Brevet FR2561456A1 — publié le 19850920

PROCEDE DE FABRICATION DE SUBSTRATS AVEC PLOTS DE CONNEXION ELECTRIQUESTRANSVERSAUX La présente invention concerne un procédé de fabrication de substrats avec plots de connexion électriques traversant l'épaisseur du substrat. Le développement rapide, au cours des dernières décennies et Le rôle important que jouent Les substrats céramiques dans Pindustrie électronique: 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 réce m ment posé est ta réalisation de substrats à points de contacts éLectriques reLiant deux faces du substrat comme cela est demandé par exemple dans la technique de fabrication de boîtiers de composants multicouches.La tendance étant à la miniaturisation des composants et à l'augmentation du nombre de connexions par unité de volu m e et de surface, Les problé m es sont de plus en plus difficiles à résoudre. Les connexions traversant l'épaisseur des substrats sont à L'échelle des technologies actuelles et doivent être de dia mètres très faibles, inférieurs à 0,15 m m. 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. C'est pourquoi l'invention fournit un procédé permettant de réaliser dans la masse d'un substrat des connexions électriques. Ce procédé présente l'avantage de permettre de réaliser des connexions de petites diamètres et d'obtenir une grande densité de connexions par unité de volu m e. D e plus, ce procédé est aisément mis en oeuvre et peu coûteux. L'invention concerne donc un procédé de fabrication de substrats avec plots de connexion transversaux caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'assemblage de conducteurs dans un matériau isolant suivie d'une étape de frittage de l'ensemble et d'une étape de découpage du substrat selon des plans transversaux par rapport aux conducteurs. L'invention sera mieux comprise et diverses autres caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description qui suit, faite en se référant aux figures annexées parmi Lesquelles: - la figure 1 représente un exemple dé substrat à obtenir; - La figure 2 représente un exemple de moule selon L'invention; - la figure 3 représente Le moule de la figure 2 avec des fils conducteurs tendus; - la figure 4 représente un barreau de substrat obtenu à l'aide du moule des figures 2 et 3; -La figure 5 représente un autre exemple de moule permettant de disposer des fils conducteurs orthogonaux; - La figure 6 représente un bloc de substrat obtenu à l'aide d'un moule tel que ceLui de la figure 5; - la figure 7--représente un exemple de substrat obtenu à partir du bloc de La figure 6;; - Les figures 8 et 9 représentent des exemples de réalisation pratique de moule selon L'invention; - Les figures 10 et 11 illustrent des exemples de réalisation selon une variante du procédé de L'invention dans laqueLLe on empile des feuilles de substrat; - la figure 12 ilLustre un exemple de réalisation selon une autre variante du procédé de L'invention dans laquelle on opère par extrusion. Sur la figure 1, on a représenté une plaquette de substrat 1 telle qu'elle doit être obtenue par le procédé de l'invention. Com m e on le voit sur cette figure, des éléments conducteurs ou plots de connexion Il traversent le substrat 1 de part en part et permettent d'établir des connexions électriques entre les deux faces 12 et 13 du substrat 1. Les pLots de connexion 11 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 m m. Les distances aO et bO séparant les bords du substrat des plots de connexion les plus proches sont voisines de 0,5 m m également. Le diamètre d des plots de connexion est de L'ordre de 0,15 à 0,2 m m. Le diamètre des plots de connexion 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. Selon L'invention pour réaliser une plaquette de substrat 1, on réalise un moule 2 tel que représenté en figure 2. Ce moule 2 comporte deux flancs opposés 20 et 21. Dans Les flancs 20 et 21 sont percés des trous tels que 22 et 23. Le moule étant orienté dans un trièdre de référence Oxyz avec ses flancs 20 et 21 parallèles au plan xOy, les trous du flanc 20 et ceux du flanc 21 sont alignés selon une direction parallèle à l'axe Oz. C'est ainsi que Les trous 22 et 23 sont alignés parallèlement à l'axe Oz. Des fils conducteurs sont ensuite tendus entre les trous homologues des deux flancs 20 et 21. Sur La figure 3 on a représenté le moule de la figure 2 avec la couche supérieure de fils conducteurs mis en place. Le fil 24, par exemple, reLie les trous 22 et 23. Tous Les fils étant en place dans le moule, on coule dans le moule 2, un matériau isolant qu'on laisse sécher et qu'on démoule. On obtient ainsi un barreau 3 comportant des conducteurs, tel que le conducteur 24 représenté en pointille, et dont on voit les extrémités émerger de la face 32 du barreau 3. Le barreau3 étant orienté dans le