Brevet FR2618631A1 — publié le 19890127

PROCEDE DE REALISATTON DE LIAISONS ELECT'ILIQUES ENTRE FACES DE PLAQUES A CIRCUITS IMPRIMES RESISTANT AUX CONTRAINTES THERMIQUES, EN PARTICULIER DE CIRCUITS TRIPLAQUES. La présente invention se rapporte à un procédé de réalisation de liaisons électriques entre faces de plaques à circuits imprimés résistant aux contraintes thermiques, en particulier de circuits triplaques hautes performances pour un encombrement et un poids réduits. Les solutions du type purement mécanique à diélectrique air consistant en un boitier à barreaux métalliques et vis seront écartées en raison de leurs forts poids et volume pour ne retenir que les solutions utilisant les diélectriques de circuits imprimés. Pour relier électriquement et ponctuellement une couche conductrice (plan de masse ou piste) de circuit imprimé se trouvant en particulier sur une face extérieure d'un circuit triplaque, à une autre couche conductrice (plan de masse ou piste) se trouvant sur l'autre face extérieure de ce triplaque, on utilise différents procédés. Cette liaison peut se faire en doublant la couche conductrice imprimée sur la face supérieure du triplaque, avec un plateau métallique rigide dans lequel on perce des trous aux endroits appropriés et dans lesquels passent des vis de liaison traversant et devant plaquer les deux plaques de circuit imprimé au boîtier taraudé, mais une telle solution alourdit considérablement le tri?laque et présente au milieu de celui-ci une lame d'air pénalisant le comportement électrique en température.Une autre solution consiste à percer le triplaque collé et à introduire dans les trous ainsi percés des petits tubes ou rubans en clinquant dont les collerettes (ou extrémités) rabattues sont fixées mé#caniquement (ou brasées) sur chaque couche conductrice mais par suite de dilatations thermiques, ces longs clinquants se déforment au niveau des trous en créant des inductances parasites qui ne permettent pas de localiser au plus court avec précision les points de liaison électrique d'une couche à l'autre. Un autre procédé consiste à métalliser électrolytiquement des trous traversant le triplaque collé, l'épaisseur de la couche dé métallisation étant sensiblement égale à celle du cuivre formant le circuit imprimé et le plan de masse.On a constaté des ruptures de ces métallisations au débouché des trous lorsque les triplaques étaient soumis à un grand nombre de cycles de variations rapides de température (par exemple 500 cycles de variations entre - 4000 et + 900 C, à raison d'environ 30 secondes pour passer d'une température extrême à l'autre). La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de liaison entre faces de plaques à circuits imprimés, ces liaisons résistant aux contraintes thermiques, en particulier aux variations rapides de température telles que celles précitées, ces liaisons étant peu onéreuses et faciles à réaliser, ne créant pas de réactances parasites et n'augmentant que de façon négligeable le poids des circuits. Ce procédé doit pouvoir s'appliquer aussi bien aux plaques simple couche qu'aux empilages multicouches. Le procédé conforme à l'invention consiste, après avoir percé la strlleture mono-ou multicouche aux endroits où l'on veut établir des liaisons entre circuits des faces différentes de cette structure, à former des "rivets" en métal à haute ductilité dans ces trous. Le formage des rivets se fait de préférence par dépôt électrolytique. Le diamètre des collerettes de ces rivets est sensiblement égal au diamètre de perçage de ces trous plus 2 mm, le diamètre de perçage étant d'au moins 1,5 mm pour une structure d'épaisseur 3,2 mm et d'au moins 1 mm pour une structure d'épaisseur 1,6 mm environ ou moins. L'épaisseur des rivets à l'intérieur des trous est d'environ 0,08 mm, et l'épaisseur des collerettes est supérieure à 0,12 mm. Le métal utilisé est de préférence du cuivre électrolytique à module de Young inférieur à 10 000 daN/mmZ. