Brevet FR2655484A1 — publié le 19910607

L'invention concerne des connecteurs pour des puces à circuits intégrés et des substrats de puces multiples, et plus particulièrement un tel connecteur qui permet des contacts à haute densité dans un ensemble divisable. Des circuits intégrés sont classiquement portés sur des modules en silicium ou en céramique qui sont analogues à des plaquettes miniatures à circuits imprimés sur lesquelles le motif d'interconnexion (en une ou plusieurs couches) et des plots de contact sont déposés sur le silicium De tels substrats peuvent comprendre aussi des dispositifs actifs, des amplificateurs de lignes, des récepteurs, etc Un module peut contenir plusieurs puces à circuits intégrés qui sont montées sur le substrat au moyen de procédés automatisés de montage de puces à protubéran- ces ("f lip chips"), de montages thermosoniques à fil ou à rubans, par exemple Cette technologie donne une densité d'interconnexion très élevée sur le module Par exemple, la technologie des puces à protubérance utilise des plots de soudure d'une hauteur de seulement 0,025 mm, à entraxes descendant à 0,102 mm, pour donner un conditionnement extrêment dense Les modules sont ensuite interconnectés à l'aide d'une plaquette à circuit imprimé Pour des raisons de minimisation de l'effet du retard de propagation des signaux, ces modules doivent être connectés dans un espace aussi réduit que possible Un objet de l'invention est donc de proposer un ensemble pour la connexion à haute densité d'un module de puces à circuits intégrés sur une plaquette à circuit imprimé ou un substrat similaire. En ce qui concerne la densité de connecteurs, la technologie des ensembles connecteurs a progressé des contacts montés dans des trous métallisés, aux combinaisons broches-douilles, au soudage de surface et à l'utilisation actuelle d'interposeurs, un exemple de ces derniers étant donné dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 699 593 Les procédés à interposeurs et similaires utilisent habituellement un isolateur en tant que moyen de positionnement ou d'orientation de contacts, qui sont habituellement des éléments à ressorts Cependant, lorsque les dimensions de la matière plastique séparant des contacts adjacents est au-dessous de certaines limites, la technologie classique de moulage des matières plastiques devient inadaptée Il existe une limitation portant sur l'espace entre des broches de noyau dans le moule, espace dans lequel la matière plastique coule, ce qui rend difficile l'obtention d'une densité de conditionnement appropriée et le maintien d'au moins une certaine résis- tance mécanique lors de l'extraction du moule La techno- logie du moulage par injection à réaction de liquide est mieux apte à la production de formes géométriques réduites. Cependant, elle est associée à la difficulté de fabriquer des formes géométriques réduites sans bavures dont la dimension approche souvent la dimension des séparateurs ou nervures entre contacts De plus, étant donné qu'il est souhaitable que le signal, à son passage du module à la plaquette à circuit imprimé, rencontre une impédance caractéristique ajustée, sans discontinuité, l'utilisation de matières plastiques impose une limitation, car la proximité étroite des contacts entraîne une diaphonie entre eux Ce problème de diaphonie peut être atténué par la connexion à la masse de contacts alternés afin d'établir une masse de référence Cependant, ceci affecte fortement la densité d'interconnexion pouvant être obtenue Un autre objet particulier de l'invention est donc de proposer un ensemble connecteur entre le module de puces à circuits intégrés et une plaquette à circuit imprimé, qui possède une impédance déterminée, des propriétés de guides d'ondes, une faible résistance électrique, une courte longueur électrique, une densité élevée et une grande fiabilité. Parfois, un module de circuits intégrés devient défectueux après sa mise en place sur une plaquette à circuit imprimé Dans ce cas, il est souhaitable de pouvoir remplacer un tel module sans qu'il soit nécessaire de remplacer l'ensemble de la plaquette