Brevet FR2689360A1 — publié le 19931001

PROCEDE DE FABRICATION DE CARTES IMPRIMEES, ET CARTES IMPRIMEES OBTENUES PAR LEDIT PROCEDE. La présente invention a pour objet un procédé pour la fabrication de cartes imprimées à plusieurs couches et concerne également des cartes imprimées à plusieurs couches fabriquées par ce procédé. Les cartes imprimées à plusieurs couches présentent une couche centrale, comme décrit dans le brevet EP O 393 312 (en particulier la figure 3) Cette couche centrale a plusieurs fonctions: le raidissement de la carte imprimée, la compensation de l'épaisseur pour obtenir une carte imprimée d'épaisseur normalisée et, si la couche centrale présente une certaine épaisseur, elle sert à loger des composants, par exemple des condensateurs d'adaptation, etc Comme la couche centrale présente déjà en soi de multiples fonctions et crée donc elle-même des contraintes matérielles, il arrive aussi que son coefficient de dilatation linéaire ne coïncide pas avec celui des couches sus- jacentes, ce qui peut provoquer des décollements Le problème de la dilatation entre les composants et les cartes imprimées, ou entre les couches de la carte imprimée, ou entre la couche centrale et les couches de la carte imprimée, est décrit en détail dans le brevet susmentionné Il faut souligner ici ce qui suit: Le procédé de composition fait intervenir dans la structure en plusieurs couches, à la manière d'un sandwich, des plaques en feuille, par exemple en cuivre- invar-cuivre (CIC), qui sont fabriquées par laminage l'une sur l'autre de deux feuilles de cuivre sur un support en invar (Ni-Fe) Les plaques en feuille de CIC présentent, selon la proportion d'invar utilisée, un coefficient de température compris entre 4 et 10 ppm/0 C Si l'on souhaite stabiliser un multicouche à l'aide d'une telle plaque à un coefficient de température de 6,5 ppm/0 C par exemple, qui correspond environ à celui d'une céramique, il faudra que à 60 % de l'épaisseur de la carte imprimée se composent de telles plaques en feuille, car à défaut de cela, la résine prédomine par son coefficient de température de 16 ppm/0 C. Avec des trous de raccordement traversants, il se pose cependant le problème que lors de la gravure à décou- vert, c'est-à-dire aux points o la gaine de métallisation n'est pas raccordée à la plaque en feuille, l'espace vide ainsi formé doit à nouveau être rempli de résine sans bulles Ceci est déjà difficile pour les feuilles en une couche d'une épaisseur dépassant 150 Fum, et n'est faisable qu'en recourant au vide pendant le pressage des différentes couches pour former un multicouche Un inconvénient grave réside en outre dans le fait qu'un tel espace vide est rempli lors du pressage par de la résine pure, non renforcée par des fibres Cette résine sans fibres possède toutefois un coefficient de dilatation thermique encore plus élevé, ce qui a pour effet d'autres contraintes mécaniques par dilatation thermique. Il serait donc souhaitable de mettre au point un procédé permettant de fabriquer des couches centrales qui réduisent le coefficient de dilatation linéaire de l'ensemble du multicouche. Si une couche centrale de faible coefficient de dilatation linéaire " est utilisée pour la stabilisation de la dilatation thermique de l'ensemble de la structure, elle doit dans la plupart des cas, comme cela a déjà été dit plus haut, être relativement épaisse car sinon, le multicouche stratifié sur les deux faces l'emporterait sur la couche centrale du point de vue des contraintes et la dilatation thermique ne pourrait pas être tenue suffisamment basse Une couche centrale épaisse crée cependant, outre ses avantages spéciaux, les difficultés suivantes. Si des raccordements par trous métallisés doivent être établis entre les couches de revêtement, la couche centrale composée de métal et de composite à fibres de verre doit être percée à l'avance avec un diamètre de trous plus grand aux points correspondants (dégagements). Les trous percés à l'avance doivent ensuite être remplis d'une résine assurant une isolation électrique, afin que lors du perçage ou de la métallisation de l'ensemble de la structure stratifiée du multicouche, les trous ne soient pas reliés électriquement au centre et ne créent pas de court-circuit. Si la couche centrale est relativement épaisse, le remplissage des trous qui y sont percés à l'avance ne peut pas être réalisé en même temps que le pressage des deux couches de revêtement avec la couche centrale, car le matériau adhésif servant à coller la couche centrale et les couches de revêtement ne peut pas remplir les trous sans former de bulles Il faut donc habituellement remplir les trous de résine avant le pressage, ce qui peut être réalisé par un remplissage des trous avec de la résine en poudre et une fusion ultérieure Il est clair que ce procédé est complexe et comporte le risque que la poudre de résine contamine le reste de la surface Avec ce procédé, il se pose en outre le problème que la zone des trous dans la couche centrale remplie de résine, présente, à cause du coefficient de température élevé de la résine, une forte dilatation thermique selon l'axe des z (dans le sens de l'épaisseur) en cas de contrainte thermique La gaine de cuivre plaquée du trou traversant est donc exposée à une forte contrainte de traction ou de pression en cas de cycles thermiques, ce qui provoque à terme l'apparition de fissures