Brevet FR2541511A1 — publié le 19840824

SUBSTRAT POUR SUPPORT DE CIRCUITS INTEGRES - La présente invention concerne un substrat pour support de circuits in- tégrés, assurant une interconnexion électrique avec un support de cir- cuit intégré et comportant une carte imprimée multicouche rigide ou semirigide. Avec l'intégration à une échelle toujours plus grande des circuits 6- lectroniques intégrés, le nombre des connexions d'entrée et de sortie du support des circuits intégrés augmente dans une mesure correspondan- te Il en résulte un abandon progressif des boîtiers de support à dou- ble rangée de broches, dans lesquels deux rangées de broches de con- nexion sont montées sur des côtés opposés du boîtier de support, en faveur des supports à contact direct Les supports à contact direct com- portent généralement une plaque carrée de céramique, par exemple d'alu- mine, sur laquelle est monté le circuit intégré Les connexions électri- ques avec le support sont réalisées au moyen de plaquettes de contact métallisées disposées autour de chaque bord du support On monte le sup- port à la surface d'une carte imprimée ou d'un substrat, simplement en plaçant le support sur des plaquettes de contact correspondantes soli- daires de la carte ou du substrat et en réalisant une connexion élec- trique et mécanique par soudure Cette disposition est moins encombran- te que celle des boîtiers de support à double rangée de broches et per- met une plus grande densité des connexions d'entrée et de sortie. Cependant, les supports à contact direct présentent des inconvénients qui découlent de leur mode de fixation au substrat Contrairement aux boîtiers de support à double rangée de broches, dans lesquels la con- nexion s'effectue au moyen de broches relativement flexibles, le sup- port à contact direct est fixé rigidement au substrat ce qui ne permet aucun mouvement relatif entre le support et le substrat Si le support et le substrat sont réalisés en matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique différents, toutes variations de température provoquent une dilatation thermique différentielle entre les deux com- posants Cela provoque sur les connexions soudées des efforts qui peu- vent conduire à la rupture de la connexion, spécialement après des cy- cles thermiques répétés, et qui peuvent, dans les cas les plus graves 2 amener le support à se détacher du substrat On a tenté d'harmoniser les caractéristiques des dilatations thermiques du support et du sub- strat mais, même quand Ses deux pièces sont en matériaux identiques, cela ne résoud pas complètement le problème, car le support et le sub- strat peuvent ne pas se trouver à la même température Ce problème se pose particulièrement quand un tel assemblage est soumis de manière ré- pétée à des différences de températures qui résultent de l'énergie ther- mique dissipée par les semi-conducteurs dans le support. On a proposé diverses autres dispositions pour réduire l'effet des dif- férences de températures sur la fixation des supports à contact direct, mais elles n'ont pas encore montré qu'elles permettent de maîtriser en- tièrement ce problème. Par conséquent, la présente invention a pour objet de fournir un sub- strat pour support de circuits intégrés qui permet de remédier aux pro- blèmes mentionnés ci-dessus. Dans ce but, la présente invention concerne un substrat pour support de circuits intégrés, du type mentionné plus haut, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche métallique de dissipation thermique et un patin métallique se trouvant en contact thermique à la fois avec la couche de dissipation thermique et avec une face du support de cir- cuits intégrés, de manière à transmettre la chaleur entre le support et la couche de dissipation thermique. Selon une forme de réalisation avantageuse, la couche de dissipation thermique peut être disposée sur la face supérieure de la carte, du cô- té du support Le patin peut comporter une tige conductrice de la cha- leur, qui s'étend dans une ouverture tranversant la carte, le substrat comportant une couche de dissipation thermique disposée sur la face in- férieure de la carte, du côté opposé au support et la tige