Brevet FR2722340A1 — publié le 19960112

-1- Dispositif de contact électrique élastique ou dépassivant sans élévation de température La présente invention est destinée à l'amélioration des connexions électriques entre divers éléments (par exemple entre un boîtier comprenant une puce et un circuit imprimé), ou ià r'amélirtion de la prise de contact éle1ctrique (par exemple, accès électrique à l'aide d'une pointe sur un ciut imprimé en vue de son test) en compatibilité avec les méthodes industrielles actuelles de fabrication. D'une manière générale, une connexion électrique se doit idéalement de répondre à deux principal caractéristiques: - conductivité métallique élasticité minimale En effet, pour un grande nombre de raisons (qui sont principalement la différence de coeffent de dilatation de substrats qu'on veut interconnecter, ou leurs différences de planéité), la conexi électrique doit revêtir une élasticité minimale. Or un matériau électriquement conducteur a longtemps été assimilé à un matériau métaique, ou tt du moins à un matériau composite comprenant des particules de métal, sensiblemaent inlastique, ce qui n'est plus vrai aujourd'hui, bien que cela reste encore ancré dans les esprits. La présente invention concerne, entre autre, une méthode d'interconnexion électrique élastique ttl boîtiers (ou substrats) et substrats, sans qu'il soit nécessaire de procéder à une élévation de température pour rendre permanente cette connexion. De ce fait, la méthode exposée ici conduit à des interconnexions pouvant être indifféremment permanentes ou temporaires. Dans le présent exposé, on désignera d'une manière générale par le terme génériquc "composant" tout ensemble ou sous-ensemble appelé à être interconnecté électriquement à un autre ensemble ou sous- ensemble, ou encore tout ensemble ou sous-ensemble établissant lui-même une connexion électrique. Pour exposer plus clairement l'objet de la présente invention, il est plus commode de s'appuyer sur deux exemples concrets. Nous avons choisi: celui de la connexion de composants sur un circuit imprimé. l aurait pu s'agir de lacon in d'un écran à cristaux liquides sur un circuit imprimé, ou d'une pointe sur un circuit imprimé ou mr un composant, ou d'un clavier à membrane, etc... Cest l'exemple 1. - celui de l'interfaçage d'un circuit par une pointe métallique. Cest l'exemple 2. EXEMPdE_ 1 Une carte électronique se compose en général d'un substrat (2) (circuit imprimé, céramique, silicium) comprenant des traces conductrices (3) reliant des sous-ensembles de plots de contacts (4), suT kequl -2sont "câblés" des composants. Les composants dits "actifs" se présentent eux-m&nes sous la fome d'une puce ou plusieurs puces à semi-conducteur, encapsulée (s) dans un "boîtiert" (5), qui va permnnettre une connexion fiable au substrat (2). La figure 1 montre un exemple de boitiers (5) disposés sur un circuit imprimé (2). Dans l'art antérieur, les liaisons électriques de substrat à substrat (par exemple circuit imprimé à circuit imprimé, ou d'écran à cristaux liquides à substrat), ou de boîtiers à substrats (par exemple câblage de boîtiers sur un circuit imprimé) sont réalisées par des soudures d'alliages métalliqes, (par exemple de type étain-plomb), ou de manière plus récente par des colles à conduction électriqe anisotropique. Ces câblages deviennent définitifs et non élastiques après une opération qui se révèe être d'une manière générale une élévation de température (par exemple, dans un premier cas on fait fondre la soudure de manière à ce que celle-ci recouvre au moins partiellement les broches du boîtier, en formant un "ménisque", gage de la qualité de la soudure, et dans l'autre cas, on polymrise une colle anisotropique, sous l'effet de la chaleur associée à une pression (t) Il est alors très difficile de désolidariser de manière "propre" un boîtier du circuit sur lequel ila éié "câblé". Dans le cas de la soudure à l'étain-plomb, les méthodes aujourd'hui utilisées sont esstiellement de trois types: - brasage à la vague. - refusion par passage au four. - refusion au couteau. Toutes ces méthodes, et notamment les deux premières, exigent des équipements coûteux, et non respectueux des problèmes d'environnement. Par ailleurs, avec l'avènement de la technologie de montage en surface des