Brevet FR2583251A1 — publié le 19861212

-1- La présente invention concerne un ensemble électronique composite comportant une carte de circuits imprimés,un ensem- de circuits integrés et un condensateur de découplage. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif du type décrit, permettant d'atteindre une densité maximale des circuits et une haute efficacité d'a- mortissement. Selon une pratique habituelle, englobant mais non exclu- sivement l'industrie des calculateurs, il est courant d'as- sembler des composants électroniques utilisant des cartes de circuits imprimés. Les cartes de circuits imprimés consistent généralement en un substrat isolant portant un grand nombre de rubans conducteurs sur une surface extérieure ou sur un substrat intérieur intercalé entre des couches isolantes. La carte de circuits imprimés est maintenant le moyen pres- que universel utilisé pour éliminer les techniques de cabla- ge point par point du passé. Dans le but d'atteindre des densités maximales des cir- cuits,.il est courant d'utiliser conjointement avec des car- tes de circuits imprimés, des circuits intégrés qui contien- nent une ou plusieurs pastilles de silicium qui elles même peuvent contenir un grand nombre de circuits et de sous-cir- cuits. Une pastille de circuits intégrés peut comporter plu- sieurs doigts de contact ou des bornes espacées correspon- dant à des trous ou des surfaces de soudage sur les cartes de circuits imprimés. Le montage d'un circuit intégré sur a_ ne carte de circuits imprimés se fait en faisant passer les bornes du circuit intégré dans des ouvertures espacées cor- respondantes de la carte ou en alignant les bornes avec des surfaces de soudage de la carte et en effectuant ensuite des connexions par soudage entre les bornes et les rubans con- ducteurs correspondant ( lorsqu'une carte de circuits impri- més du type perforé est utilisée) ou avec les surfaces de soudage lorsqu'une carte de circuits imprimés non perforée est utilisée. -2- Il est courant d'utiliser, particulièrement dans les ap- plications à des calculateurs, un condensateur en dérivation entre les conducteurs d'alimentation du circuit intégré. La fonction de ce condensateur est d'amortir des impulsions ou des crêtes de l'alimentation qui pourraient autrement être transmises dans le système, créant ainsi ce qui est connu dans l'industrie comme " faute intermittente". Jusqu'ici;, un moyen conventionnel pour appliquer la ca- pacité d'amortissement nécessaire impliquait de souder des conducteurs en saillies du condensateur en dérivation sur des bossages ou des surfaces disposées de façon appropriée de la carte de circuits intégrés et qui sont connectées aux bornes d'alimentation du circuit intégré par des rubans con- ducteurs sur les cartes de circuits imprimes. Ensuite, il est aparu dans nos techniques que la présence d'un ruban conduc- teur d'une longueur notable entre le condensateur et les con- ducteurs d'alimentation de la pastille de circuits intégrés introduisait une inductance notable. En raison de cette in- ductance, il était nécessaire d'utiliser une capacité rela- tivement élevée pour atteindre l'effet voulu d'amortissement d'alimentation. Bien entendu, l'utilisation de consendateurs de grandes capacités augmentait non seulement le prix de l'- ensemble électronique mais réduisait également la possibili- t de produire des circuits de haute densité en raison' aes dimensions physiques des condensateurs de capacà.leces-. sairement élevée. Selon des technologies plus récentes, comme celles décri- tes par exemple dans les brevets des états-unis-d'Amérique nO 3 617 817 et 4 249 196, il a été proposé de réaliser un consendateur en céramique à couches multiples directement dans le circuit intégré. Grâce à la combinaison du condensa- teur en céramique à couches multiples dans le boitier de cir- cuits intégrés, les conducteurs reliant le condensateur en dérivation sur la source d'alimentation du circuit intégré était très courts. En raison de l'inductance réduite obtenue -3- grâce à l'utilisation de conducteurs courts,il s'est avéré possible d'utiliser des condensateurs de capacité nettement plus basse et par conséquent, physiquement plus petits pour obtenir un effet d'amortissement plus satisfaisant que ce qu'il était possible jusqu'ici. L'enrobage du condensateur dans la matrice de circuit in- tégré offre l'avantage supplémentaire d'augmenter la densité des circuits. Sous l'aspect négatif, l'incorporation d'un condensateur en céramique à couches multiples dans la matrice de circuits intégrés soulève un certain nombre de problèmes de fabrica- tion et de souplesse. Sur le plan de la fabrication, l'incor- poration d'éléments ayant des coefficients thermiques diffe- rents