Brevet FR2558763A1 — publié le 19850802

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT CERAMIQUE AVEC PLOTS DE CONNEXION ELECTRIQUES TRANSVERSAUX La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat céramique avec plots de connexion électriques traversant l'épaisseur du substrat. Le développement rapide, au cours des deux dernières décennies et le rôle important que jouent les substrats céramiques dans l'industrie élec tronique : circuits intégrés, écrans d'affichage et autres composants sont bien connus. Il en résulte que des exigences de plus en plus grandes et des problèmes nouveaux sont posés, par les utilisateurs, aux fabricants de substrats. Un des problèmes récemment posé est la réalisation de substrats à points de contacts électriques de part et d'autre demandés par exemple dans la fabrication des boîtiers de composants multicouches pour permettre de miniaturiser les composants et de simplifier les problèmes de connexions électriques. De telles connexions traversant l'épaisseur des substrats sont à l'échei- le des technologies actuelles et doivent etre de diamètres très faibles, inférieurs à 0,15 mm. Les méthodes connues pour leur réalisation ont recours à des opérations de perçage des substrats. Ces opérations de perçages nécessitent un outillage onéreux. De plus, elles allongent sensiblement le temps de réalisation des substrats. L'invention permet de réaliser dans la masse d'un substrat des connexions électriques tout en s'affranchissant de toute opération de perçage. L'invention concerne donc un procédé de fabrication d'un substrat céramique avec plots de connexion électriques transversaux caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: ai fabrication d'une matrice de moulage comportant des trous correspondant, en nombre, en dimensions et en positions, aux plots de connexion à prévoir dans le substrat ; b/ fabrication, à laide de la matrice de moulage, d'un support de coulage dont les formes épousent celles de la matrice de moulage et présentent des bossages résultant des trous et correspondant en nombre, en dimensions et en positions aux plots de connexion à prévoir dans le substrat;; ci dépôt sur le support de coulage d'un film d'un mélange comportant un matériau de base et des produits adjuvants de frittage d/ séchage du film sur le support de coulage e/ démoulage du film à partir du support de coulage fi dépôt d'une pâte conductrice, comportant un matériau de base de même nature que le matériau de base du film additionné d'un fondant, dans les trous du film résultant des bossages du support de coulage; g/ séchage de l'ensemble film - pâte conductrice dans une enceinte chauffante pour obtenir un substrat comportant des plots de connexion; frittage à haute température de l'ensemble film- plots de connexion. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre présentée à titre d'exemple et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente une vue isométrique d'une plaque de substrat sans plot de connexion; - la figure 2 représente une vue isométrique d'une plaque de substrat munie de plots de connexion; - la figure 3, représente une vue en coupe d'une matrice de moulage de forme plane; - la figure 4, représente une vue en coupe d'une matrice de moulage sur laquelle a été moulé un support de coulage; - la figure fi, représente en vue de couple une matrice de moulage de forme cylindrique réalisant par calandrage un support de coulage; - la figure 6, représente une vue de coupe d'un support de coulage sur lequel a été déposé un mélange de fabrication de substrat;; - la figure 7, représente une vue en perspective de l'ensemble de la figure 6. - la figure 8 représente une vue en perspective d'un dispositif de démoulage conforme à l'invention; - les figures 9 et 10 schématisent le fonctionnement du dispositif de la figure S; - la figure Il représente une variante du dispositif de démoulage conforme à l'invention. Sur la figure 1, on a représenté une plaque de substrat 1 munie de trous, conforme à l'invention. Notamment, elle comporte un certain nombre de trous 10 arrangés selon les besoins. Selon l'exemple de la figure 1, ces trous sont disposés en lignes et colonnes. Les écarts al, a2, a3 entre les lignes et les écarts bl, b2, b3 entre les colonnes sont de l'ordre de 0,5 mm. Les distances aO et bO séparant les bords du substrat des trous les plus proches sont voisines de 0,5 mm également. Le diamètre d des trous est de l'ordre de 0,15 à 0,2 mm. Le diamètre des trous est, en général, fixé une fois pour toute quelque soit la réalisation, tandis que les écartements aO à a3 et bO à b3 sont déterminés pour chaque modèle de substrat en fonction de leur utilisation. Sur la figure 2, on a représenté une plaque