En outre, la zone o de la résine pure a été coulée n'offre aucune possibilité d'ancrage à la gaine de cuivre, de sorte que le cuivre peut se détacher de la paroi du trou percé Ceci provoque, lors des cycles thermiques inévitables, un nouvel affaiblissement de la gaine et une diminution de la fiabilité du circuit dans son ensemble. Pour cette raison, la fabrication du multicouche a souvent été effectuée de manière que tous les trous traversants soient prévus dans une certaine zone clairement définie Cette zone peut alors être fraisée dans la couche centrale Une plaque de plastique renforcée par fibres de verre de même épaisseur est ensuite introduite dans ces évidements et collée, lors de la stratification ultérieure avec les couches de revêtement, à ceux-ci et à la couche centrale Si des trous sont ensuite ménagés dans cette zone, la paroi des trous forés n'est pas lisse dans la zone de la couche centrale, mais rugueuse à cause des fibres de verre sectionnées, et offre donc une possibilité d'ancrage pour le cuivre déposé par galvanisation. L'inconvénient de ce procédé est que les trous de passage doivent tous être prévus dans une zone clairement délimitée, ce qui rend nécessaires des passages de conducteurs supplémentaires dans les deux couches de revêtement Mais ces conducteurs supplémentaires augmentent non seulement la densité de connexions dans les multicouches, liée à une augmentation possible du nombre de couches nécessaire, mais aussi la longueur de conducteur, et de plus, ils ne sont pas indiqués pour les circuits à haute fréquence ou même interdits pour des raisons de technique des circuits L'effet stabilisateur de la couche centrale est en outre affaibli dans la zone de l'évidement, ce qui peut provoquer des forces et des tensions supplémentaires en cas de contrainte thermique. L'objectif est donc d'obtenir un remplissage des trous sans formation de bulles, un bon ancrage de la gaine de cuivre et la répartition à volonté des trous sur la surface du circuit. Ceci est obtenu en fabriquant dans une première étape des feuilles de produit semi-fini Celles-ci sont percées à l'avance puis stratifiées pour former un noyau central au moyen de couches de préimprégné renforcé par fibres de verre, la résine de la couche préimprégnée remplissant les trous entièrement et sans former de bulles, le noyau central ainsi obtenu pouvant ensuite être traité comme d'habitude A l'aide de ces étapes de procédé pour la fabrication d'un noyau central, tous les problèmes exposés ci-dessus peuvent être résolus simultanément et ensemble. L'idée qui est à la base de l'invention est la suivante: la profondeur des trous est réduite de manière que leur remplissage soit plus facile, grâce à l'utilisation de produits semi-finis de fine épaisseur, à partir desquels le noyau central est réalisé Les couches de produit semi-fini sont liées par interposition entre elles de fines couches d'ancrage possédant des renforts mécaniques isolants (ceux qui ne sont pas isolants se trouvent dans les produits semi- finis percés) Après l'assemblage des couches, le noyau central est percé, ce qui produit des trous pourvus de points d'ancrage Les parois desdits trous sont isolées au moyen de renforts conducteurs (par exemple métal, fibres de carbone, etc). Les couches de produit semi-fini peuvent être constituées par de fines feuilles de métal en cuivre- invar-cuivre ou cuivre-molybdéne-cuivre, mais peuvent aussi être fabriquées dans un composite de fibres de verre et de polyimide L'utilisation de feuilles de métal fines, au lieu d'une tôle épaisse, produit en outre l'avantage que les feuilles sont plus faciles à traiter par des procédés chimiques ou mécaniques que les tôles plus épaisses. Les trous percés à l'avance peuvent en particulier être produits par gravure dans des feuilles fines, qui sont habituellement d'une épaisseur de 0,1 à 0,3 mm, ce qui est sensiblement moins coûteux que le perçage mécanique des trous Dans le cas o les trous sont percés malgré tout, le perçage de tôles fines est sensiblement plus simple, car l'enlèvement de copeaux sur l'invar ou même le molybdène est très difficile. Le procédé résumé ci-dessus sera discuté en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre les phases a à c du problème qui se pose lors de la métallisation pendant la fabrication d'un multicouche comportant une couche centrale; La figure 2 représente les phases a à g d'un procédé complexe permettant d'éviter les problèmes de la figure 1; La figure 3 représente un détail à plus grande échelle de la figure 2 g; La figure 4 illustre un autre aspect du problème qui se pose dans la fabrication de la couche centrale; La figure 5 représente les phases a à c d'un exemple de procédé selon la présente invention, dans lequel les problèmes discutés précédemment sont évités; et La figure 6 représente un détail du procédé de la figure 5. La figure la représente les composants d'un multicouche avant le pressage Sur une couche centrale 1 présentant deux trous dont le diamètre est plus grand que le passage des contacts, les couches de revêtement 3 sont collées des deux côtés de la couche centrale au moyen de couches préimprégnées 2 Après cette opération de stratification, des inclusions de gaz 4, donc des vides, sont en général présentes dans les trous, comme le montre la figure lb Lorsque l'on perce des trous 5 dans le stratifié ainsi obtenu, les vides sont