à circuit imprimé Un autre objet de l'invention est donc de proposer un ensemble connecteur qui satisfait toutes les exigences précédentes et qui, de plus, peut être séparé pour permettre le remplacement du module. Les objets précédents et d'autres objets sont réalisés conformément aux principes de l'invention au moyen d'un ensemble connecteur séparable dans lequel plusieurs modules de contacts identiques sont prévus, ces modules ayant un corps isolant et un élément de contact Il est prévu un support à travers lequel sont formées plusieurs ouvertures Chaque ouverture est disposée dans le support et est dimensionnée de façon à recevoir un module de contact respectif afin que les surfaces en contact des modules de contacts soient maintenues en un réseau espacé correspondant à l'espacement des plots de contact sur le support de puces et des plots de contact correspondants sur le substrat auquel le support de puces doit être connecté. Conformément à une particularité de l'inven- tion, le support est formé de plusieurs plaques métalliques relativement minces qui sont empilées. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe transversale partielle semi-éclatée d'un ensemble connecteur typique illustrant les principes de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de l'ensemble connecteur représenté sur la figure 1; la figure 2 A est une vue à échelle agrandie d'une partie du connecteur de la figure 2; la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2 A; la figure 4 est une vue isométrique montrant un module de contact simple partiellement assemblé; la figure 5 est une vue isométrique montrant une partie des bandes formées montrées sur la figure 6; et la figure 6 est une vue schématique isométri- que illustrant un procédé de réalisation du module de contact et de l'ensemble connecteur selon les indications de l'invention. La figure 1 montre une vue partiellement éclatée d'un ensemble connecteur d'interposition 10 destiné à interconnecter des plots de contact situés sur un support 12 de puces à circuits intégrés à des plots de contact situés sur une plaquette 14 à circuits imprimés, ou autre substrat métallisé Comme décrit en détail ci-dessous, l'ensemble connecteur 10 comprend plusieurs éléments de contact 16 qui dépassent des deux côtés du connecteur 10 pour établir un contact électrique avec les plots situés à la fois sur le support 12 de puces et sur la plaquette 14 à circuits imprimés L'accouplement de ces contacts avec leurs plots respectifs est réalisé par la prise en sandwich du connecteur 10 entre le support 12 de puces et la plaquette 14 à circuits imprimés au moyen d'une embase relativement rigide 17 et d'une plaque 18 de compression qui sont boulonnées entre elles à l'aide des vis 20 Le support 12 de puces porte plusieurs puces 22 à circuits intégrés montées et fixées sur sa surface plane 24 Les éléments de circuits contenus dans les puces 22 sont connectés à des plots de contact 26 qui sont disposés sur une surface plane 28 du support 12 de puces Plusieurs plots de contact 30 sont disposés sur une surface plane 32 de la plaquette 14 à circuits imprimés Lorsque les vis 20 sont serrées en position, les éléments de contact 16 viennent s'appliquer contre leurs plots respectifs 26 et , provoquant une flexion des éléments de contact 16. Chacun de ces éléments de contact 16 exige une force d'environ 1,5 N pour fléchir convenablement De grands supports de puces peuvent exiger des forces importantes pour engager convenablement les éléments de contact 16 Par exemple, le présent support 12 de puces est d'environ 20 cm par 20 cm et comprend 25 000 plots de contact 26 sur la surface 28 L'ensemble connecteur à interposition 10 doit donc avoir 25 000 éléments de contact 16, nécessitant chacun une force de 1,5 N Il en résulte une force totale d'environ 35,6 k N nécessaire pour accroître convenablement l'ensemble connecteur 10 avec le support 12 de puces et la plaquette 14 à circuits imprimés Pour aider le support 10 de puces à supporter de tels niveaux de force, un support 34 en nid d'abeilles est fixé à la plaque 18 de pression et