Brevet FR2571545A1 — publié le 19860411

PROCEDE DE FABRICATION D'UN SUBSTRAT DE CIRCUIT HYBRIDE DE FORME NON-PLANE, ET CIRCUIT HYBRIDE NON-PLAN OBTENU PAR CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un circuit hybride à couches épaisses, dont le support rigide a une forme quelconque, qui n'est pas obligatoirement plane, et dont les pistes conductrices du réseau d'interconnexion sont en métaux non réfractaioes. Le circuit hybride réalisé selon l'invention est lié aux circuits à haute densité d'intégration, tels que les circuits intégrés appelés Lsi ou Vlsi, et, de façon plus générale, au problème de l'encombrement des circuits et des matériels réalisés au moyen de dispositifs semiconducteurs en microélectronique. La microélectronique a permis d'accomplir des progrès considérables, non seulement sur le plan de la complexité des circuits et des performances électriques, mais également sur celui de l'encombrement des matériels réalisés, grâce aux circuits intégrés entre autres. Cependant, lorsqu'un matériel justifie l'usage d'un circuit hybride à couches épaisses de grandes dimensions, le substrat de ce circuit hybride est toujours, dans l'art connu, de forme plane. Ceci a une origine historique puisque, lorqu'on a commencé à réaliser des circuits hybrides à couches épaisses suffisamment grands et complexes pour qu'ils ne puissent #lus être encapsulés dans des microboitiers de semiconducteurs, on les a réalisés sur des plaques de céramique, oxyde de béryllium ou alumine, qui sont rigides et planes.L'inconvénient de ces substrats plans est que l'on perd, au niveau du circuit hybride, l'avantage gagné au niveau du circuit intégré sur la densité d'intégration, et un ou plusieurs circuits microélectroniques de très petites dimensions, surtout s'ils sont utilisés sous formes de pastilles nues, demeurent après hybridation dans un environnement macro-dimensionnel de cartes céramiques planes. La réalisation de substrats multicouches, bien connue, est une technique qui a déjà permis d'accroître la densité d'un circuit hybride, ou plus exactement de diminuer les dimensions latérales du substrat : selon cette technique, le réseau d'interconnexion entre les composants actifs et passifs, portés par une face du substrat, parfois par les deux faces, est réparti sur plusieurs plans situés sous les composants, au lieu d'être placé entre les composants, sur la même face qu'eux. Mais les substrats multicouches sont jusqu% présent toujours plans. Ceci tient à la technique de fabrication de substrats céramiques, avec frittage et cuisson à haute température. Par ailleurs, les températures atteintes au cours de la cuisson d'un substrat classique, qui atteignent 16000C, nécessitent l'emploi de métaux réfractaires, tels que le tungstène, pour faire les pistes du réseau d'interconnexion. Mais le tungstène est très résistif, ce qui amène à réaliser des pistes larges et épaisses pour diminuer leur résistance, ce qui est contraire à la notion de densité du circuit. En vue de diminuer le volume occupé par le circuit hybride, l'invention propose un nouveau procédé de réalisation du substrat, monocouche ou multicouches, à partir de feuilles de céramique crue: le réseau d'interconnexion est sérigraphié sur chaque feuille de céramique crue, avec les trous métallisés si nécessaire, puis le substrat est séché à 60-90 C, mis en forme par pressage. La forme peut être quelconque, dont le plan n'est qu'un cas particulier: le substrat peut notamment être replié sur lui-même, ou épouser la forme d'un boitier dans lequel est construit un matériel plus complexe.Le substrat étant mis en forme est cuit, ou cocuit s'il est multicouches, une seule fois à 800-1000 C. De plus la température de cuisson relativement basse permet d'utiliser du cuivre plutôt que du tungstène pour les réseaux d'interconnexion la faible résistivité du cuivre permet en conséquence de sérigraphier des pistes moins épaisses etlou moins larges qu'avec du tungstène, ce qui va dans le sens de l'augmentation de densité du circuit hybride. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat de circuit hybride de forme non-plane, caractérisé en ce qu'il comporte la suite d'opérations suivantes: - sur une feuille de céramique crue, dépôt par sérigraphie d'un réseau d9interconnexion à base de métaux non-réfractaires;; séchage de la pâte sérigraphique à 60#900 C, pendant 10 minutes pour évaporer les solvants de la pâte, - mise en forme du substrat en céramique crue, par pressage ou estampage, - dépôt du substrat sur un support de cuisson, ayant la forme imposée par l'opération précédente, - précuisson du substrat à une température compris entre 300 et 5000 C, pendant 30 à 120 minutes, pour volatiliser de 50. à 75 % des liants organiques de la céramique et de la pâte sérigraphique, - cuisson du substrat et frittage à 800-1000 C, pendant 30 à 120 minutes, sous atmosphère d'azote. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple de réalisation de substrat non plan, cette description s'appuyant sur les figures jointes en annexe qui représentent: - figure 1: vue en coupe d'un substrat multicouches plan, selon l'art connu - figures 2 à 6 ~ principales étapes de fabrication d'un substrat multicouches non-plan selon l'invention - figure 7: exemple de réalisation d'un circuit hybride à substrat non plan selon l'invention. Un substrat monocoche, c'est-àire ne comportant qu'une seule épaisseur de céramique ou de vitroucéramique étant un cas particulier, réduit au minimum, d'un substrat multicouches, l'inven- tion sera exposée en s'appuyant sur un exemple de substrat multicouches, ce qui ne limite pas pour autant la portée de l'invention, qui considère de façon générale des substrats dont la forme est quelconque, qu'ils soient monocouche ou multicouches. La figure 1 représente une vue en coupe d'un substrat multi couche plan selon l'art connu. La coupe d'un substrat multicouche est en soi bien connue mais cette figure va permettre de rappeler le procédé de fabrication d'un substrat multicouche à haute température, tel qu'il est couramment pratiqué. Dans la filière à haute température, le point de départ est une feuille de céramique 1, d'épaisseur de l'ordre de 500 microns, qui est constituée soit par une feuille de céramique cuite, soit par une feuille de céramique crue, dont la composition est par exemple de l'alumine à 96%, Par céramique crue, il faut entendre que la feuille 1 a été obtenue à partir d'une pâte comportant la poudre d'alumine et des liants organiques qui ont permis de laminer une feuille souple.Sur la feuille de départ 1 est sérigraphiée un réseau d'interconnexion 2, constitué par des métaux réfractaires tels que le tungstène: la couche sérigraphiée est alors séchée à une température comprise entre 80 et 1200 C. Pardessus le réseau sérigraphié 2 est déposé une nouvelle feuille de céramique crue 3, d'épaisseur comprise entre 100 et 300 microondes, qui comporte, aux points nécessaires pour le réseau électrique, des trous 4. Une seconde sérigraphie est alors pratiquée pour réaliser le second réseau d'interconnexion 5, dans des conditions identiques à la première sérigraphie, c'està-dire avec des pâtes à base de métaux réfractaires. Au cours de la seconde sérigraphie, les trous tels que 4 sont remplis par la pâte conductrice, ce qui établi des liaisons entre les premier et second niveau du réseau d'interconnexion. La seconde sérigraphie est alors séchée dans les mêmes conditions que la première entre 80 et 1200C puis la seconde feuille de céramique 2 est cuite à une température comprise entre 1100 et 16000, sous hydrogène humide. L'opération de pose d'une feuille de céramique crue telle que 6 comportant des trous tel que 7, et de nouvelle sérigraphie d'un réseau d'interconnexion 8, est recommencée le nombre de fois nécessaire. A chaque étape, la feuille de céramique crue est cuite à une température de 1100 à 16000.Dans certains cas, la technique consiste à déposer une feuille de céramique crue, opérer le dépôt d'un réseau d'interconnexion, sécher ce dépôt, déposer une nouvelle feuille de céramique crue, et ainsi de suite jusqu'à avoir obtenu un nombre de couches désirées : l'ensemble est alors cocuit à 1100 à 16000 sous hydrogène humide. La dernière couche de métalisation