Brevet FR2686475A1 — publié le 19930723

COMPOSANT ELECTRIQUE FORME PAR LASER ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un composant électrique formé par laser et un procédé de fabrication de ce composant La présente invention concerne plus préci- sément un composant électrique multicouche, comprenant des couches superposées de matériau isolant alternant avec des motifs imprimés de bobines en spirale,formés à partir d'un matériau conducteur de l'électricité. De nombreux composants électriques utilisant des bobines ont été fabriqués sous la forme de puces, avec diverses couches alternées de ferrite et de conducteurs. Cependant, plusieurs inconvénients résultent des procédés connus pour la fabrication de ces dispositifs La plupart des bobines formées de cette manière ne compren- nent pas une bobine complète,ayant plus d'une spire dans chaque couche superposée A la place, dans les dispositifs connus, une partie de chaque bobine est placée sur des couches différentes, et ces parties sont connectées de façon à former une bobine complète ayant plusieurs spires. Certains dispositifs connus comportent effec- tivement une bobine entière, ayant plus d'une spire, sur chaque couche de ferrite; cependant, les possibilités de miniaturisation de tels dispositifs sont limitées, à cause des contraintes des techniques d'impression qui sont utilisées Les procédés connus pour former les bobines conductrices sur chaque couche font habituellement inter- venir l'impression du matériau conducteur sur la couche de ferrite La plupart des techniques pour imprimer ces couches ne permettent pas que les lignes aient une largeur très inférieure à 0,20-0,25 mm, et ne permettent pas que les espaces entre -s lignes soient très inférieurs à 0,20-0,25 mm Cette dimension minimale des lignes et des espaces impose une limite sur le niveau de miniaturisation que l'on peut atteindre avec des bobines de ce type. On a utilisé des lasers dans le domaine des résistances, pour ajuster celles-ci et pour les former Cependant, dans les procédés à laser qui sont utilisés à l'heure actuelle, on doit suivre avec un faisceau laser le motif du conducteur particulier désiré. Ceci est une tâche qui prend du temps et qui ne permet pas de former ca conducteur d'une manière rapide ou instan- tanée. Un but principal de la présente invention est donc de procurer un composant électrique formé par laser de type perfectionné, et un procédé pour fabriquer ce composant. Un but supplémentaire de la présente invention est de procurer un composant électrique formé par laser de type perfectionné, que l'on peut fabriquer en une plus petite taille que les dispositifs de l'art antérieur, tout en obtenant simultanément une valeur d'inductance identique ou supérieure à celle qui est actuellement disponible. Un but supplémentaire de la présente invention est de procurer un procédé et des moyens pour fabriquer des composants électriques qui permettent de réduire, par rapport aux dispositifs antérieurs, la largeur des lignes de bobines d'inductance et la largeur des espaces entre les lignes de ces bobines. Un but supplémentaire de la présente invention est de procurer un dispositif et un procédé dont l'utili- sation soit économique, qui fonctionnent efficacement et qui soient fiables. La présente invention utilise un système de laser de type Excimer qui est capable de diriger une impulsion d'énergie laser à travers une structure de masque Le masque peut être une plaque de métal dans laquelle on a découpé le motif désiré Le masque, agissant à la manière d'un pochoir, fait en sorte que l'image du motif désiré soit focalisée à travers une lentille sur un substrat portant une couche de matériau conducteur L'image brûle et enlève une partie de la couche conductrice, en laissant le motif désiré, tel qu'une bobine ou un autre chemin conducteur de l'électricité. On peut fabriquer des bobines d'inductance de façon qu'elles comprennent des couches alternées de ferrite et de bobines conductrices Les bobines conduc- trices sont formées par impression d'une couche de maté- riau conducteur, tel que de l'argent, sur la surface supérieure d'une couche de ferrite Le laser est ensuite utilisé pour projeter une image négative sur la couche conductrice, de façon à enlever le matériau conducteur qui correspond à l'image négative Ceci laisse la bobine conductrice formée sur la surface supérieure de la couche de ferrite. On peut former de la même manière des paires de couches supplémentaires, et on peut les empiler les unes sur les autres, pour produire une puce stratifiée ayant une bobine conductrice complètecomportant plus d'une spire complète dans chaque couche Des trous sont formés dans les couches de ferrite pour connecter en série les unes avec les autres les diverses bobines conductrices dans la puce multicouche, afin d'obtenir l'inductance désirée. On dispose à l'heure actuelle de systèmes de lasers Excimer qui sont capables de projeter une image sur une aire