étant en contact thermique avec la couche inférieure de dissipation thermique. Le patin peut comporter une tête dont la section est plus grande que celle de la tige, cette tête étant en contact thermique avec la couche de dissipation thermique disposée sur la face supérieure de la carte. L'ouverture traversant la carte peut être pourvue d'un revêtement métal- -3- lique et une couche de soudure peut être disposée entre la tige et ce revêtement métallique Le substrat peut comporter une couche d'élasto- mères sur sa face inférieure, la tige s'étendant à travers cette couche inférieure d'élastomères, et une couche de dissipation thermique peut être appliquée sur la face inférieure de la couche inférieure d'élasto- mères en se trouvant en contact thermique avec la tige Le substrat peut comporter, à sa surface supérieure une couche de matière électriquement conductrice, qui est en contact électrique avec le support de circuits intégrés, et le patin peut s'étendre plus haut que cette couche, de- sorte que le support est supporté par le patin et se trouve à distance de cette couche Le patin peut être fixé sur une couche de dissipation thermique à la face supérieure de la carte par une couche de soudure ou d'une autre matière fusible, la connexion électrique du support avec la couche de matière électriquement conductrice étant réalisée avec de la soudure de telle manière que, lorsque la soudure est chauffée, l'écou- lement de la soudure presse le patin contre le support Le substrat peut comporter une couche d'élastomères sur sa face supérieure, du côté du support, et une couche de matière électriquement conductrice sur la surface supérieure de la couche d'élastomère Dans ce cas, la couche de matière électriquement conductrice peut comporter des pistes allon- gées qui relient des éléments de contact, auxquels est connecté le support de circuit intégré, à des éléments conducteurs fixés rigide- ment à la carte, et au moins certaines de ces pistes présentent un coude sur leur longueur pour supporter des déplacements dans un sens ou dans l'autre par rapport aux éléments conducteurs Le patin peut être réalisé en cuivre, tandis qu'au moins l'une des couches de dissi- pation thermique peut être réalisée en invar cuivré La structure du substrat peut être sensiblement symétrique dans le sens de l'épaisseur, la face supérieure et la face inférieure de la carte comportant toutes deux une couche de dissipation thermique disposée contre la carte, une couche d'élastomère disposée sur la couche de dissipation thermique, et une couche de matière électriquement conductrice disposée sur la cou- che d'élastomères. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'une forme de réalisation d'un substrat pour support de circuits inté- grés donnée ci-dessous à titre d'exemple, et aux dessins annexés, dans 4 lesquels: *La figure 1 est une vue-en coupe verticale à travers une partie du sub- strat, illustrant schématiquement ces composants, La figure 2 est une vue en plan de la surface supérieure du substrat, et, La figure 3 est une vue en coupe verticale à travers une partie du sub- strat, à une échelle agrandie, représentant également un support de circuit intégré En référence aux figures, le substrat pour support de circuits intégrés est formé sur une carte imprimée multicouche 1 de type classique, rigi- de ou semi-rigide La surface de la carte comporte une couche de matiè- re électriquement conductrice 20 formant un réseau de pistes conductri- ces (dont une partie est illustrée sur la figure 2) auxquelles sont connectés divers supports 50 de circuits intégrés. La carte 1 comprend des couches alternées de matière conductrice, res- pectivement diélectriques non-conductrices Les couches conductrices sont connectées avec la couche superficielle et sont disposées en pis- tes dont le tracé établit une interconnexion entre les supports de cir- cuits intégrés et d'autres composants électroniques montés sur la car- te On connait déjà des cartes multicouches de ce type Dans la carte décrite ici, les couches non-conductrices sont réalisées en composite de résine et fibres de verre ou en composite de polyimide armé pré- sentant une forte teneur