Brevet FR2538165A1 — publié le 19840622

La présente invention concerne un nouveau procédé de fabrication de supports isolants pour circuits hybrides couches épaisses et a trait également à un support isolant obtenu par ce procédé ainsi qu'à une encre de passivation spéciale utilisée pour sa mise en oeuvre. Au cours de ces dernières années, l'utilisation des circuits hybrides dans la fabrication des appareillages et équipements électroniques est allée en augmentant et en se diversifiant. Parmi les circuits hybrides, on distingue les circuits couches minces ayant des épaisseurs de conducteurs inférieures à 2# m des circuits couches épaisses ayant des épaisseurs de conducteurs comprises entre 10 et 100 r m. Les circuits hybrides couches épaisses, qui sont les plus largement utilisés, sont d'une manière générale constitués par un support isolant sur lequel sont rapportés, par sérigraphie, les liaisons conductrices et les composants passifs et, par soudure ou brasure, les composants actifs. Devant l'élargissement continuel des domaines d'application des circuits hybrides, on a été amené à rechercher pour la fabrication de leurs supports isolants, des produits ou matériaux présentant des propriétés compatibles avec les différentes conditions d'utilisation et de fonctionnement dans ces nombreuses applications. On a ainsi constaté que le matériau le mieux adapté à cette fin était l'alumine. Or, la fabrication de supports isolants en alumine nécessite la mise en oeuvre d'un appareillage complexe# spécifiquement adapté à cette fabrication. C'est pourquoi, pour des raisons de rentabilité, les fabricants de circuits hybrides, au lieu de produire eux-mêmes ces supports, s'approvisionnent chez des fabricants spécialisés qui fournissent les supports à la demande, aux formes et dimensions souhaitées. Mais, malgré tout, le prix de revient des supports en alumine reste élevé, essentiellement à cause de leur mauvaise aptitude à l'usinage qui conduit à l'utilisation d'un outillage technologiquement complexe et donc très onéreux. Parallèlement, on cherche de plus en plus, pour des raisons technicoéconomiques, à augmenter les dimensions des circuits hybrides et le nombre des composants par unité de surface. Or, comme on le sait, les supports en alumine sont relativement fragiles et présentent une résistance aux chocs thermiques et mécaniques d'autant moins bonne que leurs dimensions s'accroissent. Par ailleurs, l'alumine est par nature mauvaise conductrice de la chaleur et ne peut assurer une dissipation thermique suffisante dans le cas d'une intégration très dense des composants du circuit sur le support isolant On commence bien à voir apparaître sur le marché des supports isolants d'un nouveau type en tôle d'acier émaillée. On retrouve toutefois dans ces supports certains des inconvénients déjà mentionnés, à savoir leur coût élevé et la nécessité d'une fabrication à la demande à l'aide d'appareillages spéciaux. A cela s'ajoute que leurs propriétés ne sont actuellement pas répétitives. En considérant tous ces inconvénients de la technologie actuelle, la présente demanderesse a étudié les possibilités de fabrication de nouveaux supports pour circuits hybrides, qui soient tout à la fois bon marché, facilement usinables, bon conducteurs de la chaleur et susceptibles d'être réalisés en grandes dimensions et sous n'importe quelle forme, tout en présentant une bonne résistance aux chocs thermiques et mécaniques. Ces études ont débouché sur la mise au point d'un procédé de fabrication de supports isolants pour circuits hybrides couches épaisses, qui se caractérise en ce qu'il consiste à découper un substrat aux formes et dimensions voulues dans une tôle métallique, à former sur l'une des faces préalablement polie de ce substrat un revêtement isolant de faible épaisseur en déposant par sérigraphie une encre de passivation spéciale, facilement sérigraphiable, dont les propriétés mécaniques, électriques, chimiques et thermiques sont adaptées, d'une part, à l'ensemble des opérations de report et de cuisson des lignes conductrices, des composants passifs et des composants actifs ultérieurement sérigraphiés ou soudés sur le revêtement isolant et, d'autre part, aux conditions de fonctionnement du circuit hybride, et à traiter thermiquement ce revêtement isolant. Ce procédé de