composants (TMS), l'évolution de la densité d'interconnexion des composants sur les substrats, ou de substrat à substrat (par exemple écran à cristaux liquides et circuit imprimé) est de plus en plus importante. Cela a poor conséquence une diminution du pas des boîtiers (voir figures 2a & 2b): il est apparu ces dernières années des boîtiers plats carrés dont le nom technique est QFP (Quad Flat Pack), ou encore boiiez en bandes 35 mm, dont le nom technique est TAB (Tape Automated Bonding) dont la distance centre à centre entre broches est de 0.25 mm. La densité de broches de ce type de boîtier est voisine de 50 points par cm2, alors que la nmoyenne de l'rétat de l'art actuel se situe aux environs de 10 points par cm2. Les contraintes majeures de l'utilisation de ce type de boîtiers sont: fragilité du boîtier (broches de 0.12 mm de diamètre, très flexibles et très sensibles aux manipulations diverses) -3- grande précision requise au niveau des machines de placement automatique (moins dc 50 microns). non testabilité du circuit imprimé nu faible rendement de fabrication au niveau de l'opération de soudure 5.non réparabilité Par ailleurs, la finesse des soudures n'est plus toujours compatible avec les diverses dilatations des boîtiers ou substrats. En effet, un substrat peut normalement se dilater de plusieurs dizaines de microns, pour des écarts de température de quelques degrés, sur des distances faibles, alors qumu boîtier pourra ne pas se dilater. L'une des conséquences est l'apparition de tensions impor es au niveau de la soudure entre le boîtier et le substrat, qui peut parfois conduire à une fElute, voire à Ulne cassure de la soudure, du fait de la non élasticité de cette soudure. Ce type de boîtier présente donc le seul avantage de conduire à une densité d'inte:éen vée pour qui n'a pas d'autre possibilité, avec l'acceptation des contraintes ci-dessus, inhérentes ià km utilisation. Il est apparu plus récemment sur le marché un nouveau type de boîtier à montage en surface (dont les broches ou plots de connexion ne traversent pas le circuit imprimé), dont les ensembles de plots de contact sont organisés suivant un réseau de billes, dont le nom technique anglais est BGA (Bail Grid Array), ce qui signifie réseau de billes en grille, décrit par la figure 3. La densité de ce type de boîtier, pour un pas de 1 mm, atteint 100 broches par cm2, als que la distance centre à centre entre broches peut rester, pour cette valeur, de l'ordre du mi, soit 4 fois plu grande que dans le cas d'un boîtier QFP, ce dernier n'atteignant pas cependant la moitié de la densié du BGA. En conséquence, l'un des inconvénients cités précédemment disparaît, qui était la nécessié d'Uim des machines de positionnement précises à moins de 50 microns. Cependant, de nouveaux inconvénients apparaissent, qui freinent fortement l'utilisation de ces boitiers: la qualité de la connexion est très sensible à la planéité du boîtier: une mauvaise planéhé pomait conduire à une "soudure sèche", c'est à dire à un contact non établi entre une broche du boffier et le substrat. les connexions se font "en aveugle", c'est à dire que les soudures ne sont pas visibles, pu se situant en dessous du boîtier. De mauvaises soudures peuvent donc échapper plus facilemn m contrôle, et n'apparaître que lors des étapes ultérieures de test électrique, entranant le rejet de la carte complète (voir ci-dessous la non-réparabilité). la réparabilité après soudure est nulle: les cartes comprenant des mauvaises soudures smt à rebuter, car non réparables (les mauvaises soudures ne sont plus accessibles, car situées ca- dessous du boîtier): ceci n'est pas acceptable pour la plupart des applications, alkrs que les rendements de fabrication doivent tendre vers 100%. -4- la mise en température des broches internes au boîtier est plus délicate, ce qui conduit à des mauvaises soudures. la nécessité de monter en température des boîtiers en vue de la refusion ou de la polyméisaton, même pour une courte durée, n'est pas très bonne pour la puce contenue à l'intérieur du boitier, qui se voit imposer des contraintes supplémentaires. Il est à noter qu'apparaissent déjà des boîtiers BGA au pas de 0.5 mm, soit pouvant présenter des densités voisines de 400 points par cm2. L'examen de l'art antérieur révèle alors