trièdre Oxyz avec sa face32 parallèle au plan xOy, le barreau est découpe en lamelles selon des plans parallèles au plan xOy. La première découpe selon le plan 34 donne la tam elle dont les faces 32 et 33 correspondent respectivement aux faces 12 et 13 de la plaquette de substrat de la figure 1. La plaquette ainsi obtenue est frittée à une te m pérature et durant un temps adapté à la composition du matériau de moulage et à celle des fils conducteurs. Le matériau de moulage peut être obtenu à partir de poudres de céramiques diverses, poudres à base d'oxydes métalliques com me Ail2, MgO, SiO2, TiO2 etc. ainsi qu'avec des poudres de nitrures, bromures, et autres. A titre d'exemple, sa composition peut être la suivante, pour cette technique de moulage: poudre de céramique : 65 à 80 X en poids, eau: 20 à 35 X en poids avec pour 100 g de mélange: O à 3 % de liant organique soluble dans l'eau (alcool polyvinilique) et 0,5 % à 2 Z d'un défloculant. Les conducteurs utilisés sont soit des fils de métaux nobles tels que platine, palladium ou leur alliage, soit, dans les cas où le frittage est fait sous une atmosphère neutre ou réductrice, des métaux à point de fusion élevé et à coefficient de dilatation thermique faible de l'ordre de 5 å 1096, compatible avec le coefficient de dilatation thermique des céramiques A titre d'exemple non limitatif sont utilisés des métaux suivants: tungstène, molybdène, niobium, chrome, titane et des alliages tels que"platinite" et "ferronickel" qui sont des alliages de fernicket-carbone. Les fils conducteurs peuvent être egalem ent des fibres de carbone ou de graphite. Le moule 2 est en matériau poreux et absorbant, tel que du plâtre, céramique, métaux poreux, agglomérés de bois ou de pâte à papier. Il est donc adapté au séchage et à l'absorption de l'humidité contenue dans le matériau de moulage. Le moule de la figure 5 permet de réaliser des connexions comportant des connexions orthogonales Comme le moule de la figure 2, ses flancs 20 et 21 sont percés de trous 22 et 23 à travers lesquels sont tendus des fils conducteurs tels que 24, parallèles à l'axe Oz. Les flancs25 et 26 sont également percés de trous, tels que 27 et 28 dans le prolongement l'un de l'autre. Par ces trous sont également tendus des fils conducteurs, tel que 29, parallèles à l'axe Ox. On a ainsi un deuxième réseau de fils conducteurs parallèles à l'axe Ox. Sur la figure 5, les fils des deux réseaux sont dans des plans différents et ne se touchent pas. # Mais il est également possible de prévoir des réseaux de fils qui établissent des connexions entre deux flancs contigus du moule 3. Le matériau de moulage est ensuite moulé dans le moule 2. Après séchage, il est dé moulé et donne lieu à un substrat dont on a représenté un fragment en figure 6. Pour simplifier la figure 6, on n'a représenté que la nappe supérieure de fils conducteurs parallèles à l'axe Oz et la nappe supérieure de fils parallèles à l'axe Ox. Dans le substrat 3 ainsi obtenu on découpe selon les plans 35 et 36, un bloc de substrat. Ce bloc de substrat est délimitée par les faces 32, 33, 37 et 38. Un premier réseau de conducteurs, tel que 24, connecte la face 32 à la face 33 et un deuxième réseau de conducteurs, tel que 29, connecte la face 37 à La face 38. Dans le bloc de substrat ainsi obtneu, on pratique un évidement selon la ligne en pointillé 39. On obtient ainsi un substrat, tel que représenté en figure 7, comportant un évidement 70 Des composants peuvent ainsi être placés à l'intérieur de L'évidement 70 et être connectés aux conducteurs tels que 24 et 29.Il est à noter que les opérations de découpe précédentes peuvent être réalisées toutes en une seule opération à L'aide d'un outillage approprié. On obtient ainsi un cadre de substrat évidé en son centre, à l'intérieur duquel on peut loger des composants pouvant être connectés aux quatre parois. est bien évident qu'il serait possible d'obtenir des substrats de formes différentes soit par La forme du moule soit en raison des découpes. Il est à noter, par ailleurs, que ta découpe du substrat 3 peut se faire soit avant frittage soit après frittage. Cela dépend de ta consistance du substrat avant frittage et de la nature des moyens de découpe utilisés. Les figures 8 et 9 représentent des exemptes de réalisation de moules. Sur la figure 8 représentée en coupe, on réalise un moule en forme de U comportant un fond 41 et deux côtés verticaux tel que 40 Ce moule est en matériau poreux, en plâtre par exempte. Les deux côtés ouverts du moule sont fermés par deux plaques 42 et43 comportant des trous tels que 22 et 23 pour le passage des fils conducteurs 24. Sur la figure 9, l'ensemble du moule est en matériau poreux. Pour améliorer sa solidité, les quatre faces extérieures sont équipées de plaques protectrices 42, 43, 44 et 45. En