en fibres de verre D'autres matériaux utili- sables dans ce but comprennent un composite de résine et de la matiè- re commercialisée sous le nom de Kevla li, ou la matière commerciali- sée sous le nom de Mycaply W, qui renferme de la fibre de quartz. Des couches respectives 4 et 5 d'invar cuivré sont disposées sur la surface supérieure 2 et la surface inférieure 3 de la carte 1 *Ces couches 4 et 5 comprennent une âme d'invar qui est revêtue de cuivre sur ses faces opposées pour améliorer la liaison avec la carte 1, et 1 a liaison des composants électriques avec ces couches, pour une meil- -5 leure conduction thermique L'invar des couches 4 et 5 modifie le coef- ficient global de dilatation thermique du substrat Les cartes utilisant du Keviar ou du Mycaply pour les couches diélectriques mettent à profit les propriétés de ces couches diélectriques pour limiter le coef- ficient global de dilatation thermique du substrat; avec de telles car- tes les couches 4 et 5 sont en cuivre. Des films 10 et 11 de matière élastomère sont disposes respectivement sur les faces supérieure et inférieure du substrat et recouvrent les couches 4 et 5 d'invar cuivré Les films 10 et 11 peuvent être réalisés en polyimideet sont fixés au substrat au moyen d'un adhésif acrylique, les propriétés élastomère du film étant, en fait, assurées principale- ment par l'adhésif plutôt que par le film lui-même Dans d'autres exé- cutions, les films 10 et Il peuvent être réalisés, par exemple, en ca- outchouc butyle, en P T F E ou en tout élastomère adéquat Une mince couche de cuivre 20, respectivement 21, est disposée sur chacun des films 10 et 11, cette couche pouvant âtre formée sur le film avant qu'il soit laminé sur la carte, ou bien ajoutée après le laminage Certaines parties des couches de cuivre 20 et 21 sont enlevées de manière sélec- tive, de manière à former un réseau d'interconnexions et de plaquet- tes de contact qui sera décrit en détail ci-dessous Les couches élas- tomère 10 et 11 comportent des ouvertures donnant accbs aux couches sous-jacentes 4 et 5 en invar cuivré. Des trous métallisés, tel que le trou 22 illustré sur la figure 1, réa- lisent une interconnexion des couches de cuivre 20 et 21 avec les cou- ches électriquement conductrices désirées dans la carte 1. La figure 1 illustre deux formes différentes de patins de transmission de chaleur 30 et 40, qui sont situés au-dessous des supports 50 de circuits intégrés et en contact avec eux (figures 2 et 3) Les patins et 40 servent à conduire la chaleur de la surface inférieure du sup- port 50 vers le substrat, et plus spécialement vers les couches 4 et 5 du substrat. Le réseau réalisé sur la surface supérieure du substrat est représenté à la figure 2 Le patin de transmission de chaleur 40 est représenté au 41511 -6- centre de ce réseau et il est entouré de vingt-huit plaquettes de con- tact 70 formées par la couche conductrice 20 Les plaquettes 70 sont de forme rectangulaire et sont disposées en face des plaquettes de con- tact formées sur le support 50 de circuit intégré Chacune des pla- quettes 70 est connectée à un trou métallisé 22 respectif par une é- troite piste conductrice 71 dont le tracé est coudé et-qui sont éga- lement formées dans la couche 20. Le patin 40 est utilisé avec des supports de circuits intégrés dissi- pant une grande quantité de chaleur Le patin 40 comprend une tête car- rée 41 réalisée d'une pièce avec une tige de transmission thermique 42. L'ensemble du patin 40 est en cuivre massif et peut être réalisé par attaque chimique ou par usinage La tête 41 est appuyée sur la couche supérieure 4 en contact thermique avec elle, et du fait que son épais- seur est supérieure à celle de la couche élastomère 10, elle dépasse la surface de cette couche 10 La tige 42 est une baguette cylindrique pleine et s'étend vers le bas à partir de la tête 41 dans une ouvertu- re 43, en traversant complètement la couche 4, la carte 1, la couche et la couche élastomère 11 Le diamètre de l'ouverture 43 est légè- rement plus grand que celui de la tige 42, l'ouverture étant revêtue d'une couche 44 de cuivre comme décrit plus en détail ci-dessous A son extrémité inférieures la tige 