Brevet FR2710195A1 — publié le 19950324

ASSEMBLAGE ANTENNE-CIRCUIT ELECTRONIQUE. La présente invention se rapporte à un assemblage comportant au moins une antenne et un circuit électronique associé å l'antenne. II est connu de rapprocher autant que faire se peut une antenne et tout ou partie de l'électronique associée à cette antenne et cela dans toutes les gammes de fréquences. Cela permet de gagner en volume, en compacité, en facilité d'emploi, voire en prix de revient. Quand l'antenne, seule ou regroupée avec d'autres antennes, est disposée selon une zone plate avec rayonnement dans l'un seulement des deux espaces situés de part et d'autre de la zone plate, comme c'est le cas, par exemple, avec certaines antennes en ondes millimétriques, il est connu de disposer en couches superposées, au dos de la ou des antennes, les étages successifs du ou des circuits électroniques; un tel assemblage nécessite des moyens de refroidissement entre les couches superposées du ou des circuits électroniques et pose des problèmes de montage du fait, en particulier, des liaisons électriques à réaliser. La présente invention a pour but d'éviter ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients. Ceci est obtenu à l'aide d'un circuit imprimé triplaque avec, d'un côté du circuit imprimé, la ou les antennes, de l'autre côté le ou les circuits électroniques et, entre les deux substrats isolants du circuit imprimé triplaque, une couche métallique formant plan de masse réflecteur. Dans une telle réalisation il n'y a pas de moyens de refroidissement à incorporer au volume dans lequel sont disposés le ou les circuits électroniques puisque ce ou ces circuits électroniques sont répartis dans un plan unique; le refroidissement peut donc se faire à l'aide d'un ou plusieurs radiateurs, voire, dans certains cas, simplement par dissipation dans l'air ambiant. Quant aux liaisons entre le ou les circuits et la ou les antennes, elles peuvent se faire de façon classique, c'est-g-dire par trous métallisés, en aménageant, au préalable, des trous dans le plan de masse afin que les trous métallisés puissent traverser le plan de masse sans le toucher. Un tel assemblage nécessite un soin particulier dans la réalisation du ou des circuits électroniques qui seront faits, dans l'exemple décrit, à l'aide de puces préparées et montées selon une technique décrite plus loin. Selon l'invention il est proposé un assemblage antenne-circuit électronique, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit imprimé triplaque avec une première et une seconde couche d'un substrat isolant, séparées par une plaque conductrice percée de trous, un premier et un second dépôt conducteur disposés respectivement sur la première et sur la seconde couche et constituant les faces extérieures du circuit imprimé et, passant par les trous, des liaisons électriques entre les deux dépôts, en ce que le premier dépôt est constitué, au moins pour partie, par l'antenne, en ce que le second dépôt est constitué, au moins pour partie, par des conducteurs du circuit électronique et en ce que le circuit électronique est réalisé à l'aide de puces montées par fusion d'une boule d'or entre les accès des puces et des zones du second dépôt. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à laide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: - la figure 1, une vue de face schématisée d'un assemblage selon l'invention, - la figure 2 une vue en coupe de l'assemblage déjà représenté sur la figure 1, - les figures 3 à 8, des étapes de préparation d'une puce en vue de son montage sur un circuit imprimé, - les figures 9 à 11, des étapes du montage sur un substrat récepteur d'une puce préparée selon les étapes illustrées par les figures 3 à 8. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères. Par ailleurs dans certaines figures les dimensions n'ont pas été respectées dans un souci de meilleure visibilité et donc de meilleure compréhension. La figure 1 représente une antenne A constituée de quatre pavés rayonnants (patches dans la littérature anglo-saxonne), Ai à A4, de 2x2mm; cette antenne est destinée à fonctionner en émission-réception à des fréquences de l'ordre de 60 GHz, avec un angle de tir variable par déphasages différents entre les signaux reçus ou émis par les pavés rayonnants. L'antenne A a été réalisée par photogravure sur l'une des faces d'un circuit imprimé triplaque C formé à partir de deux couches C1, C2 d'un substrat isolant; ces couches apparaissent sur la figure 2 qui est une vue en coupe selon le plan de coupe indiqué par sa trace Xx sur la figure 1. Les couches C1, C2 sont faites à partir