuit. REVENDICATIONS 1 Procédé en vue de réaliser une plaque de circuit à partir d'un lamifié d'une matière dié- lectrique intercalé entre des couches de cuivre et d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à former au moins un trou tra- versant dans le lamifié, anodiser les zones exposées de la couche d'aluminium dans du H 3 PO 4 tout en iso- lant électriquement l'aluminium du cuivre, déposer i O un métal conducteur par voie électrolytique sur le revêtement anodique de l'aluminium, soumettre des zones exposées de la matière diélectrique à une mor- sure et déposer, sans courant, un revêtement métalli- que conducteur sur toutes les surfaces exposées du lamifié. 2 Procédé suivant la revendication-1, caractérisé en ce que l'étape de formation de trous traversants consiste également à former un dessin de trous à travers le lamifié constitué d'aluminium, d'une matière diélectrique et de cuivre de telle sorte que les étapes ultérieures d'anodisation, de dépôt électrolytique, de morsure et de dépôt sans courant établissent des parcours conducteurs à travers la plaque et via les trous traversants comportant un dépot. 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'anodisation consiste à établir un contact électrique avec la couche d'alu- minium au moyen d'un contact en titane isolé électri- quement de la couche de cuivre. 4 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape dedép 8 t électrolytique consiste à plonger le lamifié anodisé dans'une cuve contenant du Cu SO 4 après avoir établi un contact élec- trique entre une source de courant et l'anode, ainsi que la cathode de l'appareil de dépôt. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape d'anodisation consiste à maintenir la température du H 3 PO 4 dans l'intervalle allant de 40 à 480 C. 6 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on pour- suit l'étape d'anodisation jusqu'à ce qu'il se forme un revêtement d'oxyde pesant entre 0,6 et 13 mg/cm 2. 7 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt électrolytique consiste à déposer du cuivre ou du nickel par voie électrolytique dans les conditions suivantes température de la solution = 21 à 320 C courant cathodique = 1,85 à 3,7 ampères/m 2 rapport surface anodique/surface cathodique 1:1 à 2:1 durée = 10 à 20 minutes solution agitée avec de l'air pur. 8 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que l'étape de dépôt électrolytique consiste à plonger le lamifié dans une cuve de dépôt électrolytique pour laquelle le courant est mis en circuit avant l'immersion. 9 Structure de plaque de circuit compre- nant un lamifié d'une matière diélectrique ( 14) inter- calée entre une première couche relativement épaisse ( 12) d'aluminium et une deuxième couche relativement mince ( 10) de cuivre, au moins un trou traversant ( 16) pratiqué dans le lamifié, un revêtement d'un métal conducteur déposé par voie électrolytique sur toutes les surfaces extérieures ou exposées de l'aluminium ( 12), ces surfaces extérieures ou exposées de l'alu- minium ( 12) étant anodisées avant le dépôt électroly- tique du métal conducteur, ainsi qu'un revêtement d'un métal conducteur déposé sans courant sur toutes les surfaces extérieures ou exposées de la couche de cuivre relativement mince ( 10), le cuivre déposé par voie électrolytique ( 10) et la matière diélectrique ( 14), y compris l'une ou l'autre partie de ces der- nières qui définit les parois des trous traversants ( 16). 10. Structure de plaque de circuit suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le revête- ment conducteur déposé par voie électrolytique est en cuivre ou en nickel. 11 Structure de plaque de circuit suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le revête- ment conducteur déposé sans-courant est en cuivre ou en nickel.