de substrat 1 telle qu'elle doit être obtenue par le procédé de l'invention. Les trous, tels que décrits en relation avec la figure 1, ont été munis d'éléments conducteurs ou plots de connexion 11 traversant de substrat 1 de part en part et permettant d'établir des connexions électriques entre les deux faces 12 et 13 du substrat. En se reportant aux figures 3 à 7, on va maintenant décrire le procédé de fabrication de l'invention. Selon ce procédé, une matrice de moulage 2 telle que celle de la figure 3 est fabriquée. Elle comporte des trous borgnes 20 correspondant en diamètre D et en positions aux trous 10 du substrat 1. La profondeur L de ces trous est supérieure à l'épaisseur de la plaque de substrat 1, chaque trou 20 est prolongé par un trou 21 de très petit diamètre et débouchant de l'autre côté de la matrice de moulage 2. Ces trous 21 permettant, l'ors d'une opération de moulage, d'éviter le maintien d'air dans les trous 20 et la formation de bulles d'air. La matrice de moulage 2 est réalisée dans un matériau rigide tel qu'un alliage métallique, une céramique, du verre à point de fusion élevé. Elle peut également être réalisée dans un matériau plastique tel que du téflon. Les trous 10 sont réalisés soit mécaniquement, soit de préférence par un usinage chimique utilisant une méthode de masquage. Une faible conicité est donnée aux trous pour faciliter les opérations de démoulage ultérieures. L'usinage des trous est programmé en fonction des modèles de substrats à fabriquer. Mais il convient de remarquer qu'une seule matrice de moulage 2 ayant un maximum de trous possible peut servir à la fabrication de substrats variés. Il suffit alors d'obturer avec une matière appropriée et amovible les trous non utilisés. La matrice de moulage 2 étant réalisée, on fabrique le support de coulage 3 comme représenté en figure 4. Pour celà, on utilise la matrice de moulage 2 comme sole d'un moule. On verse dans le moule un matériau en fusion qui épouse toutes les formes de la matrice de moulage 2. Le matériau utilisé pour la réalisation du support de coulage 3 peut être soit de la matière plastique termodurcissable ou thermoplastique, soit un métal ou un alliage métallique, soit un verre ou un émail. Le matériau utilisé doit avoir un point de fusion inférieur à celui de la matrice de moulage 2 et doit être innattaquable par les solvants entrant dans la composition du substrat à réaliser. Afin de réaliser des supports de bonne qualité, sans défauts, le moulage doit bénéficier de conditions favorables en ce qui concerne la fluidité du matériau de moulage ainsi que le bon état de la matrice de moulage 2.De plus, le moulage utilise des techniques d'injection, de pressage ou de succion sous vide. Après refroidissement et démoulage, on obtient un support de coulage possédant des bossages 30 complémentaires des trous 20 de la matrice 2. Le support de coulage 3, selon une variante de l'invention, peut être réalisé par calandrage. Dans ce cas là, la matrice de moulage 2 est réalisé sous forme d'un tambour cylindrique muni de trous comme représenté en figure 5. Le support de coulage est réalisé à partir d'une plaque de matière thermoplastique, tel que du MYLAR commercialisé par la société DUPONT DE NEMOURS. La plaque est chauffée de façon à être ramolie, puis elle est déplacée selon la flèche F1 tandis que le tambour est animé d'un mouvement de rotation selon la flèche F2. On réalise ainsi par une technique dite de calandrage bien connue un support de coulage 3 munie de bossages 30 comme celui obtenu précédemment par moulage. Le support de coulage 3 étant réalisé, le coulage d'un film de céramique est effectué, comme celà est représenté en figure 6, avec des peintures ou barbotines préparées selon des techniques connues. La barbotine déposée ne dépasse pas la hauteur des bossages 30. Cette barbotine comprend dans sa composition un oxyde de base en grande quantité et un oxyde adjuvant de frittage en petite quantité dans des proportions en poids de 95 à 99,5 % pour le premier et 5 à 0,5 % -pour le deuxième. Ces oxydes sont préparés sous forme d'une poudre fine dont le diamètre des grains est inférieur à 1 micron, puis mélangés et malaxés avec un liant organique et un solvant additionnés d'un produit plastifiant et un produit défloculant.A titre d'exemple, une telle barbotine pourra avoir la composition suivante - Poudre de base de A12 03 99,6 g - Adjuvant de frittage = poudre de MgO 0,4 g - liant = polyvinylbutural 3,7 g - défloculant = huile de maTs ou menhaden 1,8 g - plastifiant = polyéthylène glycol 4,5 g = diéthylhexylphtalate 3,7 g - Solvants = éthanol 15 g = trichloréthylène 39 g La barbotine déposée sur le support de coulage 3 est ensuite séchée puis