d'une feuille isoiante d'une épaisseur de 0,128 mm recouverte sur ses deux faces par du cuivre sur une épaisseur de 0,018mm. Par photogravure du cuivre est retiré pour laisser: - sur la première face de la couche C1, L'antenne A et un cadre E qui apparaît sur les figures 1 et 2, - sur la seconde face de la couche C1, pratiquement tout le cuivre sauf six trous, tels que U sur la figure 2 - sur la première face de la couche C2, également presque tout le cuivre d'origine à l'exception là aussi de six trous qui, lorsque les couches C1, C2 sont assemblées par collage avec une colle isolante, se trouvent en regard des six trous de la seconde face de la couche C1 - sur la seconde face de la couche C2, des conducteurs tels que L sur la figure 2; ces conducteurs constituent les liaisons électriques d'un circuit électronique B formé de puces qui sont montées sur le circuit imprimé selon un procédé décrit plus loin à l'aide des figures 3 à 11. Les conducteurs, de meme que les puces de la seconde face de la couche Cl, sont représentés en trait interrompus, comme vus par transparence. Pour simplifier le dessin et faciliter la compréhension, les conducteurs électriques de la seconde face de la couche C2 ont été représentés, sur la figure 1, comme s'il s'agissait d'un schéma électrique classique, c'est-à-dire sans éviter les croisements; de plus, les conducteurs relatifs à l'alimentation des puces n'ont pas été représentés. De meme, sur la figure 2, seuls quelques conducteurs, tels que L, et quelques accès, tels que D, des trois puces visibles sur ce dessin en coupe, ont été représentés. Le circuit électronique B de l'assemblage selon les figures 1 et 2 comporte en tout 17 puces constituant respectivement un oscillateur local H avec une entrée de commande de déphasage et huit sorties, huit circuits mélangeurs M1 à M4 et M1' à M4' et huit amplificateurs P1 à P4 et P1' à P4'. Les amplificateurs P1 à P4 sont des amplificateurs de réception ils ont leurs entrées respectivement réunies aux quatre pavés rayonnants Al à A4 et leurs sorties respectivement réunies aux secondes entrées des circuits mélangeurs M1 à M4. Les premières entrées des circuits mélangeurs M1 à M4 sont reliées à l'oscillateur local H. Les amplificateurs P1' à P4' sont des amplificateurs d'émission; ils ont leurs sorties respectivement réunies aux quatre pavés rayonnants Al à A4 et leurs entrées respectivement réunies aux sorties des circuits mélangeurs M1' à M4'. Les premières entrées des circuits mélangeurs M1' à M4' sont reliées à l'oscillateur local H. Le circuit électronique B comporte, en plus des liaisons indiquées ci-avant, neuf liaisons qui partent ou proviennent de la rnoitié inférieure du bord de droite du circuit imprimé C tel qu'il est représenté sur la figure 1 . II s'agit d'un conducteur relié à l'entrée de commande de phase de l'oscillateur local H de quatre conducteurs provenant des sorties des circuits mélangeurs M1 à M4 et de quatre conducteurs aboutissant aux secondes entrées des circuits mélangeurs M1' à M4'. Ces neuf liaisons, auxquelles il faut ajouter, comme il a été noté plus avant, les liaisons relatives à l'alimentation des puces, passent toutes par un connecteur K représenté sur la figure 1 avec seulement neuf fiches correspondant aux neuf liaisons. La fabrication de l'assemblage selon les figures 1 et 2 se fait en plusieurs étapes dont certaines sont déjà apparues dans ce qui précède et seront donc seulement mentionnées ci-après: - réalisation du circuit imprimé C par photogravure puis collage des couches C1, C2 - réalisation de huit trous métallisés, tels que T sur la figure 2, pour relier les pavés rayonnants de l'une des faces du circuit imprimé triplaque C aux conducteurs de l'autre face du circuit imprimé, - montage des puces sur le circuit imprimé triplaque C; une façon d'effectuer ce montage est décrite à l'aide des figures 3 à 11, - fixation du connecteur K sur le circuit imprimé triplaque C, - dépôt, sur la paroi du radiateur, à l'endroit où se trouveront les puces lorsque l'assemblage sera réalisé, d'une pellicule N de pâte thermique cette pellicule n'est représentée sur la figure 2 qu'au niveau des trois puces visibles sur cette figure, - introduction du circuit imprimé avec ses puces et son connecteur, dans le radiateur R ; I'introduction se fait, vue d'après la figure 1, de la droite vers la gauche étant donné que l'extrémité de gauche du radiateur est fermée, - pose d'un couvercle S muni d'un évent de dégazage non représenté, - brasages effectués entre le radiateur R et son couvercle S, entre le couvercle S et le connecteur K et entre le cadre E et les