dans une même enveloppe soulève certains problèmes de fiabilité, à la fois de nature électrique et de nature méca- nique. Sur le plan de la souplesse l'utilisation d'une pas- tillé de circuits intégrés données dans diverses configura- tions de circuits, et diverses conditions d'applications et d'alimentationsoulève un cas dans lequel le condensateur in- clu ne représente qu'une approximation de la capacité idéale pour l'amortissement. Ainsi bien que l'incorporation d'un con- densateur en céramique à couches multiples dans un boitier de circuits intégrés représente un progrès notable dans la tech- nique sur le plan conceptuel, l'utilisation de ce composant composite n'a pas été largement répandue jusqu'ici. Compte tenu de tout ceci, un objet de l'invention consis- te à proposer une topographie de circuits idéalisée compre- nant une carte de circuits imprimés, un circuit intégré et un condensateur à couches multiples combinés de manière à op- timiser les effets d'amortissement du condensateur dans son application spécialisée, sans réduire la densité des circuits. Un autre objet de l'invention est de permettre que des circuits intégrés de fabrication conventionnelle en séries soient combinés avec des cartes de circuits imprimés et avec des condensateurs d'amortissement à couches multiples... -4- de manière à permettre l'optimisation de la valeur d'amortie- sement du condensateur sans compliquer la fabrication des circuits intégrés par l'incorporation des condensateurs et sans imposer l'utilisation de longs conducteurs entre le con- densateur à couches multiples et le circuit intégré. Plus particulièrement, l'invention peut-être résumée com- me étant orientée sur une combinaison d'une carte de circuit imprimés, d'un circuit intégré et d'un condensateur en céra- mique à couches multiples qui sont assemblés de manière que le condensateur soit utilisé de façon plus efficace sans au- cun sacrifice sur la densité des circuits. Plus particulièrement encore, l'invention concerne une carte de circuits imprimés comprenant les rubans conducteurs intérieurs habituels et avec, sur sa surface exposée, une sé- rie de surface de soudage sur lesquelles les bornes du cir- cuit intégré peuvent être fixées. La carte de circuits impri- més est combinée avec un circuit intégré de type connu dont les bornes sont constituées par des pattes qui font saillies au-dessous de la surface inférieure du circuit intégré. Une innovation de l'invention consiste à prévoir une paire de surface de soudage disposées directement au-dessous de l'es- pace occupy par le volume du circuit intégré, les surfaces de soudage comprenant des rubans conducteurs qui conduisent aux bornes d'alimentation de la carte de circuits imprimés et qui sont connectées aux bornes d'alimentation du circuit intégré. Avant l'application du circuit intégré, un condensateur en céramique à couches multiples est connecté aux surfaces de soudage disposées dans l'espace au-dessous de celui occupé par le circuit intégré. L'épaisseur de ce condensateur est telle qu'il permet qu'il soit espacé de la région au-dessous de la surface inférieure du circuit intégré et au-dessus de la carte de circuits imprimés, cet espace étant déterminé par la longueur des bornes qui s'étendent au-dessous du circuit intégré. -5 - Une caractéristique importante de l'invention résulte du fait que chaque circuit intégré, lorsqu'il est utilise dans son application spécifique, fonctionne à une température dé- terminée ou une plage de température déterminée. Il est en- outre aparu que la température à laquelle un circuit inté- gré donné doit fonctionner peut varier d'une application à l'autre. Il est également reconnu que la formulation de la matière diélectrique utilisée pour fabriquer un condensateur en céramique à couches multiples peut-être adaptée pour ob- nir une constante diélectrique maximale si la température ou la plage de'température à laquelle doit fonctionner le con- densateur est connue. Il s'avère selon l'invention qu'il est possible d'obtenir une topologie optimale des circuits en disposant le condensa- teur en céramique à couches multiples directement sous lecir- cuit intégré, en association d'échange thermique, de manière que la chaleur développée par le circuit intégré maintienne le condensateur à une température particulière de fonction! nement ou dans une plage prévisible de temperature de fonc- tionnement. Par conséquent, en mesurant la température dans l'espace entre la carte de circuits imprimés et le circuit intégré ou en estimant cette caractéristique à partir des paramètres connus de fonctionnement du circuit intégré dans une configuration spécifique et en disposant le condensateur en relation d'échange thermique avec le circuit