plusieurs tentatives pour remédier aux inconvénients lisés précédemment: - dans le brevet EP0491269 Al - 1992 06 24, on note l'utilisation d'un matériau composite dit à conduction électrique anisotrope, conducteur dans le sens de son épaisseur, et isolant dans lks directions de son plan principal: le boîtier est interfacé avec le substrat en insérant ce matériau à conduction anisotrope entre lui-même et le substrat. Cette méthode ne peut être utilisée que pour des prototypes, et n'est pas industrialisable: la nécessité d'une disposition quasi manuelle du matériau à conduction anisotrope, son co/i, ai que sa fragilité limite considérablement son champ d'application. - une autre méthode de l'art antérieur, dont le champ d'application est beaucoup plus restreint qu celui de la présente invention, est décrite par le brevet EP0366885 A2 1990 05 09: une o"no est réalisée entre deux substrats dont un doit être flexible. Sur ce demrnier sont dessinés des conducteurs image de ceux qu'on veut relier au premier substrat. Le contact électrique est réalisé en exerçant une pression élastique, par l'intermédiaire d'un matériau élastomn isolant disposé an dessus du substrat flexible. Encore une fois les caractéristiques de cette méihode ne rejoignmt pu les caractéristiques idéales (voir ci- dessous) attendues pour l'interconnexion de botier ià subst, ou de substrat à substrat. EXEMPLE 2 Il est un autre domaine ou la qualité d'un contact électrique est une contrainte forte, qui est ceui de la prise de d'information électrique par une pointe ou une sonde sur un substrat co renant des pils de contact et des traces conductrices, par exemple en vue de leur test. Ainsi, pour tester un circuit imprimé nu, ou un circuit équipé de ses composants, il est nécessaire d' accéder localement à l'information électrique. Or les circuits font la plupart du temps l'objet d'une oxydation superficielle de leurs plos de conact, rendant difficile voire impossible la circulation d'un courant électrique à ce niveau. L'examen de l'art antérieur révèle l'utilisation de pointes montées sur des ressorts, exerçant un effot d'environ 50 à 300 g au niveau de l'impact de la pointe, la pointe étant elle-même desinée de tle manière qu'elle présente mécaniquement un caractère pénétrant au niveau de l'imnpact, ce qui, m -5- combinaison avec l'effort exercé par le ressort, permet de perforer localement la couche d'impure ou d'oxyde. Or du fait des accords de Montréal de 1987 au niveau de la protection de l'environnement, les circuits impnmés câblés sont de moins en moins "lavés", et comportent donc de plus en plus dimpuretés en surface, ce qui rend leur accès avec des pointes de plus en plus délicat. Pour cette raison, on a vu apparaître des pointes "rotatives", ou comprenant des ressorts exerçant des efforts plus importan, ce qui entraîne deux contraintes majeures: - les pointes "marquent" le circuit (Cest notamment le cas au niveau de raccès aux circuits imprimés nus, pour d'autres raisons qu'il n'est pas utile de rappeler ici). Ceci est de moins men moins accepté par les donneurs d'ordre. - la densité de pointes sur un circuit, combinée à l'augmentation de la force des ressorts fait que la mise en compression du circuit ne peut plus être réalisée par le vide (Skg/cm2), méthode qui et aujourd'hui grandement répandue de par sa simplicité et son faible coût. Il faut alors envisager des moyens mécaniques autrement coûteux, ce qui a également pour conséquence d'entrainer de nouveaux investissements. SYNTHESE - CAHIER DES CHARGES En définitive, l'analyse des besoins au niveau de l'interconnexion d'un boîtier à un subsit, 'un substrat à un autre substrat, ou plus simplement de la prise de contact sur un substrat, révèle les contraintes suivantes: - grande fiabilité de connexion, même en milieu hostile (insensibilité à l'humidité, à la chaleur, aux chocs et vibrations) - faible résistance de contact - faible sensibilité à la précision de positionnement - grande facilité de manipulation et de mise en oeuvre - aptitude à l'industrialisation en vue de la production en série - faibles capacité et inductance de contact - insensibilité à l'oxydation - insensibilité aux différences de planéité locales du substrat ou du boîtier - compensation des différences de coefficient de dilatation