fabrication de supports isolants de circuits hybrides offre vis-à-vis des procédés de l'art antérieur de nombreux avantages. En premier lieu, il permet aux fabricants de circuits hybrides de réaliser eux-mêmes les supports isolants. En effet, le découpage du substrat dans une tôle métallique est une opération qui peut être aisément menée à bien à l'aide d'un outillage tout à fait conventionnel et donc peu coûteux et ce, quelles que soient les dimensions et la forme que l'on souhaite donner aux substrats. Par ailleurs, le dépôt par sérigraphie du revêtement isolant peut être réalisé à l'aide du matériel de sérigraphie dont disposent déjà les fabricants de circuits hybrides pour les opérations de report des lignes conductrices et des composants passifs. Les autres avantages procurés par le procédé, objet de la présente invention, résident dans le fait que les substrats métalliques permettent d'obtenir une dissipation thermique relativement élevée, entralnent un abaissement du prix de revient global des circuits, peuvent être découpés en grandes dimensions tout en conservant leurs propriétés de résistance aux chocs et simplifient la connectique en constituant unXplan masse commun. A côté dezeela, l'utilisation,.pour le dépôt durevêtement isolant, du matériel de sérigraphie bien au p#oint, entièrement automatisable et parfaitement maîtrisé par les fabricants de circuits hybrides, entraîne une rapidité de fabrication et donc un abaissement des coûts. En outre, la technique de sérigraphie permet de produire aisément des revêtements isolants multicouches pour éliminer les porosités ouvertes, de leur donner n'importe quelle épaisseur entre dix et plusieurs dizaines de microns, de les réaliser sur des surfaces également variables entre quelques cm2 et plusieurs dizaines de cm2, le choix de la géométrie de la surface passivée étant en outre facilité par le positionnement aisé des épargnes sur l'écran de sérigraphie.Enfin, le procédé de dépôt par sérigraphie conduit à une très bonne reproductibilité des propriétés des revêtements isolants d'un support à l'autre. Il faut encore signaler que le procédé selon l'invention pour la fabrication des supports isolants de circuits hybrides est d'une grande souplesse d'utilisation en ce sens qu'il permet, suivant le type de sérigraphie envisagée pour le report des lignes conductrices et des composants passifs, de passiver des substrats métalliques de natures différentes à l'aide d'encres de passivation de compositions différentes. On peut ainsi dans des fabrications de séries, optimiser au mieux les prix de revient, en choisissant judicieusement les matériaux de base constitutifs du substrat métallique et du revêtement isolant, les mieux adaptés au circuit hybride projeté. A ce propos, d'après le procédé de l'invention, on utilise des substrats en aluminium ou en alliage d'aluminium pour des encres serigraphiables à cuisson moyenne température (entre 450 et 600 ) et des substrats en acier inoxydable ou en alliages de ce métal pour des encres sérigraphiables à cuisson haute température (entre 700 et'9000 C). On précisera ici que l'on désigne par encres sérigraphiables les encres servant à sérigraphier les liaisons conductrices et les composants passifs sur le revêtement isolant. L'encre de passivation spéciale utilisée dans le procédé selon l'invention est quant à elle de préférence thixotropique et présente une aptitude optimale à la sérigraphie lorsque sa viscosité est de 50 000 à 120 000 c.p.s. à 200 C. Son dépôt par sérigraphie sur le substrat métallique peut être effectué à travers un écran de 200 à 400 mesh. Le traitement thermique que subit le revêtement isolant réalisé à l'aide de cette encre consiste en un séchage à la température ambiante ou à une température supérieure, suivi d'une cuisson en une ou plusieurs étapes, à une température comprise entre 100 et 3000 C. D'une manière générale, l'encre de passivation selon l'invention est constituée d'un liant liquide et d'une charge qui consiste en une poudre de matériau réfractaire de granulométrie très fine, ce mélange étant réalisé à l'air ou sous vide, dans un malaxeur-dessicateur spécialement étudié à cet effet. Pour la sérigraphie moyenne température, le liant liquide est plus précisément constitué par un polyamide en solution qui sera de préférence le