est disposé de façon à buter contre la surface 24 du support 12 de puces dans les zones entourant les puces 22 à circuits intégrés De cette manière, on peut appliquer une force importante sans risquer de faire fléchir le support 12 de puces au-delà de son niveau admissible. Les figures 2, 2 A et 3 montrent plus en détail l'ensemble connecteur d'interposition 10 La figure 2 est une vue en plan du connecteur 10, représentant une structure sensiblement carrée qui présente une ouverture centrale 40 destinée au passage d'électrodes de puissance et d'autres structures analogues L'ensemble connecteur 10 est constitué d'un support 42 et d'un certain nombre de modules de contact 44, à savoir 25 000 dans le présent exemple Le support 42 est composé de plusieurs plaques 46 relativement minces qui sont empilées pour atteindre une épaisseur sensiblement égale à la hauteur H du module 44 de contact, voir figure 3, laquelle hauteur est de 2,286 mm dans le présent exemple Les plaques 46 sont toutes découpées à la même dimension et à la même forme et, bien qu'elles soient carrées dans le présent exemple, d'autres formes peuvent être utilisées de façon avantageuse Une série de perforations 48 est formée à travers chaque plaque par tous moyens convenables, par exemple par masquage photolithographique suivi d'une attaque chimique La série de perforations 48 est formée suivant une configuration souhaitée pour correspondre à la configuration des plots de contact 26 et 30 du support 12 de puces et de la plaquette 14 à circuits imprimés, respectivement Dans le présent exemple, une configuration en grille X-Y, ayant un entraxe de 1,270 mm, est demandée A cet effet, les perforations 48 sont inclinées et agencées comme on peut mieux le voir sur la figure 2 A Chaque perforation 48 a une largeur de 0,381 mm et une longueur de 2,413 mm dans le présent exemple, et est disposée de façon à former un angle d'environ 30 avec l'horizontale Les plaques individuelles 46, présentant les perforations, sont ensuite empilées en alignement afin que les perforations individuelles 48 soient alignées et forment des ouvertures 50 traversant complètement le support 42 Les plaques sont réalisées en métal afin que, lorsqu'elles sont comprimées les unes contre les autres avec les modules de contact 44 en position, chaque contact soit entouré d'un métal de manière à réduire notablement la diaphonie entre les contacts Tous moyens convenables peuvent être utilisés pour maintenir les plaques assemblées afin qu'elles forment une structure rigide monobloc Dans le présent exemple, les plaques sont soudées par points entre elles au moyen d'une pointe d'électrode d'un diamètre de 3, 175 mm, à une intensité de courant de 100 ampères Les points de soudure 54 sont espacés à des entraxes d'environ 9,525 mm le long de la périphérie du support 42 et à proximité immédiate de l'ouverture centrale 40. Comme montré sur la figure 3, l'élément de contact 16 comprend une partie élastique 56 et des première et seconde parties de contact 58 et 60, respectivement Cet élément de contact 16, comme montré sur la figure 3, est décrit plus complètement dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 337 730, déposée le 13 avril 1989. Cependant, il est bien entendu que tout contact similaire convenable peut être utilisé dans la mise en oeuvre de la présente invention. Les détails du module de contact 44 sont représentés de façon plus particulière sur la figure 4. Comme montré, le module 44 comprend un corps isolant comportant une première partie 62 et une seconde partie 64, et l'élément de contact 16 Les deux parties 62 et 64 comprennent chacune une portion 66 et 68 d'une cavité formée dans les surfaces plates 70 et 72, respectivement. De plus, les deux parties 62 et 64 comportent des motifs imbriqués tels que les saillies 74 qui s'accouplent avec les ouvertures 76 Lorsque les deux parties 62 et 64 sont assemblées de façon que leurs surfaces 70 et 72 soient en butée l'une contre l'autre, les saillies 74 s'engagent dans les ouvertures 76, alignant ainsi mutuellement les parties pour que les deux portions 66 et 68 forment