se reportant aux figures 10 et Il on va décrire une variante de réalisation de L'invention. Selon cette variante, on réalise des feuilles céramiques obtenues par coulage, selon Les procédés connus dans La technique, d'un m atériau du type décrit précédemment. Sur chaque feuille sont déposées des bandes conductrices par tous moyens connus dans La technique. Par exemple, elles peuvent être dessinées avec des encres conduit trices à base de poudres métalliques, de graphite ou d'oxydes conducteurs. Comme cela est représenté sur la figure 10, certaines feuiLles peuvent avoir des lignes conductrices 50 parallèles à L'axe Ox et d'autres feuilles des lignes conductrices 51 parallèles à l'axe Oz. Certaines feuilles peuvent également, comme sur la figure 10, comporter des Lignes 52 et 53 qui se coupent et établissent ainsi des connexions croisées. Les différentes feuilles sont ensuite empilées seLon le sens indiqué par La flèche F. L'empilement obtenu est comprimé et séché. L'ensemble est ensuite découpé aux dimensions convenables, selon les pointillés indiqués sur La figure 11, et selon les besoins. On procède alors au frittage du substrat obtenu. On obtient également un cadre de substrat évidé en son centre comportant quatre parois intérieures à contacts transversaux auxquels peuvent connectés des composants. Comme mentionné précédemment, le frittage peut être effectué avant la découpe du substrat. Une autre variante de réalisation conforme au procédé de L'invention prévoit une opération d'extrusion. Pour cela on utiLise une extrudeuse conçue à cet effet. De telles extrudeuses se trouvent dans te commerce pour le surmoulage de câbles électriques avec des pâtes céramiques préparées avec des liants plastiques (matières plastiques thermodurcissables com me polystyrène et autres). Sur ta figure 12 est représenté en coupe, le corps d'une extrudeuse à vis d'Archimède avec arbre creux. Cette extrudeuse comporte une bouche d'entrée 60 permettant d'introduire, selon la fLèche Fl, te matériau isolant 1 en phase pâteuse. Une vis sans fin 63, tournant dans le sens indiqué par la flèche F2 à l'intérieur du corps cyLindrique 61 de t'extrudeuse et autour d'un arbre creux 62, pousse le matériau isolant 1 vers l'orifice de sortie 64. L'intérieur de l'arbre 62 permet l'alimentation de l'extrudeuse en fils conducteurs 24. Les fils conducteurs 24 et le matériau isolant 1 sont agglomérés à l'orifice de sortie 64. L'ensemble fournit un tube de substrat se déplaçant selon La fLèche F3. La sortie de L'extrudeuse est suivie d'un appareil non représenté découpant le tube obtenu en tam elles de substrat, puis d'une enceinte de frittage également non représentée. Ces deux appareils à la sortie de l'extrudeuse peuvent également être permutés si Le frittage du substrat doit être réalisé avant la découpe. Il est à noter que dans la description qui précède on a prévu des réseaux de conducteurs parallèles. Néanmoins L'invention est applicable dans le cas ou les conducteurs d'un même réseau ne sont pas parallèles entre eux. De même, ta découpe du substrat n'est pas faite obligatoirement perpendiculaire m ent aux conducteurs mais peut être faite en biais. Enfin, le substrat obtenu peut avoir tout autre for m e que celle d'un parallétépipède. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de substrats avec plots de connexion trans versaux caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'assemblage de conducteurs (24) dans un matériau isolant et une étape de découpage du substrat selon des plans sécants (34) par rapport aux conducteurs. 2/ Procédé de fabrication selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de frittage de L'ensemble matériau isoLant-conducteurs. 3/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que L'étape d'assemblage comprend une mise en place, tendu entre les parois(20,21) dun moule (2), de fils conducteurs(24), suivi du moulage du matériau isolant à L'état liquide ou pâteux, du séchage du contenu du m oule, puis du dé moulage. 4/ Procédé de fabrication selon L'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que L'étape d'assemblage comprend La fabrication de feuilles de céramique (5) comportant chacune à leurs surfaces des fils conducteurs (50), L'empilage de ces feuilles de céramique, la compression de cet empilage de feuiLLes et son séchage. 5/ Procédé de fabrication selon L'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape d'assemblage comprend une opération d'extrusion d'une pâte en matériau isolant enrobant les fils conducteurs. 6/ Procédé de fabrication selon L'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'on prévoit plusieurs réseaux de conducteurs, chacun de ces réseaux, reliant deux faces du substrat et qu'on prévoit des découpages du substrat sécants par rapport à ces réseaux de conducteurs.