intégré dans l'espace précité, il est possible d'adapter la composition diélectrique du condensateur de manière que sa capacité con- serve une valeur optimale pour obtenir l'effet idéal d'amor- tissement. Plus particulièrement,si un circuit intégré donné est utilisé dans une configuration dans laquelle l'espace entre la carte de circuits imprimés et la surface inférieure du cir- cuit intégré est maintenu à une plage de température, par exemple de l'ordre de 650 à '79 CO, il est possible dans ce cas d'établir la formule de la matière diélectrique de manière -6- que sa constante diélectrique soit la plus élevée dans la pla- ge précitée. De cette manière, les dimensions du condensateur peuvent être réduites au minimum nécessaire pour atteindre la capacité voulue. Comme cela ressort du résumé ci-dessus, l'invention rési- de dans la réalisation de l'article de fabrication qui com- porte une carte-de circuits imprimés comprenant des surfaces de fixation appropriées et des conducteurs intérieurs, un circuit intégré avec des bornes qui écartent la surface in- férieure du circuit intégré d'une distance prédéterminée au- dessus de la carte et un condensateur en céramique à couches multiples intercalé entre la surface inférieure du circuit intégré et la carte de circuits imprimés en dérivation entre les bornes d'alimentation du circuit intégré, le condensa- teur étant disposé en relation d'échange thermique avec le circuit intégré de manière que ce dernier et le condensateur réagissent mutuellement de manière à maintenir la capacité du condensateur à une valeur voulue ou dans une plage voulue. L'invention concerne également un procédé permettant de réaliser une topologie d'amortissement de circuits ideale, ce procédé consistant à mesurer la température dans la région qui est occupée par le condensateur en céramique à couches multiples sous l'effet de l'échauffement du circuit intégré ( et d'autres circuits voisins qui peuvent exister) et à in- troduire dans l'espace précité un tel condensateur contenant une matière diélectrique dont la valeur a été optimisée par rapport à la température de fonctionnement prévue qui peut aparaitre, les composants actifs étant disposés en relation d'échange thermique sur la carte de circuits imprimés. D'autres caractéristiques avantages de l'invention seront mieux compris au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue partielle de-dessus d'une partie d'une carte de circuits imprimés montrant en pointillés les positions occupées par un circuit intégré et un condensateur en céramique à couches multiples, La figure 2 est une coupe verticale partielle d'une car- te de circuits imprimés, d'un circuit intégré et d'un con- densateur à couches multiples selon l'invention, La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 illustrant un mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue en perspective à echelle réduite d'unîcircuit intégré conventionnel du type pouvant âtre uti- lisé avec l'appareil selon l'invention,et la figure 5 est un graphe montrant les variations de ca- pacité d'un condensateur utilisant un diélectrique optimisé pour l'utilisation dans une plage de température d'environ Oà environ 70 C. la figure 1 représente donc une partie (10)d'une carte de circuits imprimés qui peut-être constituée par un polymè- re renforcé de fibres de verre ou similaire. La carte (10) peut porter un grand nombre de rubans con- ducteurs intérieurs ( sous la surface) se terminant par plu- sieurs tampons de soudage (11) formés à la surface. Il est évident pour l'homme de l'art que la section ou le segment de carte de circuits imprimés représenté sur la figure 1 n'est qu'une petite partie d'une plus grande carte qui peut comporter de nombreuses répétitions ou modifications de la configuration illustrée seulement à titre d'exemple. Les tampons de soudage (-11j sont destines à former aes points de connexions pour les bornes (12) qui font saillie du cir- cuit intégré (13) représenté plus en détail sur la figure 2. Etant donné que le circuit intégré représenté sur la figure 2 est connu en lui-même, les détails de sa réalisation ne se- ront décrits que dans la mesure nécessaire pour apprécier l'invention. Plus particulièrement, le circuit intégré (13) comporte une pastille de silicium avec un grand nombre de circuits gravés et définis sur elle, cette pastille étant enrobée dans -8- une matrice (14) d'epoxyde ôu autre polymère. Les bornes (12) sortent de la matrice et sont en contact électrique avec les circuits de lapastiile de silicium enrobée.. La matrice l14'.e circuit intégré (13) comporte une surface inférieure (15) orientée vers le bas. L'examen de la figure 2 montre que la surface inférieu- (15) de la matrice (14) est