produit vendu sous la marque "EPO-TE1C 390" par la société EPOTECNP. En variante, il peut toutefois consister en un mélange plastique céramique liquide qui sera de préférence le produit vendu sous la marque "ARSTCD-SEAL 529" par la société "SEIRAT SA". Pour la sérigraphie haute température, le liant liquide est plus précisément constitué par un polychlorure métallique en solution et l'on choisira de préférence celui qui est commercialisé sous la marque "CERAMA-BIND 54211. On sera éventuellement amené à ajuster la viscosité du liant liquide au moyen d'un solvant organique, cette viscosité devant, selon l'invention, être de préférence comprise entre 100 et 500 c.p.s. à 200 C. Avantageusement, ce solvant organique est choisi dans la famille des hydrocarbures hétérocycliques azotés et sera de préférence constitué par une N- méthyl pyrrolidone. En outre, la charge qui est mélangée au liant doit de préférence pré senter une granulométrie comprise entre 0,5 et 2p m avec une forme de particule la plus proche de la sphère et avoir une pureté de l'ordre de 99,9 %. Cette charge peut être constituée par des poudres de matériau réfractaire de différentes natures. C'est ainsi que l'on pourra utiliser des poudres d'oxydes métalliques tel que Al203, TiO2-, Ta205, Si02, des poudres de titanates métalliques tels que le titanate de strontium, de plomb ou de bismuth ou encore des poudres de nitrures métalliques tels que le nitrure de bore ou de tantale. On comprendra qu'en faisant varier la nature et les proportions du liant et de la charge, on#peut réaliser des revêtements isolants présentant des propriétés différentes. En particulier, le choix du liant conditionne les propriétés mécaniques du revêtement isolant et détermine sa température maximale d'utilisation, alors que le choix de la charge a une influence sur ses propriétés électriques, thermiques et granulométriques. A ce propos, on notera que l'utilisation comme charge d'une poudre d'oxyde métallique permet d'ajuster la constante diélectrique du revêtement isolant à une valeur comprise entre 5 et 6 alors qu'une poudre de titanate métallique permet de porter cette constante diélectrique à une valeur comprise entre 10 et 13 ; en outre, une charge constituée par un nitrure métallique conduit à améliorer la finesse du grain. On va maintenant décrire avec plus de détails, deux exemples de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention pour la fabrication de supports isolants pour circuits hybrides couches épaisses. EXEMPLE 1. Cet exemple se rapporte-à la fabrication de supports isolants dont les propriétés sont compatibles avec la sérigraphie moyenne température (450 à 6000 C). L'encre de passivation utilisée dans ce premier exemple est préparée à partir d'une poudre de Au203 constituant la charge et d'un liant qui consiste en un mélange plastique céramique liquide de marque "AREMCO-SEAL 529". La viscosité du liant est ajustée à une valeur de 200 c.p.s. à 200 C tandis que la poudre de A1203 a une pureté de 99,9 % pour une granulométrie 23 moyenne de 1 p m et est traitée par un séchage sous vide à 1500 C pendant une heure. L'encre de passivation est obtenue par un malaxage à l'ambiante, à 200 t/minute et pendant 20 minutes, des deux composants qui apparaissent dans des proportions d'environ 25 % en poids pour le liant et d'environ 75 % en poids pour la charge. L'encre résultant de ce malaxage présente une viscosité de 100 000 c.p.s. à 200 C et peut être conservée pendant six mois à la température ambiante. Le substrat métallique utilisé dans ce premier exemple est découpé dans une tôle d'aluminium de 2 mm d'épaisseur qui présente une face polie miroir. Les dimensions de ce substrat sont en général comprises entre 25 x 25 mm et 200 x 200 mm. L'encre de passivation est déposée sur ce substrat par sérigraphie à travers un écran en acier inoxydable de 200 mesh. Pour éviter la formation de porosités ouvertes, on dépose successivement deux couches identiques qui subissent chacune, après leur dépôt respectif, le même traitement thermique, à savoir, un séchage à l'air ambiant pendant une heure,suivi d'une cuisson à 1250 C pendant une heure puis à 1500 C pendant encore une heure. Chacune des couches isolantes formées présente après cuisson une épaisseur de l'ordre de 15 / m de sorte que le revêtement isolant