une cavité interne destinée à maintenir l'élément de contact 16. Chaque portion 66 et 68 de cavité comprend aussi des moitiés d'ouverture 80, 81, 82 et 83, respectivement, afin que les moitiés d'ouverture 80 et 82 forment une ouverture à travers laquelle la partie de contact 60 fait saillie et que les moitiés d'ouverture 81 et 83 forment une ouverture à travers laquelle la partie de contact 58 fait saillie, dans des directions mutuellement opposées La cavité interne formée par les portions 66 et 68 et les ouvertures formées par les moitiés 80, 81, 82 et 83 sont toutes sensiblement coplanaires et sont dimensionnées pour recevoir l'élément de contact 16 et pour permettre une déformation du contact dans le plan de la cavité et des ouvertures, sans coincement Les deux parties 62 et 64, lorsqu'elles sont accouplées avec un élément de contact 16, forment le module 44 de contact ayant des surfaces extérieures sensiblement planes et parallèles 86 et 88 Le module 44 a une épaisseur (distance comprise entre les surfaces extérieures 86 et 88) de 0,381 mm, une hauteur de 2,286 mm et une longueur de 2,413 mm, comme vu sur la figure 4, dans cet exemple. Les deux parties 62 et 64 sont formées en bandes continues relativement longues 100 et 102, respec- tivement, comme montré sur la figure 5 Les parties 62 et 64 sont interconnectées à l'aide de pattes de liaison 104 qui sont supprimées avant l'insertion du module 44 dans les ouvertures 50 du support 42. Comme montré sur la figure 6, les bandes 100 et 102 sont fabriquées par extrusion d'une matière plastique en bandes, ayant une section transversale sensiblement rectangulaire, au moyen d'une filière 110 d'extrusion de matière plastique La matière plastique qui est extrudée peut être toute matière diélectrique convenable telle que, par exemple, du type "Vectra LCP" qui est produit par la firme Celanese Corp of America, 81 Morris Avenue, Summit, New Jersey 07901, ou autre matière similaire Les bandes de matière plastique extrudée peuvent avoir une épaisseur d'environ 0,152 mm et une largeur d'environ 2,286 mm Alors que les bandes de matière plastique sont encore chaudes et déformables, on les fait passer entre deux rouleaux 112 et 114 Les rouleaux 112, 114 contiennent des structures de matrice 116 et 118 dans leur surface extérieure, lesquelles structures déforment la matière plastique et forment les bandes 100 et 102, respectivement Les rouleaux 112 et 114 sont mis en rotation en synchronisme l'un avec l'autre afin que les parties individuelles 62 et 64 soient formées respectivement dans les bandes 100 et 102 On comprendra que ces bandes peuvent également être formées par compres- sion des bandes de matière plastique dans un ensemble à poinçon et matrice Pendant que les bandes 100 et 102 progressent de la gauche vers la droite, comme vu sur la figure 6, elles sont tournées progressivement l'une vers l'autre afin que leurs surfaces respectives 70 et 72 soient opposées et approximativement parallèles comme indiqué en 122 sur la figure 6 En ce point, un élément de contact 16 est prélevé d'une réserve 124 d'éléments de contact et est inséré entre les deux bandes 100, 102 en alignement avec les portions de cavité 66 et 68 d'une paire de parties 62 et 64 Le contact est inséré dans le sens de la flèche A et, étant donné que les bandes se déplacent dans le sens de la flèche B, le contact subit aussi un mouvement latéral dans le sens de la flèche B Durant ce mouvement latéral, les deux bandes 100 et 102 sont fusionnées étroitement l'une avec l'autre afin que l'élément de contact inséré 16 soit emprisonné entre les deux portions de cavité 66 et 68 se rapprochant L'outil d'insertion est ensuite retiré et le fusionnement des deux bandes 100, 102 se poursuit jusqu'à ce que les surfaces 70 et 72 soient en contact de butée et que les saillies 74 soient accouplées avec leurs ouvertures respectives 76, comme montré en 124 sur la figure 6 En ce point, la bande continue de modules 44, qui sont interconnectés par les pattes de liaison 104, peut être enroulée sur une bobine, non représentée, et stockée pour être ensuite utilisée