eux aussi percés, comme on le voit à droite sur la figure lc Ces vides sont également remplis de métal lors de l'application par galvanisation de la gaine métallisée 6 et créent ainsi un contact avec la couche centrale 1, comme on le voit dans le trou de gauche de la figure lc. La figure 2 illustre les phases d'un procédé relativement complexe qui permet d'éviter les inclusions de gaz ou les vides dans la région des trous traversants. La couche centrale 1 percée est rendue étanche sur un côté par une feuille d'étanchéité 8 et les trous sont remplis de poudre de résine 7 qui est ensuite fondue Après refroidissement, il reste des cuvettes de rétraction visibles sur les figures 2 c et 2 d Ces cuvettes sont remplies par la résine de la couche préimprégnée 2 comme le montrent les figures 2 c et 2 f Après la stratification, la résine emplit les trous sans former de bulles, et isole ainsi entièrement la couche centrale de la gaine métallisée 6 (figure 2 g). Comme le montre la vue agrandie de la figure 3, l'inconvénient de ce procédé est qu'il se forme de cette manière une zone 12 de forte dilatation thermique, dépourvue en outre de points d'ancrage suffisants pour la gaine 6. La figure 4 représente un détail d'un autre procédé complexe, dans lequel des inserts préimprégnés 14 sont disposés dans certaines zones de la couche centrale 1 On voit tout de suite que ce procédé crée des contraintes matérielles inacceptables. La figure 5 illustre à présent une manière élégante proposée par l'invention pour résoudre l'ensemble des problèmes expliqués précédemment Des feuilles de produit semi-fini 20 de fine épaisseur, réalisées dans un matériau de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur et assurant une stabilisation mécanique, sont percées, trouées ou gravées à l'avance selon le plan L'épaisseur des feuilles est choisie de telle sorte que, d'une part, le produit semi-fini puisse être bien travaillé (par exemple pour la gravure des trous) et que, d'autre part, les trous soient remplis de manière sûre par la résine du préimprégné Des couches de préimprégné 9 et des feuilles de produit semi- fini 20 sont empilées alternativement (figure 5 a) jusqu'à obtenir l'épaisseur de noyau central souhaitée, puis l'empilement est stratifié pour former un noyau central Les trous 21 sont alors entièrement remplis, ce que montre la figure 5 b Après la stratification finale, c'est-à-dire après la stratification des couches de revêtement 10 sur le noyau central 25, des trous sont percés à travers l'ensemble et des gaines métallisées 6 sont coulées dans les trous (figure 5 c) On voit en détail sur la figure 6 que non seulement la proportion de résine de la gaine isolante 21 ' est plus petite, mais aussi que les couches de fibres de verre 9, qui interrompent la gaine isolante 21 ', procurent un ancrage à la gaine métallisée 6 Les problèmes discutés ci-dessus sont ainsi résolus par ce procédé simple et élégant. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de cartes imprimées à plusieurs couches comprenant un noyau central pour la stabilisation et le réglage de l'épaisseur de l'ensemble de la carte imprimée, caractérisé en ce que pour la réalisation du noyau central ( 25), des feuilles de produits semi-finis ( 20) percées à l'avance de trous ( 21) à une distance de court-circuit et ayant une fine épaisseur par rapport à celle du noyau central fini sont fabriquées, plusieurs desdites feuilles étant emplilées alternativement avec des couches de liaison ( 9) renforcées par fibres pour former un noyau central d'épaisseur souhaitée puis stratifées à chaud, les trous ( 21) se remplissant alors de résine fondue, la ou les cartes imprimées étant ensuite percées et métallisées à travers les trous du noyau central. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une feuille de stabilisation ( 20) d'une épaisseur inférieure à 0,5 mm est utilisée comme produit semi-fini et les produits semi-finis sont reliés avec du préimprégné fibre-résine ( 9) pour former un noyau central, sur lequel la ou les cartes imprimées sont stratifiées et percées. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une feuille métallique est utilisée comme feuille de stabilisation. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une natte de fibres de carbone est utilisée comme feuille de stabilisation. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un préimprégné à fibres de verre est utilisé comme préimprégné fibre-résine. 6 Procédé selon l'une ou l'ensemble des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la feuille de stabilisation est déterminée en fonction de la proportion de résine de la couche de liaison renforcée par fibres. 7 Carte imprimée en plusieurs couches avec un noyau central, caractérisée en ce que le noyau central ( 25) se compose d'une pluralité de couches de stabilisation ( 20) et de couches de liaison ( 9) d'une épaisseur sensiblement égale et présente des zones de perçage ( 21), dans lesquelles une pluralité de couches de fibres ( 9) sectionnées (assurant l'ancrage) parviennent jusqu'aux gaines métallisées ( 6). 8 Carte imprimée selon la revendication 7, caractérisée en ce que le noyau central ( 25) est un composite stratifié de couches de stabilisation ( 20) conduisant l'électricité et de préimprégné ( 9) renforcé par fibres, qui présente des zones pour des trous traversants ( 21) et des métallisations ( 6).