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé dont la figure unique est une vue en coupe partielle d'un triplaque comportant des liaisons réalisées conformément à l'invention Le mode de réalisation décrit ci-dessous se rapporte à un circuit triplaque, mais il est bien entendu que l'invention peut également être mise en oeuvre pour des circuits simple couche (circuits imprimés double face ordinaires) comme pour des circuits multicouches. Le circuit triplaque 1 représenté sur le dessin est constitué principalement de deux plaques 2,3, à base de Verre-Téflon type CX par exemple. Les plaques ont une épaisseur de 1.6 mm chacune. La plaque supérieure 2 comporte sur sa face supérieure un circuit électrique 4 formé de façon classique par un plan de -masse mais elle peut néanmoins comporter certaines parties des pistes ou des épargnes réalisées par attaque chimique de la couche de cuivre. Cette couche de cuivre a une épaisseur comprise entre 0,03 et 0,07 et de façon typique d'environ 0,035 mm. La plaque inférieure 3 est métallisée sur ses deux faces. Cette métallisation est également en cuivre d'une épaisseur typique d'environ 0,035 mm, et de préférence inférieure à 0,07 mm. Par attaque chimique de la métallisation de la face supérieure (celle en vis-à-vis de la plaque 2) de la plaque 3, on réalise un circuit électrique 5. La métallisation 6 de la face inférieure de la plaque 3 n'est généralement pas attaquée car elle est destinée à former un plan de masse mais elle peut néanmoins comporter dans certaines parties des pistes ou des épargnes réalisées également par attaque chimique du cuivre. Les plaques 2 et 3 sont assemblées à l'aide d'un film adhésif thermofusible 7, dont l'on empile deux couches d'une épaisseur de 0,038 mm environ chacune. Les plaques sont soumises à une pression d'environ 15 bar et chauffées à 2200C. Aux endroits où l'on veut établir une liaison entre le circuit 4 et le plan de masse 6, on perce des trous d'un diamètre d'au moins 1, 5mu. Dans le cas où l'on utilise une structure mono ou multicouche, d'une épaisseur de 1,6 mm, le' diamètre de ces trous est d'au moins 1 mm. Dans le cas présent d'une structure multiple d'une épaisseur de 3,2 mm, on a représenté deux tels trous 8 et 9. Ces trous ont par exemple un diamètre de 2 mm. Pour éviter de faire fluer le film de liaison 7 dans ces trous au niveau des circuits i primés 5 lorsque ces circuits imprimés bordent les trous, cormr,e c est le cas pour le trou 8 sur le dessin, on dépose sur ces circuits une collerette annulaire en surépaisseur, telle que la collerette 10 sur le dessin. Cette collerette est coaxiale au trou correspondant. L'épaisseur cumulée de la collerette et du circuit imprimé sur lequel elle est disposée est d'environ 0,06 mm + 0,01 mm. Le diamètre extérieur de cette collerette est égal au diamètre de perçage du trou plus 0,5 mm. Pour permettre la bonne métallisation des trous, on dispose par voie chimique puis électrolytique sur toutes les surfaces apparentes des circuits imprimés 4 et 6 ainsi que sur la paroi des trous tels que les trous 8 et 9, une couche il de cuivre se composant d'une couche très fine (environ 0,0005 mm) de cuivre d'accrochage formée par immersion dans un bain, et d'un dépôt électrolytique d'une épaisseur d'environ 0,005 mm, en épargnant, bien entendu, toutes les surfaces apparentes sur lesquelles le cuivre ne doit pas être déposé, comme par exemple les faces latérales 12,13 des parties diélectriques des plaques 2,3. On procède ensuite à un dépôt électrolytique relativement épais dans les trous tels que les trous 8,9, pour y former des "rivets" creux 14,15 respectivement. Ces rivets se présentent sous forme de tubes se terminant de chaque côté, au débouché du trou, par une collerette 16,17 et 18,19 respectivement, s'étendant perpendiculairement à l'axe du trou, sur la couche 11, c'est-à-dire sur les faces externes des plaques 2,3. Les rivets sont formés par dépôt de cuivre électrolytique à haute ductilité, à savoir du cuivre pouvant subir des allongements supérieurs à 5 96 avant rupture, en d'autres termes du cuivre présentant un module de Young inférieur à 10.000 daN/mm2. de préférence d'environ 7 000daN mm2. L'épaisseur des parois de la partie tubulaire des rivets 14,15 est d'environ 0,08 mm. Le diamètre des collerettes 14 à 17 est égal au diamètre de perçage des trous 8,9 plus 2 mm, avec une tolérance d'environ + 0 2 mm. Le diamètre extérieur des collerettes 16 à 19 est égal au diamètre de perçage des trous 8,9 plus 2 mm avec une tolérance d'environ + 0,2 mm. L'épaisseur de ces collerettes est supérieure à environ 0,120 mm, et de préférence inférieure à 0,2 mm, la valeur optimale étant d'environ 0,14 mm. On a vérifié que lorsque le diamètre de la collerette était inférieur à la valeur minimale précitée, les couches de cuivre 4 et G se fendaient ou se rompaient au niveau des bords des collerettes à la suite de variations rapides de températures du type précité, et que si ce diamètre était supérieur à la valeur maximale précitée, ou si l'épaisseur des collerettes était inférieure à la valeur minimale précitée, lesdites variations rapides de température provoquaient des fissures des rivets à la jonction entre les collerettes et les parties tubulaires de ces rivets. Bien entendu, si l'on veut établir une