entre le substrat et le boitier - non fragilité - respect des conventions de Montréal au niveau de la protection de l'evironnement. Cest à ce cahier des charges que vise à répondre la présente invention, puisque art ant-érieur ne révèle aucun procédé réunissant rensemble de ces caractéristiques. L'analyse de ce cahier des charges révèle que les caractéristiques essentielles résident m la définie d'un matériau d'interconnexion, qui se doit d'être industriellement déposable sur un boiier ou sur un substrat, ou plus généralement sur un plot de contact conducteur d'électricité. -6- Les trois principales propriét6s exigées au niveau de ce matériau sont, on l'a vu los de rinction au présent expos6, apparemment contradictoires: - conductivité électrique de type métallique - élasticit6 (insensibilité aux différences de planéité locales, insensibilité aux différences de dilatation thermique, non fragilité du boîtier lors des manipulations, etc...) - action "dépassivante" de manière à ne nécessiter qu'une faible pression en vue de rée t du contact électrique. Or il est récemment apparu sur le marché de nouveaux matëriaux qui peuvent facilent évodw vn le type de caractéristiques recherchées. Ces matériaux sont appelés "polymères conducteur". La recherche a conduit durant la dernière décade à la naissance d'une nouvelle classe de polymr:es les polymères conducteurs électroniques. Cette nouvelle famille de polymères combine la conductivié d'un métal avec le faible poids et la résistance chimique d'un plastique. Ces avantages sont compls par les propriétés physico-chimiques spécifiques aux matériaux polymériques comme. - la plasticité et élasticité - le grand rapport force à la mrupturepoids, - le faible coût, - la possibilité d'ajustage moléculaire à une propriété désirée, - la souplesse de processabilité selon des films, des poudres ou des filaments. Ces polymères conducteurs appartiennent à une classe dont le monomère est un système aromatique ou hétéro-aromatique conduisant à une double liaison conjuguée. Les quatre classes de monomères conduisant à des polymères à liaisons conjuguées sont: - le pyrolle - l'aniline - le thiophène - le furanne Ces polymères ont avantageusement été utilisé comme matériaux d'électrodes ou d'électrolytes dans des piles et des batteries ainsi que dans la protection contre la corrosion ou contre rarasion (EP 567835- 1993 décrit une application de ces polymères à la protection des dispositifs de visulisaion tels les écrans en vue d'obtenir une bonne résistance à l'abrasion). En ce qui concerne le champ d'intérêt de la présente invention rexamen de l'rétat de l'art dans le domaine permet de constater que toutes les approches sont orientées vers des conditions de connin ou d'application à tempature élevée et cela sans préjudice de la perte de plasticité: W08905230 (1989) décrit un dispositif faisant appel à un conducteur polymérique réuni par fusion sous contact avec un élément chauffant. - W089033162 (1989) décrit un système de protection des circuits par un polymère conducu réticulé par rayonnement jusqu'à la température de fusion du polymère. - W09306943 (1993) décrit une poudre de soudure électroconductrice appliquée par chauffage qui conduit à la polymérisation au moyen de l'addition d'un agent de réticulation. -7- - WO9326014 (1993) décrit une composition à base de polymère et d'oxyde déshydraté ou de particules métalliques pour la protection des circuits imprimés. Dans l'objet de la présente invention il s'agit de privilégier rutilisation de polymères inm u ent conducteurs par rapport aux compositions chargées de métaix. La préparation du milieu réacToel se fait par addition d'un monomère dans un solvant approprié et oxydation dudit mono e sous l'action d'un oxydant chimique soluble ou d'un courant anodique. Dans le milieu réactionnel il est possible de dissoudre un composé polymérique approprié en vue de conférer au film final des propriétés d'élasticité, de plasticité, de résistance à l'abrasion. L'acidité résiduelle et le rou s acides de surface ainsi que la conduction protonique de certain polymères conducteurs permt également de provoquer une action "décapante" locale par attaque des micro couches d'oxyde passivant. Par ailleurs, cette propriété se conserve dans le temps, par un mécanisme