en surface, celle qui est visible sur la face supérieure du substrat, est protégée par une couche de nickel et d'or. Toutes ces opérations nécessitent des métaux réfractaires en raison des différentes opérations de cuisson, et, comme il a été dit, les métaux réfractaires tels que le tungstène nécessitent une grande largeur de piste ou une épaisseur incompatible avec la technique de sérigraphie, pour ne pas avoir une trop grande résistivité de chaque piste conductrice. Or non seulement l'épaisseur est incompatible avec la technique de sérigraphie, mais la largeur des pistes en tungstène est opposée à la notion de densité du circuit. Les figures 2 à 6 représentent les principales étapes de réalisation d'un circuit multicouche de forme non-plane selon l'invention. En figure 2, le point de départ est une feuille de céramique crue 97 d'épaisseur de l'ordre de 500 microns, comme dans l'art connu. Sur cette feuille de céramique crue 9 est réalisée, par sérigraphie, le dépôt d'un premier réseau d'interconnexion 10, mais la pâte sérigraphique est à base de métaux non-réfractaires, ou d'alliage, c'est-àire argent palladium, ou argent, ou or, ou cuivre. La c#ouche sérigraphiée subit un séchage intermédiaire à une température comprise entre 60 et 900 C, pendant 10 minutes, suffisant pour évaporer les solvants de la pâte sérigraphique. En figure 3, une feuille de céramique crue 11 est déposée sur la première feuille 9, et par conséquent par dessus le premier réseau d'interconnexion sérigraphié 10. Cette feuille de céramique crue 11 comporte aux endroits appropriés les trous tel que 12 nécessaires aux interconnexions entre les différents niveaux. L'ensemble est soumis à une pression, qui fait que les couches sérigraphiées séchées précédemment déforment les feuilles de céramique mais ne fluent pas. Par conséquent, il y a un bon contact entre la première feuille de céramique 9 et la seconde feuille de céramique 11, bien que le réseau d'interconnexion 10 n'est pas déformé au cours de cette opération de pression. En figure 4, une seconde opération de sérigraphie permet à la fois de remplir avec la pâte conductrice les trous d'interconnexion entre les différents niveaux, en 12, et de déposer un nouveau réseau d'interconnexion 13. Ce nouveau réseau d'interconnexion 13 est soumis à un séchage intermédiaire à une température comprise entre 60 et 90 , pendant 10 minutes, pour évaporer les solvants de la pâte sérigraphique. En figure 5, une nouvelle feuille de céramique 14, comportant si nécessaire des trous 15 d'interconnexion entre les différents niveaux, est déposée par dessus la sérigraphie du réseau d'interconnexion 13. Cette feuille est comme précédemment soumise à une pression qui fait adhérer ensemble les feuilles de céramique, et qui fait également que le réseau d'interconnexion 13 déforme légèrement les feuilles sans fluer. Ce type d'opération est répété le nombre de fois nécessaire pour obtenir le substrat multicouche désiré. Cependant il faut observer que les seules opérations thermiques réalisées jusqu'à présent sont des séchages à des températures comprises entre 60 et 900, suffisantes pour évaporer les solvants des pâtes résistives, mais insuffisantes pour cuire ou même seulement précuire les feuilles de céramique. Ces températures basses permettent d'utiliser pour les réseaux conducteurs d'interconnexion, c'est-dire 10 et 13, des métaux non-réfractaires et économiques tel que le cuivre. En figure 6, un substrat multicouche, obtenu par une suite d'opérations décrite précédemment, et qui est donc encore à ce moment là constitué par des feuilles de céramique crues et souples, est mis en forme, selon la forme désirée par le boitier ou l'encombrement disponible dans le matériel à réaliser. Ce substrat est représenté sur la figure 6 simplement courbé une fois, mais il peut prendre une forme tout à fait quelconque puisque les feuilles céramique sont souples. Cette opération se fait au moyen de supports qui permettent aux substrats encore souples, en non cuits, de prendre la forme désirée. La mise en forme peut également se faire par pressage ou estampage. L'ensemble