final a une épaisseur voisine de 30 r m. Le support isolant ainsi réalisé a été ensuite soumis à un certain nombre d'essais qui ont permis d'en vérifier les propriétés. Ces essais ont conduit aux constatations suivantes a) Essais thermiques Après une montée à 5000 C en une minute suivie d'un trempé dans la'air ambiant, on n'observe ni-craquelure ni décollement du revêtement isolant et, si l'on maintient le support à cette température pendant six heures, aucun défaut particulier n'apparàit. Diverses expériences ont en outre permis de déterminer que la température maximale d'utilisation du revêtement isolant est de 6000 C pendant quelques minutes. b) Essais électriques Après des chocs thermiques à 5000 C sur des condensateurs sérigraphiés ~ 5 mm à l'aide d'une encre conductrice cuite à 5500 C pendant 10 minutes, on mesure les caractéristiques suivantes -Ri sous 500 V > 1013 er à 1000 Hz = 5 tgd à 1000 Hz = 20 . 104 - Rigidité diélectrique : 70 Vi c) Essais mécaniques Ces essais ont donné les résultats suivants - Etat de surface mesuré au Talysurf = 1 r m CLA 2 - Adhérence après chocs thermiques > 20 kg/mm . On ne constate pas de variation par rapport à l'adhérence initiale. - Bonne mouillabilité et bonne adhérence après cuisson à 5500-C. EXEMPLE 2 Cet exemple se rapporte à la fabrication de supports isolants dont les propriétés sont compatibles avec la sérigraphie haute température (entre 70Q et 9000 C). Le liant utilise ici est un polychlorure métallique en solution ayant une viscosité relativement faible de l'ordre de 150 c.p.s. à 200 C, ce polychlorure étant constitué par le produit vendu sous la marque "CERAMA-BIND 542". La charge est quant à elle constituée par une poudre de nitrure de bore ayant une pureté de 99,9 % et une granulométrie moyenne de 2pm. Cette poudre est traitée par un séchage sous vide à 1500 C pendant une heure. L'encre de passivation est obtenue par un malaxage à l'ambiante, à 150 t/minute et pendant 15 minutes, des deux composants qui apparaissent dans des proportions d'environ 70 % en poids pour le liant et d'environ 30 % en poids pour la charge. L'encre résultant de ce malaxage présente une viscosité de 120 000 c.p.s. à 200 C et peut être conservée pendant six mois à la température ambiante. Le substrat métallique utilisé dans ce deuxième exemple est découpé dans une tôle d'acier inoxydable de 2 mm d'épaisseur qui présente une face polie miroir. Les dimensions de ce substrat sont en général comprises entre 25 x 25 mm et 200 mm x 200 mm. L'encre de passivation est déposée sur ce substrat par sérigraphie à travers un écran en acier inoxydable de 325 mesh. Pour éviter la formation de porosités ouvertes, on dépose successivement deux couches identiques qui subissent chacune, après leur dépôt respectif, le même traitement thermique, à savoir un séchage à 950 C pendant une heure suivi d'une cuisson à 2050 C pendant une heure. Chacune des couches isolantes formées présente après cuisson une épaisseur de l'ordre de 20 f m de sorte que le revêtement isolant final a une épaisseur voisine de 40 P m. Les essais effectués sur le support isolant ainsi réalisé ont conduit aux constatations suivantes a) Essais thermiques Après une montée à 9000 C en dix minutes suivie d'un trempé dans l'air ambiant, on n'observe ni craquelure, ni décollement du revêtement isolant et, si lton maintient le support à cette température pendant une heure, on ne constate aucune évolution particulière du revêtement isolant du point de vue de ses propriétés électriques et mécaniques. La température maximale d'utilisation du revetement isolant est de 10000 C pendant quelques minutes. b)- Essais électriques Après des chocs thermiques à 9000 C sur des condensateurs sérigraphiés à l'aide d'une encre conductrice cuite à 9000 C pendant dix minutes, on mesure les caractéristiques suivantes sous 500 V > 1O13# à er à 1000 Hz = - tg# s à 1000 Hz = 70.10 - Rigidité diélectrique : 60 V/p m. c) Essais mécaniques Ces essais ont donné les résultats suivants - Etat de surface mesuré au Talysurf = 1,2 X m CLA 2 - Adhérence après chocs thermiques : 20 kg/mm . On ne constate pas de variation par rapport à l'adhérence initiale. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de supports isolants pour circuits hybrides couches épaisses, caractérisé en ce qu'il consiste à découper un substrat aux formes 'et dimensions voulues dans une tôle métallique, à former sur l'une des faces préalablement polie de ce substrat, un revêtement isolant de faible épaisseur en déposant par sérigraphie une encre de passivation spéciale, sérigraphiable, dont les propriétés mécaniques, électriques, chimiques et thermiques sont adaptées, d'une part, à l'ensemble des opérations de report et de cuisson des lignes conductrices, des composants passifs et des composants actiSs ultérieurement sérigraphiés ou soudés sur le revêtement isolant et, d'autre part, aux conditions de fonctionnement du circuit hybride, et à traiter thermiquement ce revêtement isolant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on découpe le substrat dans une tôle d'aluminium ou d'alliage d'aluminium et en ce qu'on forme-sur l'une de ses faces un revêtement isolant constitué par une encre de passivation dont les propriétés sont compatibles avec la sérigraphie à cuisson moyenne température, c'est-à-dire entre 450 et 6000 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on découpe le substrat dans une tôle en acier inoxydable ou en alliage d'acier inoxydable et en ce qu'on forme sur l'une de ses faces un revêtement isolant constitué par une encre de passivation dont les propriétés sont compatibles avec la sérigraphie à cuisson haute température c'est-à-dire entre 700 et 9000 C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on sérigraphie l'encre de passivation à travers un écran de 200 à 400 mesh. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on utilise une encre de passivation thixotropique dont la viscosité est comprise entre 50 000 et 120 000 c.p.s. à 200 C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le traitement thermique du revêtement isolant consiste à le sécher à la température ambiante ou à une température plus élevée, puis à le cuire entre 100 et 3000 C en une ou plusieurs étapes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on forme le revêtement isolant par dépôt d'au moins deux couches superposées que l'on soumet chacune au môme traitement thermique après leur dépôt respectif. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on utilise comme encre de passivation un mélange d'une poudre de matériau réfractaire de granulométrie très fine avec un liant liquide cons titué par un polyimide en solution ou un polychlorure métallique en solution ou encore un mélange plastique-céramique liquide. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que# le liant liquide utilisé présente une viscosité comprise entre 100 et 500 c.p.s. à 200 C et en ce que l'on ajuste éventuellement cette viscosité à l'aide d'un solvant organ#ique. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le solvant organique est choisi dans la famille des hydrocarbures hétérocycliques azotés. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le solvant organique est une N-méthyl pyrrolidone. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la poudre de matériau réfractaire est consitituée par une poudre d'oxyde métallique ou de titanate métallique ou de nitrure métallique. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la poudre de matériau réfractaire présente une pureté de 99,9 %. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, pour la fabrication de supports isolants adaptés à la sérigraphie moyenne température (450 à 6000 C), caractérisé en ce que l'encre de passivation utilisée comprend environ 25 % en poids d'un mélange plastique-céramique liquide présentant une viscosité de 200 c.p.s. et environ 75 % en poids d'une poudre d'Al203 dont la granulométrie moyenne est de 1 r n. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, pour la fabrication de supports isolants adaptés à la sérigraphie haute temperature (700 à 9000 C), caractérisé en ce que l'encre de passivation utilisée comprend environ 70 % en poids d'un polychlorure métallique en solution présentant une viscosité de 150 c.p.s. et environ 30 % en poids d'une poudre de nitrure de bore dont la granulométrie moyenne est de 2 t m. 16. Support isolant pour circuits hybrides couches épaisses fabriqué selon le procédé défini par l'une quelconque des revendications 1 à 15. 17. Encre de passivation pour la mise en oeuvre du procédé défini par l'une quelconque des revendications 8 à 15.