42 est reliée à une plaquette de cuivre 45 formée sur la couche élastomère inférieure 11. En référence à la figure 3, la tige 42 et la tête 41 du patin 40 sont fixées au substrat au moyen d'une couche de soudure 46 La soudure 46 remplit l'espace situé entre la tige 42 et l'ouverture 43 et sert éga- lement à-relier la tige à la plaquette inférieure 45 pour transmettre la chaleur La couche de cuivre 44 revêtant l'ouverture 43 garantit une bonne liaison entre la tige 42 et le substrat, tandis que le re- vêtement de cuivre de la couche 4 assure une bonne liaison entre la tête 41 et la couche 4. Le patin 30 est utilisé avec des supports de circuits intégrés plus petits ou dissipant moins de chaleur, ou bien lorsque le dispositif de refroidissement'utilisé ne nécessite pas de transmettre la chaleur à la face opposée du substrat Le patin 30 est en cuivre et il pré- sente la même taille et la même forme que la tête 41 de l'autre varian- te de patin 40, toutefois, il ne comporte pas de tige de transmission -thermique s'étendant à travers le substrat Le patin 30 repose directe- ment sur la couche supérieure 4, à laquelle-il est fixé par une mince couche de soudure 31. Le support 50 de circuit intégré est de construction connue du type à contact direct, comprenant un support carré en alumine sur lequel est monté un circuit électronique intégré à 28 entrées/sorties Ces plaquettes de contact 51 sont formées sur chaque bord du support 50 et sont connectées aux lignes d'entrée ou sortie appropriées du circuit intégré Grâce à l'épaisseur du patin de transmission de chaleur 40, les bords du support 50 sont surélevés par rapport au substrat et en particulier les plaquettes de contact 51 du support se trouvent à une certaine distance des plaquettes correspondantes 70 du substrat L'in- terconnexion des plaquettes de contact respectives 70 et 51 est réali- sée au moyen de soudures 53 Grâee à la distance séparant les plaquet- tes de contact respectives 70 et 51, la soudure peut couler librement sous le support 50 pour former une soudure épaisse et bien appliquée. Sur l'autre patin de transmission de chaleur 30, un support des circuit intégré est monté de manière semblable. La connexion par soudure entre les plaquettes de contact 70 et 51, ain- si qu'entre le substrat et les patins de transmission de chaleur 30 et , s'effectue de préférence selon un procédé classique de soudure par refonte Suivant un tel procédé, on porte le substrat et les supports à une température suffisante pour amener une parcelle de soudure à fondre et couler entre les pièces Comme le montre les flèches de la figure 3, l'action capillaire de la soudure entre les plaquettes de con- tact 51 et 70 a pour effet de tirer le support 50 vers le bas, en di- rection du substrat, tandis que la soudure située entre le dessous de la tête 41 et la surface de la coûche d'invar cuivré 4 tend à couler vers l'intervalle qui sépare la tête du substrat, exerçant ainsi une force qui soulève le patin 40 La combinaison de la force exercée vers le haut par le patin 40 sur le centre du support 50 et des forces exer- cêes vers le bas par les soudures 53 tout autour du bord du support -8 assurent un contact intime du support 50 avec le patin Ceci garantit le maintien permanent d'un bon contact thermique. La couche de soudure 31 située entre la face inférieure du patin 30 et la couche 4 agit de la même manière, afin d'améliorer la transmission de chaleur entre un support monté sur le patin 30 et le substrat. Les matériaux et la structure du substrat sont choisis de manière à ré- duire les risques d'apparition de haute température, de variation de la température, ou de gradient de température pouvant endommager une in- terconnexion des supports avec le substrat Il faut remarquer que, si le coefficient de dilatation thermique des matériaux constituant le support et le substrat est différent, il y aura entre eux une dilata- tion différentielle Cependant, même si ces coefficients de dilatation sont bien assortis, il subsiste un risque de dilatation différentielle du fait que les composants peuvent se trouver à des températures diffé- rentes Ceci représente un problème particulier si les