du substrat multicouches, constitué de feuilles de céramique crue et de métalisations en métaux noneréfractalres est alors co-cuit, en deux étapes. En effet, surtout si ces métalisations sont réalisées en cuivre qui s'oxyde à 5000, le cuivre serait oxyde si on frittait le substrat à 10000. Pour éviter cette oxydation, la cuisson a donc lieu en deux étapes: dans un premier temps le substrat multicouches est précuit à une température comprise entre 300 et 5000 C, pendant une durée qui varie entre 30 minutes et deux heures selon le nombre et l'épaisseur de feuilles de céramique crue. Ainsi Itensemble céramique et pâte sérigraphique perd entre 50 et 7596 des liants organiques contenus dans les pâtes de céramique et de sérigraphie. La présence de liants organiques dans les pâtes de céramique crue et dans les pâtes sérigraphiques est bien connue, et c'est elle qui permet de véhiculer et d'étendre des poudres de solide telles que les poudres de céramique ou les poudres de métaux, qu'ils soient conducteurs ou résistifs.Ensuite le substrat, toujours porté par un support qui lui permet de conserver pendant la cuisson la forme désirée, est cotît à une température comprise entre 800 et l000#, en atmosphère d'azote. pendant une durée de 30 minutes à deux heures, selon le nombre et l'épaisseur des couches. En ce qui concerne le dernier réseau d'interconnexion 16, celui qui est apparent en surface du substrat et sur lequel vont entre, ultérieurement, rapportés des composants actifs ou passifs tels que circuits intégrés ou condensateurs, deux possibilités s'offrent. Dans un premier cas ce réseau peut être réalisé en métaux réfractaires tels que le tungstène, ce qui lui permet de résister à la température de cuisson du substrat à 10000. Un réseau en tungstène n'est possible qui si la densité de ce réseau d'interconnion 16 le permet. Dans un deuxième cas, le réseau superficiel 16 peut entre réalisé en pâte sérigraphique à base de cuivre, mais, avant la cuisson à 10000 ce réseau, qui est en contact avec l'atmosphère et qui risque d'être oxydé, peut être protégé par un dépôt tel qu'un dépôt de nickel or. La figure 7 représente un exemple de réalisation de circuit hybride à substrat non-plan, obtenu selon le procédé de l'invention. Celui-ci comporte un substrat 17, qui peut être soit monocouche, soit multicouches, puisque l'invention concerne les deux cas, mais ce substrat 17 a reçu, au cours de sa fabrication et avant la cuisson, un certain nombre de déformations du plan, en 18, 19 et 20 par exemple, de façon à l'adapter aux matériels dans la fabrication desquels il entrera ultérieurement. Sur ce premier substrat 17 sont alors implantés les composants nécessaires, tels que des circuits intégrés 21, des condensateurs 22, ou des pastilles nues de semiconducteurs 23. Un intérêt important de l'invention est qu'il est possible de réaliser un substrat de circuit hybride 24 qui ait une forme de couvercle pour fermer le boitier avec un autre circuit hybride tel que 17. A l'intérieur de ce circuit hybride 24 en forme de couvercle, sont implantés des composants électroniques actifs ou passifs tels que 25. La réalisation d'un tel circuit hybride ainsi autocapsulé, par la réunion de deux parties, une partie du circuit hybride 17, une partie du circuit hybride 24, nécessite cependant de prévoir un réseau d'interconnexion sur le circuit 17 et sur le circuit 24 tel que le circuit hybride concave 24 puisse etre rapporté en 26 sur le circuit non-plan 17, et les interconnexions correspondantes, piste à piste, pour assurer les liaisons électriques.Ce genre de report est bien connu dans le domaine des microboitiers pour pastilles nues de circuits intégrés et ne pose pas de problème, si ce n'est de prévoir une soudure tendre pour assurer les contacts électriques aux liaisons 26, la température de fusion de cette soudure tendre étant inférieure à la température de fusion des soudures utilisées pour implanter les composants tels que 21, 22, 23 et 25 sur les circuits hybrides, ceci à fin de permettre un démontage éventuel pour test pour réparation. L'invention a été décrite en s'appuyant sur