bords du radiateur K et de son couvercle, - pose, par collage, d'un radome rigide, W, qui s'appuie sur le radiateur R et le couvercle S et définit ainsi, avec le radiateur K, le couvercle S et le connecteur K, un boitier fermé - mise en atmosphère neutre de l'intérieur du boîtier grâce à l'évent puis fermeture de cet évent à l'aide de brasure. II est à noter que l'assemblage ainsi réalisé, non seulement assure un bon refroidissement des puces mais aussi est facilement modifiable ou réparable, il suffit pour cela de procéder à quelques décollages et débrasages relativement faciles à exécuter. L'assemblage selon les figures 1 et 2 a des dimensions hors-tout d'environ 16x1 Ix4,5 mm. Dans ce qui suit est exposé le procédé qui a été employé pour monter les puces sur le circuit imprimé C de l'assemblage selon les figures i et 2. La figure 3 est un schéma partiel, en coupe, d'une machine pour effectuer du "bail bonding", qui montre un passe-fil Cp et une électrode Ep; il est rappelé que le "ball-bonding" consiste à réaliser des liaisons électriques au moyen de fils d'or dont une extrémité a été fondue pour former une petite boule qui est pressée, par exemple ,sur un accès d'une puce pour constituer un plot qui est amené en contact, à l'endroit désiré d'un conducteur sur lequel doit être branchée la puce. Le passe-fil est également appelé capillaire du fait qu'il est percé d'un trou très fin qui sert à amener l'extrémité d'un fil d'or, Ap, au voisinage de l'électrode Ep; ce fil d'or, Ap, qui dans l'exemple décrit fait 25 micromètres de diamètre, provient d'une bobine et est relié à l'une des bornes d'un générateur de courant, non représenté, dont l'autre borne est reliée à l'électrode Ep pour produire un arc électrique entre l'extrémité du fil d'or et l'électrode. D'autres machines pour effectuer du "ball-bonding" existent dans lesquels le dispositif pour produire un arc électrique est remplacé par un chalumeau; la tête du chalumeau est disposée à l'emplacement de l'électrode Ep et sa flamme est dirigée sur l'extrémité du fil Ap. L'arc électrique fait fondre l'extrémité du fil Ap, ce qui produit une boule Bp comme représenté sur la figure 4; cette boule a, dans l'exemple décrit, un diamètre d'environ 50 micromètres. La boule Bp est alors soudée sur un des accès d'une puce 1, comme représenté sur (a vue en coupe de la figure 5. Pour cela la puce 1 est au préalable placée sur un substrat intermédiaire, Sp, aussi appelé substrat outil et le substrat intermédiaire est placé sur une plaque chauffante, non représentée sur la figure 5, mais qui apparaîtra sur la figure 7; le passe-fil Cp est abaissé, selon la flèche Ft, pour venir presser la boule Bp à l'endroit choisi de la puce 1. Pendant les opérations de soudure une source d'ultrasons de niveau réglable, non représentée, est reliée au passefil Cp pour faciliter les soudures. La figure 6 montre que, dans la suite des opérations, une partie du fil d'or Ap, solidaire de la boule Bp, est extraite du passe-fil Cp et que le passe-fil est abaissé, selon la flèche F2, pour venir écraser le fil Ap sur le substrat intermédiaire, Sp, afin d'assurer sa fixation par soudure sur le pellicule d'or que comporte le substrat Sp sur sa face en contact avec la puce 1. Après cette soudure avec écrasement, le passe-fil est relevé en même temps qu'une pince J solidaire du passe-fil et qui n'a été représentée que sur la figure 6, se referme bloquant le fil; il en résulte une rupture du fil d'or à la sortie du passe-fil Cp. II est à noter que cette soudure est volontairement réalisée de façon imparfaite par réglage de la pression d'écrasement, du niveau et de la durée des ultrasons, afin de pouvoir la "décoller" facilement par la suite. La figure 7 montre la liaison réalisée par la boule Bp et un segment de fil Dp, entre la puce 1 et le substrat intermédiaire Sp; il s'agit de la liaison obtenue selon le procédé décrit à l'aide des figures 3 à 6. La figure 7 est un dessin en coupe qui permet de voir comment la puce 1 et le substrat intermédiaire Sp sont disposés sur une plaque chauffante Tp portée à 110"C, pour réaliser les opérations décrites à l'aide des figures 5 et 6; la plaque chauffante Tp et le substrat intermédiaire Sp sont percés chacun d'un trou et les deux trous sont placés l'un au Après que les liaisons relatives à chacun des accès de la puce 1 aient été réalisées, la puce est séparée de son substrat intermédiaire et se présente comme indiqué sur la figure 8 où apparaissent sept ensembles boule-segment de fil tels que l'ensemble Bi-Di. Cette séparation est rendue possible en raison de la soudure imparfaite réalisée lors