circuits inté- grés dissipent beaucoup de chaleur ou si le montage est soumis à une température ambiante qui changera rapidement Le film élastomère 10 permet d'encaisser une dilatation différentielle du support 50 par rap- port à la carte 1, dans le plan de la carte La nature élastique du film 10 permet à la couche superficielle 20, à laquelle est soudé le support 50, de se déplacer légèrement par rapport au substrat sous-ja- cent Bien que les trous métallisés 22 relient mécaniquement la couche superficielle 20 avec le substrat sous-jacent, on remarquera sur la fi- gure 2 que la forme coudée des pistes conductrices 71 permet, par rap- port aux trous métallisés 22, un certain déplacement des plaquettes 70 formées dans cette couche 20 Le mouvement du support 50 par rapport au substrat est maximal suivant les diagonales du support, puisque c'est dans ces directions là que se trouve la plus grande longueur de matière; les angles des pistes coudées 71 sont choisies en conséquence. D'autre part, l'échauffement du support 50 et la dilatation qui en ré- sulte sont réduits par les patins de transmission de chaleur 30 et 40. Les patins 30 et 40 conduisent la chaleur de la face inférieure du sup- port 50 vers une couche du substrat qui conduit et dissipe la chaleur. Dans le cas du patin 40, cette couche de dissipation thermique est cons- 41511 -9- tituée par la plaquette 45, par la couche inférieure d'invar cuivré 5 et par la couche supérieure d'invar cuivré 4 Dans le cas de l'autre patin 30, la chaleur est dissipée avant tout dans la couche supérieure 4. En outre, les patins de transmission de chaleur 30 et 40 remplissent une fonction supplémentaire importante, en ce sens qu'ils maintiennent les plaquettes de contact 51 du support 50 à distance au-dessus des plaquettes 70 du substrat, comme mentionné plus haut Il en résulte des soudures considérablement plus épaisses que si les deux séries de pla- quettes se trouvaient en contact physique direct On a constaté que ces soudures épaisses admettent beaucoup plus facilement un mouvement que les soudures minces, à cause de la nature relativement souple de la soudure. Dans le but de réduire la flexion du substrat provoquée par une dilata- tion différentielle des faces opposées dans le plan du substrat, la structure du substrat est symétrique, dans la mesure du possible Ainsi, ces deux faces comportent des couches d'invar cuivré 4 et 5 sensiblement identiques, ainsi que des films élastomère 'I et 12 De même, les deux couches conductrices 20 et 21 sont de préférence de même forme, même si le réseau de pistes constitué par la couche inférieure n'est pas raccor- dé Les couches internes de la carte 1 sont également de préférence sy- métriques dans le sens de l'épaisseur de la carte. Une fois équipé, le substrat peut être monté de façon à ce que sa face intérieure soit en contact avec un dissipateur de chaleur Un joint conducteur de la chaleur peut être intercalé entre le substrat et le dissipateur de chaleur pour améliorer la transmission thermique Selon une autre variante, le substrat peut être monté de manière que ses deux faces soient exposées à l'air; le refroidissement peut être accru par un courant d'air froid sur les deux faces. La tigê de transmission thermique n'a pas nécessairement la forme d'une baguette pleine,en variante, on peut réaliser un pont thermique équiva- lent à travers le substrat au moyen d'une série de trous de petits dia- mètres, revêtus de cuivre et remplis de soudure On place une plaquette sur l'embouchure du trou et on la met en contact thermique en faisant fondre la soudure. 11 - Revendications l Substrat pour support de circuits intégrés, assurant une intercon- nexion électrique avec un support de circuit intégré et comportant une carte imprimée multicouche rigide ou semi-rigide, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche métallique'de dissipation ther- mique ( 4, 5, 45), et un patin métallique ( 30, 40) se trouvant en contact thermique à la fois avec la couche de dissipation thermique et avec une face du support ( 50) de circuit intégré, de manière à trans- mettre la chaleur entre le support ( 50) et la couche de dissipation thermique ( 4, 5, 45). 