le cas de feuilles de céramique crue, mais elle concerne également des feuilles de vitrocéramique, c'est-à-dire de céramique à base d'alumine ou oxyde de béryllium, mais qui comporte des verres. Cependant la nitruration de la silice de la vitro-céramique produit du nitrure de silicium qui modifie les caractéristiques électriques des substrats: il faut donc savoir, avant de réaliser un circuit hybride non-plan selon le procédé de l'invention, si la présence de nitrure de silicium Si3N4 est possible en fonction des caractéristiques électriques attendues des circuits hybrides. Bien que l'invention ait été exposée en s'appuyant sur le cas d'un circuit hybride multicouches, qui, en figure 7 notamment, est replié un certain nombre de fois, elle s'applique de façon plus générale à tous les circuits hybrides, qu'ils soient monocouche ou multicouches, pour lesquels on a besoin d'avoir une forme qui s'approche le plus possible de l'encombrement disponible dans le matériel qui incorpore ce circuit hybride. Des formes telles que des formes en cuvette, illustrées par le circuit hybride 24, ou des formes dans lesquelles des axes de pliures ne seraient pas tous parallèles entre eux, comme c'est le cas entre les pliures 18, 19 et 20 font également partie du domaine de l'invention, qui est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un substrat de circuit hybride de forme non-plane, caractérisé en ce qu'il comporte la suite d'opérations suivantes: - sur une feuille de céramique crue (9), dépôt par sérigraphie d'un réseau d'interconnexion (10) à base de métaux non réfractaires, - séchage de la pâte sérigraphique à 60#900 C, pendant 10 minutes pour évaporer les solvants de la pâte, - mise en forme du substrat (9) en céramique crue, par pressage ou estampage, - dépôt du substrat (S) sur un support de cuisson, ayant la forme imposée par l'opération précédente, - précuisson du substrat (9) à une température comprise entre 300 et 5000 C, pendant 30 à 120 minutes, pour volatiliser de 50 à 75% des liants organiques de la céramique et de la pâte sérigraphique, - cuisson du substrat (9) et frittage à 800-10000C, pendant 30 à 120 minutes, sous atmosphère d'azote. 2. Procédé de fabrication d'un substrat de circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas où le substrat (9) est multicouches, ce procédé comporte une pluralité des opérations de sérigraphie d'un premier réseau d'interconnexion (10) sur une première feuille de céramique crue (9), séchage intermédiaire à 60-900C pendant 10 minutes, dépôt d'une seconde feuille de céramique crue (11), sérigraphie d'un second réseau d'interconnexion (13), séchage intermédiaire à 60-900C pendant 10 minutes, ces opérations préliminaires étant répétées le nombre de fois requis pour réaliser le nombre de couches nécessaires au substrat multicouches, avant les opérations de mise en forme et de co-cuisson du substrat multicouches non-plan. 3. Procédé de fabrication d'un substrat de circuit hybride selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pâte de sérigraphie du réseau d'interconnexion (10, 13) est à base de métaux ou d'alliages de métaux non réfractaires, tel que Au, Ag, Cu, Ag-Pd. 4. Procédé de fabrication d'un substrat de circuit hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que au moins une (11) parmi les veuilles de céramique crue (9, Il, 14) comporte au moins un trou (12), ce trou, rempli de pâte conductrice au cours de l'opération de sérigraphie d'un réseau d'interconnexion (13), assurant la liaison électrique entre deux niveaux (10, 13) du réseau d'interconnexion. 5 Circuit hybride à substrat non-plan, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 60 Circuit hybride (17), selon la revendication 5, caractérisé en ce que ses composants (21) sont protégés par un second circuit hybride (24), à substrat non-plan, de forme concave, rapporté sur le premier circuit hybride (I 7), l'interconnexion électrique entre les composants (21) du premier circuit hybride (17) et ceux (25) du seconde circuit hybride (24) se faisant au niveau de la soudure (26) du second (24) sur le premier (17) circuit hybride.