disposée à un niveau au-dessus des parties de bases (16) des bornes (12). Il apparait ainsi que lorsque le circuit intégré est monté, un espace (17) est défini entre la surface supérieure (18) de la carte de cir- cuits imprimés et la surface inférieure (15) de la matrice (14). Dans l'espace (14) ainsi défini, est monté préalable- ment le condensateur (19) en céramique à couches multiples, dont la hauteur dans la présente application est de préféren- ce maintenue dans une plage d'environ 0,56 um à environ 0,66 mm. Le condensateur (19) comporte des terminaisons d'ex- trémités (20,21) connectées aux électrodes internes du con- densateur, de polarités opposées de la manière actuelle, les terminaisons (20,21) se présentant de préférence sous la for- me de minces bandes métalliques couvrant les bords et de pre- férence, avec des parties qui recouvrent le corp du conden- sateur près des extrémités. Les terminaisons (20,21) sont sou- dées sur les tampons de soudage (22,23) formées respective- ment sur la carte de circuits imprimés dans la région qui se situe directement au-dessous de la surface inférieure i15) de la matrice (14). La carte de circuits imprimés comporte des rubans conducteurs intérieurs (22',23') qui ont pour fonction de connecter électriquement les bornes du condensateur (19) aux tampons de soudure (24, 25) qui, à titre d'exemple peu- vent être les surfaces qui sont en contact avec les bornes d'alimentation du circuit intégré. Ilapparait ainsi en regard de l'explication ci-dessus qu' après la mise en place du condensateur (19) et l'application qui suit du circuit intégré (13), comme par des techniques de soudage, le condensateur (19) se trouve en dérivation sur les -9- surfaces de contact (24,'25) connectées aux bornes d'alimen- tation du circuit intégré.De plus, en raison de sa proximité avec la surface inférieure (15), le condensateur (19) est en retation d'échange thermique avec le circuit intégré (13). Grâce à l'association du condensateur en relation d'échange thermique avec le circuit intégré, il est possible d'adapter la constante diélectrique de ce condensateur pour obtenir la capacité maximale dans la plage de température de fonctionnement du composant spécifique. La figure 5 est un graphe qui montre les variations de constante diélectrique d'un diélectrique en titanate de baryum. Sur le graphe, le taux de variations de capacité est porté sur l'axe Y, en fonction des variations de température suivant l'axe X. Ce graphe fait aparattre qu'une augmentation de 20 % de la capacité à partir de la valeur de référence à oC est obtenue quand le condensateur fonctionne dans une plage de température d'environ 55 à 60 C. Etant donné qu'iL est facile de calculer la température à laquelle un circuit intégré donné fonctionne dans un circuit particulier, par ex- emple en mesurant la température développée au-dessous de ce circuit intégré, il est possible de sélectionner un condensa- teur utilisant un diélectrique dont la constante diélectrique est maximale dans la plage de température notée. En optimi- sant ainsi le diélectrique sélectionné, il est possible de fa- briquer un condensateur plus compact et/ou d'augmenter au ma- ximum la capacité et par conséquent, l'effet d'amortissement des impulsions du condensateur choisi. La figure 3 représente un mode de réalisation de l'invention qui est similaire sous tous ses aspects à celui de la figure 2, à l'exception près que la surface inférieure 151 du boitier 141 comporte un logement 30 vers le bas dimen- sionné pour enfermer des parties du condensateur (19). Grce à cette disposition, la relation d'échange thermique entre le condensateur et le circuit intégré est améliorée et un trans- fert maximal est assuré. En outre, en formant un logement -10- dans le circuit intégré et en y enfermant des parties du con- densateur, des dimensions minimales et une densité maximale des circuits sont obtenues. Il apparaît ainsi que l'invention concerne un nou- vel appareil constitué par une carte de circuits imprimés, un circuit intégré et un condensateur en céramique à couches multiples disposés audessous du circuit intégré en relation d'échange thermique avec lui. Il apparatt aussi que l'inven- tion concerne un nouveau procédé qui assure une utilisation plus éfficace de l'espace au-dessous du circuit intégré. Plus particulièrement, le procédé consiste à dé- terminer la plage de température de fonctionnement au-dessous du circuit intégré et à choisir le diélectrique utilisé dans le condensateur en céramique à couches multiples en fonc- tion de cette plage de température qui est produite dans l'es- pace au-dessous du circuit intégré. La possibilité de modif&er la constante diélectrique en fonction de la température est un phénomène bien connu dans l'industrie des condensateurs en céramique et par conséquent, un spécialiste en la matière con- naissant la température spécifique de fonctionnement, peut facilement régler ou modifier des formules connues de céramL- que pour augmenter au maximum la constante diélectrique dans la plage choisie. Bien entendu; diverses modifications peuvent ttre apportées par l'homme de l'art au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de linvention. -11- REVENDICATIONS. 