2 Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de dissipation thermique ( 4) est-disposée sur la face supérieure ( 2) de la carte ( 1), du côté du support ( 50). 3 Substrat selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le patin ( 40) comporte une tige ( 42) conductrice de la ehaleur, qui s'étend dans une ouverture ( 43) traversant la carte ( 1), en ce que le substrat comporte une couche de dissipation thermique ( 5, 45) disposée sur la face inférieure ( 3) de la carte du côté opposé au sup- * 20 port ( 50), et en ce que la tige ( 42) est en__ontact thermique avec la couche inférieure de dissipation thermique ( 5, 45). 4 Substrat selon la revendication 3, caractérisé en ce que le patin ( 40) comporte une tête ( 41) dont la section est plus grande que celle de la tige ( 42) et en ce que la tête ( 41) est en contact thermique avec la couche de dissipation thermique ( 4) disposée sur la face supé- rieure ( 2) de la carte ( 1). Substrat selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'ouverture ( 43) traversant la carte ( 1) est pourvue d'un revête- ment métallique ( 44), et en ce qu'une couche de soudure ( 46) est dis- posée entre la tige ( 42) et ce revêtement métallique ( 44). 6 Substrat selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caracté- risé en ce qu'il comporte une couche d'élastomère ( 11) sur sa face 254151 1 12 - inférieure, en ce que la tige ( 42) s'étend à travers cette couche infé- rieure d'élastomère ( 11), et en ce qu'une couche de dissipation ther- mique ( 45) est appliquée sur la face inférieure de la couche inférieure d'élastomère ( 11) et se trouve en contact thermique avec la tige ( 42). - 7 Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte, à sa surface supérieure, une couche ( 20) de matière électriquement conductrice, qui est en contact électrique a- vec le support ( 50) de circuits intégrés, et en ce que le patin ( 30, 40) s'étend plus haut que cette couche ( 20), de sorte que le support ( 50) est supporté-par le patin ( 30, 40) et se trouve à distance de cette cou- che ( 20). 8 Substrat selon la revendication 7, caractérisé en ce que le patin ( 30, 40) est fixé sur une couche de dissipation thermique ( 4) à la fa- ce supérieure ( 2) de la carte par une couche ( 31,46) de soudure ou d'une autre matière fusible, et en ce que la connexion électrique du support ( 50) avec la couche ( 20) de matière électriquement conductrice est réa- lisée avec de la soudure ( 53) de telle manière que, lorsque la soudure ( 31, 46, 53) est chauffée, l'écoulement de la soudure presse le patin ( 30, 40) contre le support ( 50). 9 Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'il comporte une couche d'élastomère ( 10) sur sa face supérieure, du côté du support ( 50), et une couche de matière électri- quement conductrice ( 20) sur la surface supérieure de la couche d'élas- tomère ( 10). Substrat selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche de matière électriquement conductrice ( 20) comporte des pistes allongées ( 71) qui retiennent des éléments de contact ( 70), auxquels est connecté le support ( 50) de circuit intégré, à des éléments conducteurs ( 22) fixés rigidement à la carte, et en ce qu'au moins certaines de ces pis- tes ( 71) présentent un coude sur leur longueur pour supporter des dé- placements dans un sens ou dans l'autre, par rapport aux éléments conduc- teurs ( 22). 13 - 11 Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractéris 6 en ce que le patin ( 30, 40) est en cuivre. 12 Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce qu'au moins l'une des couches de dissipation thermique ( 4, 5) est en invar cuivre. 13 Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que sa structure est sensiblement symétrique dans le sens de l'épaisseur, et en ce que la face supérieure ( 2) et la face in- férieure ( 3) de la carte ( 1) comportent toutes deux une couche de dis- sipation thermique ( 4; 5) disposée contre la carte, une couche d'élas- tombre ( 10, 11) disposée sur la couche de dissipation thermique ( 4, 5) et une couche de matière électriquement conductrice ( 20, 21) disposée sur la couche d'élastomère ( 10, 11).