Plus commodément, en ce point, les modules individuels 44 peuvent être sectionnés de la bande et insérés dans une ouverture 50 du support 42. Lorsque le module 44 est sectionné de la bande, les pattes de liaison 104 associées à ce module sont également sectionnées et rejetées En variante, les bandes 100 et 102 peuvent être reliées à leurs bords opposés par un mince voile ou des parties d'un voile de matière Pendant que les bandes se déplacent vers le point 122 de la figure 6, le voile agit à la manière d'une charnière pendant que les deux bandes sont pliées l'une vers l'autre Ce voile peut alors être éliminé avec les pattes de liaison 104. Un appareil destiné à extruder la matière plastique à travers la filière 110, à commander les rouleaux 112, 114, à guider les bandes 100, 102, à insérer l'élément de contact 16, à fusionner les bandes 100, 102 en un ensemble accouplé et à sectionner les modules in- dividuels 44 et les insérer dans le support 42, est bien connu dans l'industrie sous la forme d'appareils in- dividuels destinés à effectuer chaque fonction indivi- duelle Cependant, il n'est pas connu de combiner ces fonctions individuelles en un seul procédé de réalisation des modules de connecteur 44 ou de l'ensemble connecteur d'interposition 10 de la présente invention. Un avantage important de l'invention est qu'il n'y a pas de diélectrique entre les plaques métalliques 46, ce qui minimise le risque de diaphonie entre les contacts. Etant donné que les plaques sont comprimées les unes contre les autres pendant le fonctionnement, il existe un contact électrique intime entre les modules 44 de contact. Un autre avantage important de l'invention est que des contacts peuvent être placés sur des grilles très petites, par exemple de 1,27 mm ou moins. Le procédé de fabrication nouveau du module de contact de l'ensemble connecteur interposeur selon l'invention est efficace et fournit des pièces accouplables avec précision, ayant des dimensions de l'ordre de quelques centièmes de millimètre. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'ensemble connecteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Ensemble connecteur destiné à connecter électriquement des plots de contact ( 26) agencés en une première configuration sur une surface d'un premier substrat ( 12) à des plots de contact respectifs ( 30) agencés en une seconde configuration sur une surface d'un second substrat ( 14), caractérisé en ce qu'il comporte: (a) plusieurs modules de contact ( 44) sensible- ment identiques, comprenant chacun un corps isolant ( 62, 64) et un élément de contact ( 16)ayant une partie élastique ( 56) et des première et seconde parties de contact ( 60, 58) disposées à des extrémités opposées de la partie élastique ( 56), chaque corps isolant ( 62, 64) étant en matière diélectrique et présentant une cavité intérieure ( 66, 68) contenant ladite partie élastique ( 56) de l'élément de contact ( 16), les première et seconde parties de contact ( 60, 58) passant dans des ouvertures ( 80, 81, 82, 83) situées dans des côtés opposés du corps isolant; et (b) un support ( 42) ayant des première et seconde surfaces planes, principales, parallèles, ledit support ( 42) présentant plusieurs ouvertures ( 50) destinées à recevoir les modules de contact ( 44) et à les espacer afin que la totalité des première et seconde parties de contact ( 60, 58) s'étende vers l'extérieur à partir des première et seconde surfaces planes, respectivement, et soit en alignement avec les première et seconde configura- tions de plots de contact ( 26, 30) sur les premier et second substrats ( 12, 14), respectivement; et (c) des moyens ( 17, 18, 20) destinés à maintenir les premier et second substrats ( 12, 14) et le support ( 42) afin que les première et seconde parties de contact ( 58, 60) de certains éléments de contact ( 16) soient en contact avec leurs plots respectifs de contact ( 26, 30) sur les premier et second substrats ( 12, 14). 