de 5 à 10 millimètres carrés Ceci permet de former simultanément plusieurs puces Il est donc possible de fabriquer une seule couche pour un groupe de puces avec une seule impulsion d'énergie laser Les couches indi- viduelles sont fabriquées séparément, et elles sont ensuite empilées les unes sur les autres et soumises à un traitement thermique, de façon à les transformer en un seul groupe de couches superposées On utilise ensuite des scies diamantées pour découper les couches empilées en puces individuelles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective du système de laser qui est utilisé avec la présente inven- tion. La figure 2 est une représentation schématique montrant la manière selon laquelle le système de laser dirige le faisceau laser sur l'objet traité. La figure 2 A est une vue en plan d'un masque utilisé dans la présente invention. La figure 3 est une vue montrant les multiples couches de puces empilées qui sont formées conformément à la présente invention. Les figures 4 A-4 C sont des vues en plan de dessus d'une seule puce montrant la première étape de la formation d'une première couche de ferrite et d'une bobine conductrice de l'électricité. Les figures 5 A-5 C, 6 A-6 C et 7 A-7 C sont des vues similaires aux figures 4 A-4 C, et montrent les étapes pour la formation de paires de couches supplémentaires pour la puce multicouche. La figure 8 montre la couche finale qui est placée sur la puce multicouche. La figure 9 est une vue en perspective d'une seule puce multicouche, avec des parties de la couche supérieure découpées. La figure 1 montre un système de laser Exci- mer 10 que l'on peut utiliser pour la présente invention. Des systèmes de ce type sont disponibles à l'heure actuelle pour une utilisation dans la fabrication et le marquage de composants électriques On n'a cependant pas utilisé ces systèmes pour le processus qu'envisage la présente invention Un exemple d'un tel système est fabri- qué par Lambda Physik, Inc, 289 Great Road, Acton, Massachusetts 01720 sous la marque "Lambda Mark". Le système produit une impulsion de lumière laser qui est représentée par la ligne 11 sur la figure 2 La lumière laser Il est dirigée tout d'abord à travers une structure de masque 12,qui comprend un masque ou un pochoir dans lequel est formé le motif désiré Après avoir traversé le masque, le faisceau laser présente la forme correspondant à l'image désirée, et est dévié vers le bas par une structure de miroir 14,contenant un miroir 16, de façon à traverser un objectif 18 L'objectif 18 peut réduire plusieurs fois les dimensions de l'image, afin d'intensifier l'image et de produire une image plus foca- lisée L'image est ensuite dirigée vers une surface de travail 20 sur laquelle est placé un objet à traiter En ce qui concerne la présente invention, on utilise un masque 13 qui contient un motif négatif de bobine 15 Le motif 15 consiste en une ouverture à travers le masque 13 qui correspond, en négatif, à la forme de la bobine que l'on désire former Par conséquent, la bobine résultante aura finalement la forme de la partie pleine 17 qui est représentée sur la figure 2 A. En se référant à la figure 3, on voit un empile- ment 22 de feuilles 23, 24, 25, 26, 27 La feuille supé- rieure 23 est constituée par un matériau du type ferrite, couramment utilisé dans la fabrication de puces d'induc- tances monolithiques Les feuilles restantes 24-27 sont également des feuilles de ferrite, mais diverses bobines conductrices 28 sont imprimées sur ces feuilles Les bobines 28 qui se trouvent sur chaque feuille sont iden- tiques les unes aux autres, mais les bobines diffèrent d'une feuille à une autre, comme on l'expliquera ci-après de façon plus complète. Les lignes en pointillés 30 représentent des lignes de coupure qui sont formées finalement avec une scie diamantée, pour découper chacune des feuilles empi- lées en puces individuelles contenant un jeu de bobines 28 La figure 3 n'est pas dessinée à l'échelle, pour illustrer les divers composants de l'invention Cependant, à l'échelle réelle, les couches 23-27 sont minces comme du papier, et les lignes des bobines 28 mesurent approxima- tivement 0,25 mm de largeur, les espaces entre les lignes à l'intérieur des bobines mesurant également environ 0,25 mm. Les figures 4-8 illustrent la structure de chaque puce individuelle, mais dans la pratique réelle, les couches pour un ensemble de puces sont imprimées sur chacune des couches de ferrite 23-27,comme représenté sur la figure 3 Une première couche de ferrite 34 constitue la couche inférieure de la puce Cette couche de ferrite 34 représente l'une des puces se trouvant dans la couche à puces multiples 27 qui est représentée sur la figure 3. La figure 4 B montre une première couche de conducteur continue 36 qui est imprimée sur la surface supérieure de la couche de ferrite 34 Le conducteur 36 est de préférence de l'argent, couramment utilisé dans des composants imprimés de ce type La couche 36 