démoulée. A ce stade, le matériau démoulé se présente sous forme d'un film 1, de consistance souple et percée de trous 10 correspondant aux bossages 30. Les trous 10 sont ensuite bouchés avec une pâte conductrice 11. Ce bouchage est réalisé par sérigraphie, par injection ou par succion. La pate conductrice utilisée comporte essentiellement une poudre métallique à base de métaux nobles tels que platine, palladium ou à base de métaux réfractaires tels que tungstène ou molybdène, ainsi que des poudres d'oxydes de même type que la poudre de base de la barbotine précédemment, et l'adjuvant de frittage. La poudre d'oxyde doit donner, par frittage, une bonne soudure de la masse métallique avec le substrat. Le rapport poudre métallique: poudre d'oxydes est fonction de leurs densités respectives, en général, on prévoit en poids 98 à 75 % de la première et 2 à 25 % de la seconde. Avec ce mélange est préparée la pâte conductrice en le malaxant avec un liant organique dissout dans un solvant.Un bon liant liquide est constitué, par exemple de 6 à 6,5 g de nitrocellulose et de 94 -à 93,5 g de butoxy 2 éthoxy 2 éthylacétate. A titre d'exemple, une telle pâte conductrice pourra avoir la composition suivante: - Poudre de palladium (diamètre des grains 1 à 1,5 ,um) 64 g - Poudre de A1203 (diamètre des grains inférieur à 1 um) 13,6 g - Poudre de Si02 (diamètre inférieur à 1 ;in) 2,4 g - Nitrocellulose à 6 % dans du butoxy-éthoxy éthylacétate 20 g Le substrat 1 ainsi constitué est ensuite soumis à une opération de frittage afin de lui donner une cohésion et une rigidité suffisante. Pour celà, il est porté graduellement à une température de 600 degrés centésimaux pendant plusieurs heures, puis à une température pouvant atteindre 1 500 degrés centésimaux. Lors du frittage le matériau conducteur Il se colle aux parois intérieures des trous 10 du fait de la présence de poudre de silice. Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir un substrat 1 possédant des connexions le traversant selon son épaisseur et reliant les deux faces principales 12 et 13 tel que celui représenté en figure 2. Le procédé de l'invention fournit par ailleurs des dispositions permettant de faciliter les opérations de démoulage, notamment dans les cas où le nombre de plots de connexion par unité de surface à réaliser dans le substrat est important. Pour celà, comme représenté en figure g, un support démoulage 4 est placé sur le fond du support de coulage 3. Le support de démoulage 4 comporte des trous 40 qui permettent son enfichage sur les bossages 30 du support de coulage 3. Entre le support de démoulage 4 et le support de coulage 3, sont placés des dispositifs 5 permettant d'écarter les deux supports. Selon le mode de réalisation de la figure 8, ces dispositifs sont des galets 5 de forme ovale prolongés par des tiges de commande 50. Des dispositifs de commande non représentés sur la figure permettent de faire tourner les tiges 50 et donc les galets 5 de façon à les mettre à volonté soit "à plat" comme représenté sur la figure 8 soit "debout". La figure 8 représente le dispositif en position de coulage. Les bossages 30 émergent par les trous 40, du support de démoulage 4, d'une hauteur au moins égale à l'épaisseur du substrat que l'on désire obtenir. La figure 9 représente en vue de coupe le dispositif de la figure 8 après que l'on ait déposé le film 1. Lorsqu'on commande la rotation des galets 5, le support de démoulage 4 est écarté verticalement du support de coulage 3 comme celà est représenté par la figure 10. Le film 1 est éjecté du support de coulage 3 et il est aisé de l'enlever sans le détériorer. Le support de démoulage 4 peut être dans le même matériau que le support 3 ou dans un matériau à point de fusion plus bas mais également résistant à l'action des solvants de la barbotine de coulage. Au point de vue de forme, il n'est autre chose qu'une réplique type du substrat à fabriquer. En conséquence il est réalisé à l'aide de la même matrice voir même à l'aide du support 3, ou d'un support identique fait dans un matériau à haut point de fusion. La figure 11 représente une variante de réalisation du dispositif de démoulage selon l'invention. Les galets 5 sont placés sur une glissière 7 adoptant et présentant une courbure 6. Le support de coulage 3 ainsi que le support de démoulage 4 sont mobiles selon la flèche F par rapport aux galets et la glissière. Comme représenté sur la figure 11, lorsque le support de démoulage 4 arrive à la courbure 6, il est écarté verticalement du support de coulage 3 et le film 1 est éjecté du support de coulage 3. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un substrat céramique avec plots de connexion électriques transversaux caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: ai fabrication d'une matrice de moulage (2) comportant des trous (10) correspondant, en nombre, en dimensions et en positions, aux plots de connexion (11) à prévoir dans le substrat ;; blfabrication, à l'aide de la matrice de moulage (2), d'un support de coulage (3) dont les formes épousent celles de la matrice de moulage (2) et présentent des bossages (30) résultant des trous (10) et correspondant en nombre, en dimensions et en positions aux plots de connexion (11) à prévoir dans le substrat (1), ci dépôt sur le support de coulage (3) d'un film (1) d'un mélange comportant un matériau de base et des produits adjuvants de frittage, dl séchage du film (1) sur le support de coulage (3), e/ démoulage du film (1) à partir du support de coulage (3), f! dépôt d'une pâte inductrice (11), comportant un matériau de base de même nature que le matériau de base du film (1) additionné d'un fondant, dans les trous (10) du film (1) résultant des bossages (30) du support de coulage (3), g/ séchage de l'ensemble film (1) - pâte conductrice (11) dans une enceinte chauffante, pour obtenir un substrat (1) comportant des plots de connexion (11), h/ frittage à hautes températures de l'ensemble substrat (1) - plots de connexion (11). 2/ Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'avant lté- tape c de dépôt du film (1) il est prévu une première étape de fabrication d'un support de démoulage (4) consistant essentiellement en une plaque comportant des trous (40) correspondant en nombre, en dimensions et en positions aux plots de connexion (11) et une deuxième étape de mise en place de ce support de démoulage (4) sur le support de coulage (3), les trous (40) du support de démoulage (4) étant enfichés sur les bossages (30) du support de coulage (3), de telle façon que l'étape e de démoulage soit exécutée à l'aide du support de démoulage (4). 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support de démoulage (4) est réalisé de la même façon que la matrice de moulage (2). 4/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support de démoulage (4) est réalisé par moulage sur le support de coulage (3). 5/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'entre le support de coulage (3) et le support de démoulage (4) sont prévus des moyens permettant, lors de l'étape e de démoulage, d'écarter le support de démoulage (4) du support de coulage (3). 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'entre le support de coulage (3) et le support de démoulage (4) sont prévues des cames 5 telle que, lors de l'étape c de coulage, elles occupent peu de place et que lors de l'étape e de démoulage elle sont manoeuvrées de façon à écarter le support de démoulage (4) du support de coulage (3). 7/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice de moulage (2) est fabriquée sous forme plane et que le support de coulage (3) est obtenu par moulage dans la matrice de moulage (2) d'un matériau dont la température de fusion n'affecte pas les propriétés mécaniques du matériau de la matrice de moulage. 8/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice de moulage (2) est fabriquée sous forme d'un tambour cylindrique, les trous 10 étant situés sur la face externe du tambour, et que le support de coulage (3) est obtenue par calandrage, à l'aide du tambour, d'une feuille d'un matériau ramolli par chauffage. 9/ Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que le matériau de base entrant dans la composition du mélange servant à fabriquer le film (1) ainsi que la matériau de base entrant dans la composition de la pâte conductrice (11) sont à base d'oxydes métalliques de mêmes types. 10/ Procédé selon l'une des revendications 1 ou 9 caractérisé en ce que le mélange servant à fabriquer le film (1) comporte, outre le matériau de base, un produit liant, un produit plastifiant, un produit solvant et un produit défloculant. lii Procédé selon l'une des revendications I ou 9 caractérisé en ce que la pâte conductrice, outre le matériau de base, comporte de la poudre métallique ayant pour objet de donner les propriétés conductrices des plots de connexion, un adjuvant de frittage ayant pour objet d'assurer une bonne soudure des plots de connexion(ll) avec le substrat (1), un produit liant organique et un produit solvant. 12/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de base entre dans la composition du mélange servant à fabriquer le substrat, dans une proportion en masse de 95 à 99,5 %. 13/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que dans la composition de la pâte conductrice, la poudre métallique entre dans une proportion en masse de 75 % à 98 % et le matériau de base dans une proportion de 2 à 25 %.