2 Ensemble connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des modules de contact ( 44) comprend un corps isolant ( 62, 64) et un élément de contact ( 16), le corps ( 62, 64) comprenant une première partie ( 62) et une seconde partie ( 64) ayant chacune des motifs accouplables ( 74) comportant une portion d'une cavité ( 66, 68) afin que, lorsque les première et seconde parties ( 62, 64) sont amenées en engagement pour former le corps, les motifs accouplables ( 74) s'enclenchent mutuellement, alignant lesdites parties pour former une cavité intérieure ( 66, 68) destinée à contenir l'élément de contact ( 16 >. 3 Ensemble connecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque module de contact ( 44) présente deux surfaces principales opposées ( 86, 88) qui sont sensiblement parallèles et qui se terminent dans des parties latérales du module de contact, chacune des ouvertures ( 50) du support ( 42) comprenant des moyens destinés à engager les deux surfaces principales opposées ( 86, 88) et les parties latérales afin d'aligner et fixer le module de contact ( 44) dans ladite ouverture ( 50). 4 Ensemble connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie élastique ( 56) et les première et seconde parties de contact ( 60, 58) s'étendent sensiblement dans un plan commun dans ladite cavité intérieure ( 66, 68), et les ouvertures ( 50) du support ( 42) sont disposées de façon que les plans communs de tous les éléments de contact ( 16) soient sensiblement parallèles. Ensemble de contact selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support ( 42) est composé de plusieurs plaques métalliques relativement minces ( 46) présentant chacune lesdites ouvertures ( 50), les ouvertures ( 50) d'une plaque ( 46) étant alignées avec des ouvertures correspondantes ( 50) des autres plaques ( 46). 6 Ensemble connecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde surfaces principales sont d'une forme rectangulaire ayant une longueur d'environ 15 à 25 cm, et la distance comprise entre les surfaces principales est d'environ 1,5 à environ 3,3 mm. 7 Module de contact ( 44) à utiliser dans un ensemble connecteur comprenant un corps isolant ( 62, 64) et un élément de contact ( 16), caractérisé en ce que le corps comporte une première partie ( 62) et une seconde partie ( 64) comportant chacune des motifs imbriqués ( 74) qui comprennent une portion d'une cavité ( 66, 68) de manière que, lorsque les première et seconde parties ( 62, 64) sont accouplées pour former le corps, les motifs imbriqués ( 74) s'enclenchent mutuellement, alignant les parties ( 62, 64) et les fixant l'une à l'autre pour former une cavité intérieure ( 66, 68) destinée à contenir l'élément de contact ( 16). 8 Module de contact ( 44) selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que l'élément de contact ( 16) comprend une partie élastique ( 56) et des première et seconde parties de contact ( 58, 60) disposées à des extrémités opposées de la partie élastique ( 56), le corps isolant ( 62, 64) présentant deux ouvertures ( 80, 81, 82, 83) qui s'étendent chacune depuis ladite cavité intérieure ( 66, 68) à travers le corps isolant ( 62, 64) et qui en coupent une surface extérieure, les première et seconde parties ( 58, 60) de contact faisant saillie à travers ces deux ouvertures ( 80, 81, 82, 83). 9 Module de contact ( 44) selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que la partie élastique ( 56) et les première et seconde parties de contact ( 58,60) s'étendent sensiblement dans un plan commun, et en ce que la cavité intérieure ( 66, 68) et les deux ouvertures ( 80, 81, 82, 83) s'étendent sensiblement dans le plan commun et sont dimensionnées pour recevoir étroitement l'élément de contact ( 16) et pour en permettre un mouvement le long dudit plan commun, sans coincement. Module de contact ( 44) selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que chacune des première et seconde parties ( 62, 64) présente une surface principale quelque peu plane ( 86, 88) sensiblement parallèle et opposée à ladite portion d'une cavité ( 66, 68) afin que le module de contact ( 44) présente deux surfaces principales quelque peu planes ( 86, 88) sur des côtés opposés du plan commun et sensiblement parallèles à ce plan commun.