de l'étape du procédé décrite à l'aide de la figure 6. Il est à remarquer que les segments de fils tels que Di sont disposés perpendiculairement au bord le plus proche de l'accès sur lequel est soudée la boule dont ils sont solidaires. Le procédé est poursuivi de la façon préconisée ci-après et illustrée, par les figures 9 à 11, afin d'assurer un montage de type puce à bosses jusqu'à son terme. Par sérigraphie à l'aide d'un pochoir, Mp, réalisé par photogravure, une crème à souder est déposée aux endroits d'un substrat récepteur destinés à être en contact avec les boules d'or, Bi, de la puce 1. Le pochoir Mp est représenté sans son cadre sur la figure 9; il permet le dépôt de la crème à souder aux endroits voulus du substrat récepteur et est percé pour cela de trous, tels que Qi, obtenus lors de la photogravure. La figure 10 montre une partie d'un substrat récepteur 2 destiné à recevoir la puce 1 selon la figure 8 et comportant, à cet effet, des pistes conductrices telles que Hi. Le substrat 2 est représenté après que des petits dépôts de crème à souder, tels que Gi, aient été obtenus en différents endroits de sa surface à l'aide du pochoir selon la figure 9; sur la figure 10 ces dépôts sont représentés par de petites surfaces hachurées. Dans l'exemple décrit la crème à souder est un mélange à 88% de métal et 12% de liant et de résine avec, pour la partie métal, 80% d'indium, 15% de plomb et 5% d'argent. La figure 11 montre la puce 1 de la figure 8 posée sur le substrat récepteur 2 de la figure 10, lui-même placé sur une plaque chauffante, Tp, représentée par un contour en traits interrompus qui ne délimite qu'une partie de la plaque chauffante; cette plaque est portée à 170"C. Comme il apparait sur cette figure, les segments de fils tels que Di constituent de bons repères pour positionner la puce 1 sur son substrat récepteur 2. La plaque chauffante Tp sert à produire une fusion de la crème à souder et ainsi à donner des soudures au niveau des dépôts de crème à souder ctest-å-dire là où les boules, telles que Bi, de la puce i et les pistes conductrices du substrat récepteur 2 sont en contact. Le montage ainsi obtenu est, au choix, recouvert d'une résine de protection ou protégé par un boîtier isolant scellé; dans le cas de l'exemple décrit à l'aide des figures 1 et 2 c'est le boîtier, formé du radiateur R, du radôme W, du couvercle S et du connecteur K, qui assure cette protection. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, elle s'applique de façon générale a des assemblages antenne-circuit électronique où l'antenne est sur une des faces d'un circuit imprimé triplaque tandis que tout ou partie du circuit électronique associé à cette antenne est implanté sur l'autre face du circuit imprimé et qu'une plaque métallique est disposée å l'intérieur du circuit imprimé triplaque pour jouer le rôle de plan de masse. REVENDICATIONS 1. Assemblage antenne-circuit électronique, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit imprimé triplaque (C) avec une première (Ci) et une seconde (C2) couche d'un substrat isolant, séparées par une plaque conductrice (G) percée de trous, un premier (E, A) et un second (L) dépdt conducteur disposés respectivement sur la première et sur la seconde couche et constituant les faces extérieures du circuit imprimé et, passant par les trous, des liaisons électriques (T) entre les deux dépôts, en ce que le premier dépôt est constitué, au moins pour partie, par l'antenne (A), en ce que le second dépôt est constitué, au moins pour partie, par des conducteurs (L) du circuit électronique (B) et en ce que le circuit électronique (B) est réalisé à l'aide de puces (H, P1-P4, P1'-P4', M1-M4, M1'-M4') montées par fusion d'une boule d'or-(Bi) entre les accès des puces (D) et des zones du second dépôt. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément dissipateur d'énergie thermique (R), thermiquement couplé aux puces. 3. Assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément dissipateur (R) comporte une paroi dont une face est munie d'ailettes et dont l'autre est en appui sur les puces. 4. Assemblage selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'élément dissipateur constitue, pour le circuit imprimé, un boitier muni d'ouvertures, dont une ouverture principale destinée à permettre le rayonnement de l'antenne et une ouverture secondaire munie d'un connecteur relié au circuit imprimé et constituant un moyen de branchement électrique de l'assemblage. 5. Assemblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture principale est fermée par un radome (W) et l'ouverture secondaire par un couvercle (S).