comprend un plot de connexion 38 qui s'étend jusqu'au bord extérieur de la couche de ferrite 34 La figure 4 C montre la bobine conductrice 40 terminée On forme la bobine conductrice 40 en exposant la couche conductrice 36 à une impulsion de lumière laser qui a tout d'abord traversé le masque 13 et qui a ensuite été réfléchie vers le bas par le miroir 16, à travers la lentille 18 Par conséquent, le motif de l'image négative 15 est focalisé sur la couche conduc- trice 36, brûle et enlève des parties de la couche 36, de façon à laisser la bobine conductrice 40, comme représenté sur la figure 4 C La bobine 40 comprend un plot central 42. Il faut noter que la bobine conductrice 40 com- prend au moins deux spires complètes de la bobine sur une surface En outre, la largeur du conducteur 40 peut avoir une valeur réduite, jusqu'à 0,25 mm, les espaces entre les lignes des bobines conductrices mesurant approximativement 0,25 mm Ceci est notablement plus petit que ce que l'on obtient normalement avec des dispositifs antérieurs, et permet d'obtenir une valeur d'inductance maximale dans un minimum d'espace. On décrira ci-après un exemple d'un procédé préféré pour fabriquer la bobine conductrice 40 qui est représentée sur la figure 4 C. On utilise pour produire la bobine conductrice un système de laser Excimer 10, tel que le système fabriqué par Lambda Physik, Inc, 289 Great Road, Acton, Massachusetts 01720 sous la marque "Lambda Mark" Cet appareil particulier comporte plusieurs paramètres de réglage que l'on peut fixer de façon à produire le résul- tat désiré Les facteurs qui interviennent dans ces para- mètres sont les suivants: 1 Divers matériaux de surface pour la couche conductrice 36 produisent différents résultats. 2 La taille desmoti de la puce est variable. 3 La taille desmoti S du pochoir dans le masque est variable. 4 Le rapport de réduction dans la structure de porte-masque est un réglage de l'appareil, qui est variable. La lentille de focalisation qui est utilisée par la machine et sa position micrométrique, sont varia- bles. 6 Le réglage de puissance du laser, qui corres- pond au réglage de tension continue dans le système, est une autre variable. Un exemple de réglage préféré du système est le suivant: 1 Matériau de surface: encre du type argent- palladium non cuite, fabriquée par Du Pont/sous la désigna- tion de produit 7711. 2 Taille de motif: carré de 1,27 mm à 1,63 mm de côté. 3 Taille de motif dans le masque: carré de 12,7 mm de côté. 4 Rapport de réduction: entre 10:1 et 7,8:1. Lentille de focalisation et position micro- métrique: lentille SPLF 20/10,placée à une position de 56 centimètres. 6 Réglage de puissance du laser: 8,8 à 7,5 volts (tension continue). Le système est ensuite mis en fonction pour produire une impulsion de lumière laser qui est projetée sur la couche 36 et qui forme une bobine 40 par brûlure et enlèvement de matière, comme représenté sur la figure 4 C. La durée d'exposition est estimée à une valeur comprise entre 0,5 milliseconde et 2 millisecondes On ne peut cependant pas déterminer la durée exacte de façon précise, du fait que le système qui est utilisé emploie une déchar- ge de condensateur pour produire la lumière, et que la durée spécifique d'exposition à la lumière ne peut pas être déterminée avec précision. On peut utiliser d'autres systèmes pour produire le même résultat, et on peut également utiliser d'autres réglages pour produire différents types de composants électriques. Les figures 5 A, 5 B et 5 C illustrent la seconde couche superposée qui est formée par l'utilisation d'une couche de ferrite 44 La puce individuelle comprend une seconde couche de ferrite 44 ayant en son centre une ouverture 46, alignée au- dessus du plot central 42 de la première bobine conductrice 40 Une seconde couche conductrice 48 est imprimée sur la couche de ferrite 44, l'image désirée étant transmise à travers un masque similaire à celui qui est représenté sur la figure 2 A. Cependant, la forme particulière du masque est définie de façon à produire le second motif de bobine conductrice 50, représenté sur la figure 5 C Le motif de bobine 50 comprend un second plot central 51, en alignement vertical avec l'ouverture 46, et comprend un second plot d'extrémité 52 Le matériau conducteur du plot central 51 fait saillie vers le bas à travers l'ouverture 46, de façon à établir un contact électrique avec le plot central 42 de la bobine 40 Les bobines 40 et 50 sont ainsi connectées électriquement en série l'une à l'autre. Les figures 6 A-6 C montrent une troisième couche superposée qui consiste en une troisième couche de ferrite 53 dans laquelle est formé un trou de connexion 54; une troisième couche conductrice 56; et une troisième bobine conductrice 58, formée par une image laser foca- lisée, d'une manière similaire à celle selon laquelle sont formées les bobines 40 et 50 L'ouverture 54 permet de connecter le troisième plot d'extrémité 62 de la bobine 58 au plot d'extrémité 