liaison entre des circuits de couches internes d'une structure multicouche ou entre, des circuits d'une couche interne (par exemple circuits 5 du dessin) et des circuits ou une masse d'une couche externe (par exemple circuits ou masse 4 et 6), on réalise cette liaison à l'aide des rivets conformes à l'invention, à condition de pouvoir pratiquer des lamages dans les couches qui ne doivent pas être traversées par les rivets, afin d'accéder aux circuits des couches internes. Le diamètre de ces lamages doit être supérieur au diamètre des collerettes. On peut aussi réaliser cette liaison inter-couches de cuivre à l'aide de ces mêmes rivets en traversant toute la structure. Pour garantir le comportement des circuits imprimés et des rivets, dans l'environnement classique des matériels électroniques, il est nécessaire d'y déposer une couche de finition 20 qui peut être en or par exemple. Dans le cas où des parties de circuits de couches internes, telles que les parties de circuit 21 représentées au centre du dessin. doivent être apparentes (non recouvertes par une ou plusieurs couches de la structure, par exemple pour y implanter les composants discrets), on dispose dans le volume libre de ces circuits, au moment de l'assemblage de la structure (collage sous pression) une cale ayant sensiblement les mêmes dimensions que ce volume libre, et réalisée, de préférence, avec le matériau diélectrique de la structure (Verre-Téflon par exemple). Ainsi, lors du pressage et du chauffage de la structure, on évite le décollement de ces parties de circuits. De façon avantageuse, au lieu de détourer totalement la couche, telle que la couche 2, au-dessus de ces parties de circuits, on pratique dans cette couche une rainure délimitant cet espace libre et on détoure selon le même tracé le film de liaison. La profondeur de cette rainure est d'environ 1.3 mm pour une couche d'épaisseur 1,6 mm. Ensuite on assemble la structure, on approfondit la rainure jusqu'à une profondeur sensiblement égale à l'épaisseur de la couche correspondante, et on élimine ainsi le matériau délimité par la rainure. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de liaisons électriques entre faces de plaques (4,6) à circuits imprimés (20) résistant aux contraintes thermiques, caractérisé par le fait qu'après avoir percé la structure mono ou multicouche aux endroits (19) où l'on veut établir des Uaisons entre circuits de faces différentes de cette structure, on forme des rivets (17,19) en métal à haute ductilité dans ces trous, ces rivets comportant une partie tubulaire se terminant a chaque extrémité par une collerette (16 a 19) reliée électriquement auxdits circuits. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on forme les rivets par dépôt électrolytique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, pour établir une liaison entre faces distantes d'environ 1,6 mm, caractérisé par le fait que le diamètre de perçage des trous dans lesquels sont formés les rivets est d'au moins 1 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, pour établir une liaison entre faces distantes d'environ 3,2 mm, caractérisé par le fait que le diamètre de perçage des trous dans lesquels sont formés les rivets est d'au moins 1,5 mm. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le diamètre des collerettes est sensiblement égal au diamètre de perçage des trous plus 2 mm et que leur épaisseur est supérieure å o, 12 mm. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'épaisseur des parois des rivets à l'intérieur des trous est d'environ 0,08 mm. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le métal utilisé pour former les rivets est du cuivre électrolytique à module de Young inférieur à 10 000 daN/mm2. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, appliqué à des structures multicouches, caractérisé par le fait que lorsque des circuits (5) de faces internes de la structure entourent les trous dans lesquels sont formés les rivets, on forme sur ces circuits des collerettes annulaires (10) en surépaisseur. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'épaisseur cumulée des collerettes et du circuit imprimé sur lequel elles sont déposées est de 0,06 mm + 0,01 mu, et que le diamètre extérieur de ces collerettes est égal au diamètre #des trous plus 0,5 mm. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lorsque certaines parties de circuits de faces internes d'une structure multicouches doivent être apparentes. on dispose, au moment de l'assemblage de la structure, dans le volume libre au-dessus de ces circuits une cale ayant sensiblement les mêmes dimensions que ce volume.