1 Ensemble électronique composite, caractérisé en ce qu'il comporte une carte de circuits imprimés (10) portant plusieurs rubans conducteurs, plusieurs surfaces de montage conductrices (11) sur une surface de ladite carte, lesdites surfaces de montage étant en relation de conduction électri- que avec certains sélectionnés desdits rubans conducteurs, un ensemble de pastille de circuits intégrés (13) comprenant un grand nombre de circuits intérieurs, monté sur ladite car- te, ledit ensemble comprenant une coquille isolante (14) et des conducteurs (12) qui en font saillie et qui se prolongent jusqu'à une position au-dessous de sa surface inférieure (15), lesdits conducteurs étant reliés électriquement et mécanique- ment à certains sélectionnés desdites surfaces de montage de ladite carte, ladite surface de ladite coquille, à l'état con- necté desdits conducteurs et desdites surfaces de montage é- tant disposées de manière à tre espacées de ladite surface de ladite carte, ladite carte comprenant au moins une paire de surfaces de montage disposée dans l'espace entre ladite surface inférieure dudit ensemble de circuits intégré et la- dite surface de ladite carte, un dispositif conducteur sur ladite carte éloigné de ladite surface, connectant électri- quement ladite paire de surfaces de montage avec certains s6- lectionnés desditee autres surfaces de montage et un conden- sateur (19) en céramique à couches multiples comprenant une paire de bornes (20, 21) exposées, écartées l'une de l'autre en fonction de l'écartement de ladite paire de surfaces de montage, ledit condensateur en céramique à couches multiples étant intercalé dans l'espace de ladite carte et ladite sur- face inférieure de ladite coquille, chacune desdites bornes dudit condensateur étant reliée électriquement et mécanique- ment à l'une respective desdites deux surfaces de montage.. 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface inférieure (15') de ladite;coquille (14') comporte un logement (30) dirigé vers le haut et ledit con- -12- densateur (19) étant au moins partiellement encastré dans le- dit logement. 3 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface supérieure dudit condensateur (19) en cé- ramique à couches multiples est disposée en toute proximité, en relation d'échange thermique avec ladite surface inférieu- re (15) de ladite coquille. 4 Ensemble selon la revendication 1, caractérisant ce que ledit condensateur (19) en céramique à couches multi- ples est disposé en relation d'échange thermique avec ledit ensemble (13) de circuits intégrés dans l'espace entre ledit ensemble et ladite carte et la constante diélectrique de la matière céramique dont est faite le condensateur (19) ayant sa valeur maximale dans la plage de température normale de fonctionnement apparaissantî.dans l'espace entre ladite sur- face de ladite carte de circuits imprimés et ladite surface inférieure dudit ensemble de circuits intégrés. Procédé pour augmenter au maximum l'amortisse- ment effectif des impulsions.d'un condensateur en céramique à couches multiples sur l'alimentation d'un composant de cir- cuits intégrés monté à une courte distance sur une carte de circuits imprimés, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à déterminer la plage normale moyenne de tem- pérature de fonctionnement dans l'espace entre la surface iM- férieure dudit composant en circuits intégrés et la surface supérieure de ladite carte de circuits imprimés, à réaliser un condensateur en céramique à couches multiples ayant une composition du diélectrique en céramique dont la constante diélectrique est la plus élevée dans ladite plage normale de température de fonctionnement, à fixer les connexions ddit condensateur en céramique à couches multiples sur des contacts à la surface de la carte de circuits imprimés et à fixer en- suite le composant en circuits intégrés sur la carte de cir- cuit imprimés en relation d'espacement, de superposition et d'échange thermique avec ledit condensateur en céramique à -13 couches multiples, les bornes d'alimentation dudit com- posant de circuits intégrés étant connectées & des contacts sur ladite carte entre lesquels ledit condensateur en cé- ramique à couches multiples est en dérivation.