52 de la bobine 50, ce qui place mutuellement en série les bobines 40, 50 et 58 La bobine 58 comprend un plot central 60. Les figures 7 A-7 C montrent une quatrième couche superposée comportant une quatrième couche de ferrite 64 dans laquelle est formée une ouverture 66; une couche conductrice imprimée 68 sur laquelle est formée un plot d'extrémité 74; et une quatrième bobine conductrice 70 sur laquelle est formé un plot central 72 La bobine 70 est formée par une image laser focalisée, d'une manière simi- laire au procédé utilisé pour former les bobines 40, 50 et 58 Le plot central 72 fait saillie à travers l'ouverture 66 de façon à établir un contact électrique avec le plot central 60 de la troisième bobine conductrice 58 Ceci place mutuellement en série l'ensemble des quatre bobines 40, 50, 58 et 70. Une couche de ferrite finale 76 est placée sur le bloc multicouche, de façon à produire la configuration qui est représentée sur la figure 9. La puce 78 qui est représentée sur la figure 9 est l'une de celles de l'ensemble de puces formées par découpage le long des lignes en pointillés 30 de l'empilement de feuilles 23-27 de la figure 3 Les couches de ferrite 34, 44, 53, 64 et 76 sont formées à partir des feuilles respectives 27, 26, 25, 24 et 23 de la figure 3 Les feuilles 23-27 sont formées individuellement et sont ensuite placées ensemble de manière empilée, comme représenté sur la figure 3 Plus précisément, conformément au procédé de la présente invention, chaque couche 23-27 est imprimée individuellement, par impression des couches conductrices 36, 48, 56 et 68 sur les couches respectives On laisse ensuite sécher les conducteurs imprimés On expose ensuite les conducteurs imprimés aux images provenant du système de laser 10 Chaque feuille 23-27 est exposée individuellement, mais chaque feuille comprend un ensemble de sous-éléments identiques Après que les feuilles 23-27 aient été exposées à l'image pour tormer les bobines 40, 50, 58 et 70, les feuilles 23-27 sont empilées de la manière représentée sur la figure 3 et sont pressées ensemble Pendant qu'elles sont pressées, elles sont soumises à un traitement thermique pour il qu'elles se joignent ensemble en un seul bloc. Après le traitement thermique, on découpe les feuilles superposées 23-27 au moyen d'une scie diamantée, le long des lignes 30, de façon à former des puces empi- lées individuelles telles que la puce 78. La présente invention permet de miniaturiser les puces davantage que dans des dispositifs de l'art anté- rieur Du fait que les puces sont miniaturisées, on peut placer plus d'une spire complète de la bobine sur chaque couche, alors qu'avec des dispositifs de l'art antérieur, il était nécessaire de placer moins d'une spire complète sur chaque couche Les bobines de la présente invention peuvent être miniaturisées jusqu'au point auquel les conducteurs ont une largeur d'environ 0,25 mm, tandis que l'écartement à l'intérieur de la bobine correspond égale- ment à une largeur d'environ 0,25 mm On peut incorporer dans la puce autant de couches empilées qu'il est néces- saire, ou bien la puce peut être formée par une seule bobine et une couche Du fait que les dimensions de l'image laser sont réduites, le découpage par laser peut être un grand nombre de fois plus fin que celui qui est effectué par sérigraphie, et les valeurs d'inductance correspondantes peuvent être très supérieures à ce qui est actuellement possible On peut donc voir que le dispositif atteint au moins la totalité de ses objectifs mentionnés. REVENDICATIONS 1 Composant-électrique ( 78) caractérisé en ce qu'il comprend: un élément de support ( 34) ayant une surface de support; un élément électrique conducteur ( 40) monté sur la surface de support de l'élément ( 34) et ayant une forme prédéterminée; cet élément élec- trique conducteur ( 40) étant formé par l'impression d'une couche continue ( 36) de matériau conducteur sur la surface de support, et en utilisant ensuite une seule impulsion de lumière laser focalisée en une image négative de la forme prédéterminée pour brûler et enlever toutes les parties de la couche continue autres que celles correspondant à la forme prédéterminée. 2 Composant électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme prédéterminée de l'élé- ment électrique est la forme d'une bobine en spirale. 3 Composant électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de support est en ferrite ( 34). 4 Composant électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électrique conducteur est formé en faisant passer une impulsion de lumière laser à travers un masque ( 15) dans lequel est formé une ouver- ture de pochoir ayant la forme du motif négatif et à travers une lentille 7 placée de façon à projeter sur le matériau conducteur une image focalisée correspon- dant au motif négatif. Composant électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion de lumière laser a une durée comprise entre 0,5 et 2,0 millisecondes.