daum- régénération des principes actifs de dépassivation. La possibilité d'effectuer le dépôt par voie chimique ou par voie électrochimique laisse une grande souplesse à la réalisation de l'opération à l'échelle industrielle. Par exemple la protection de billes servant des boitiers dont les ensembles de plots de contact St organisés suivant une grille de billes, dont le nom technique est BGA peut être réalisée par enducti au moyen d'oxydation chimique conduisant au dépôt d'un film sur la surface métallique. Lc dépt ut pointes métalliques peut être effectué par électrodéposition du polymère selon des procédés de manutention analogues à ceux largement éprouvés dans les installations de traitement de surfaces. - Exemple A: des billes de diamètre 0.5 mm ont été enrobées de polyaniline polymérisée par oxydation de l'aniline au moyen du persulfate d'ammonium en milieu sulfurique. La polymniline est dopée à l'acide camphro-sulfonique dissout dans du méta crésol. L'équivalent pH de hla couche d'enrobage est compris entre 2 et 3. - Exemple B: des billes de diamètre 0.5 mm ont été enrobées de polyfuranne substitué par polymérisation obtenues par oxydation du furanne au moyen du persulfate d'aamonium en milieu sulfurique. L'objet de la présente invention est alors la spécification et le mode d'utilisation de ce type de matériaux dans les domaines du câblage des cartes électroniques et de leur prise de contact, en compatibilité avec le cahier des charges ci-dessus. De manière simplifiée, l'objet de la présente invention réside en l'utilisation fd'un dépôt de mai électriquement conducteur sur un substrat, une pointe, un bôîtier, ou sur tout élément conduct en vue de l'établissement d'un contact électrique (temporaire ou permanent) avec un substrat, une pointe, un boîtier, ou tout autre élément conducteur, la connexion s'opérant en général par le biais d'un système maintenant mécaniquement en contact les divers sous-ensembles concernés La figure 4 illustre un mode de réalisation de la présente invention, au niveau de linterconnexio de boîtiers BGA avec un circuit imprimé. L'effort (7) de compression peut-être obtenu, suivant les -8- modes de réalisation, soit par clipsage du boîtier (5) au substrat (2), soit par rutilisation d'un adhsif, ou tout autre moyen permettant de jouer de l'élasticité du matériau (1). Selon un mode de réalisation de la présente invention, on établit la liaison entre un affheur et mun circuit imprimé comprenant les composants alimentant en information l'afficheur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on établit les liaisons électriques au niveau d'un empilage de substrats de fine épaisseur comprenant un conmposant (6) de type RAM (namore vive), dont la signification en anglais est mémoire à accès aléatoire (voir figure 5), de manime à cc que l'empilement global (par exemple 9 composants), équivale à une actuelle baette complète, ot en occupant un encombrement identique à un seul composant, pouvant être rapidement mis en polace ou enlevé. Par exemple, on pourra imaginer des barettes complètes de ce type de comp ayanst une capacité mémoire très supérieure. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on établit les liaisons électriques entre un boîtier dont les ensembles de plots de contact sont organisés suivant une grille de billes (5) et un circuit imprimé nu (2) (voir figure 4). Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau conducteur élastique e le matériau polyaniline Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau conducteur élasique est disposé sr l'un des sous-ensembles par électrolyse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau conducteur est déposé complètement ou seulement sur la tête d'une pointe (8) de contact (voir figure 6). Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'un des sousensembles de connexion est un connecteur à montage en surface. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'un des sousensembles de connexion est un écran d'affichage de type affichage à cristaux liquides (dont l'abréviation en anglais est L(D), ou i plasma, etc.... Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est utilisé au niveau de micro- contacteurs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est utilisé au niveau de clavier -9- Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est utilisé en association avec un procédé de soudure classique: sur un même substrat, peuvent cohabiter des composants mcibl" selon un procédé traditionnel, ainsi que des composants connecté électriquement selon la prentc invention. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le moyen utilisé pour mettre e contact les dem ensembles à interconnecter est un adhésif situé sur l'un ou l'autre des ensembles, ou sur les deux Toujours selon un mode de réalisation de la présente invention, l'adhésif peut-tre dissout sélectivement par un solvant ne dissolvant pas le polymère. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est utilisé pou r teonnem ls Cartes Miroir Standard (cf. brevet N 90/03920 du 21 Mars 1990) avec un substrat de type ciuit pimpmé nu. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est utilisé pour inoner un circuit imprimé souple aux broches d'un composant soudé sur un substrat, en vue de son test. - 10- Revendication 1. Dispositif établissant un contact électrique entre un premier ensemble de plots de contacts conducteurs d'électricité et un second ou plusieurs ensembles de plots de contacts conducter d'électricité, utilisant un matériau (1) sensiblement conducteur à l'emplacement des plots de contact (2), déposé sur l'un ou l'autre desdits ensembles de plots de contacts, ou sur les deux, caractérisé en ce que le matériau (1), introduisant une élasticité à température ambiante et conservant cette élasticité sur une période de durée significative à cette tempéraure, est polymrique, et en ce que la liaison électrique est établie de manière temporaire ou permanente par un moyen quelconque permettant de maintenir en contact les dits ensembles de plots de contact (2) de tae sorte que l'épaisseur du matériau (1) soit sensiblement inférieure à l'épaisseur qu'il présente m ce moyen, sans qu'il soit nécessaire de procéder à un changement de températu du ma au (1), ou de l'un ou des ensembles de plots de contact (2). s5 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un matériau (1), caractérisé en ce qu'il comporte des groupements acides de surface qui lui confèrent une activité chimique de telle sorte qu'il peut, par simple contact, sensiblement modifier en surface la composiin chimique des ensembles de plots de contact sur lesquels il est déposé ou au contact desquels il se ouve, en vue d'éliminer les oxydes passivants pouvant s'opposer à l'établissement d'un courant de conduction électrique ou du moins sensiblement accroître la rsmane électrique de contact 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le matériau (1) est un polymère conducteur du type polyaniline substitué ou non, ou un polymère polyhétérocyclique substitué ou non. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'un au moins des deux ensembles de plots de contact est une aiguille, ou une pointe, ou un substrat sensiblement isolant comprenant des traces sensiblement conductrices, ou une bille sensiblement conductrice, ou un ensemble de billes sensiblemet conductrices, ou la partie mile ou femelle d'un connecteur, ou un support acceptant un boîtier standard de composant. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'un au moins des deux ensembles de plots de contact est un boîtier à r'intérieur duquel se trouve un composant à semi-conducteur, comprenant des plots de contacts en vue de son interconnexion avec un substrat sensiblement isolant comprenant des plots de contact sensibleme conducteurs et des traces sensiblement conductrices reliant entre eux certains sous-ensembles de plots. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé -l - en ce que l'un au moins des deux ensembles de plots de contact est un afficheur (à cristaux liquides, à plasma, ou autre), ou un circuit imprimé, ou un circuit hybride, ou un micro- contacteur, ou une touche de clavier. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'un au moins des deux ensembles de plots de contact est un substrat campnt au moins une puce nue, l'empilage de plusieurs substrats de ce type réalisant sur un faible voliume et sur une surface réduite, la fonctionnalité équivalente à un "mot" mémoire de longueur déMne. o10 8. Dispositif d'interconnexion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractisé en ce qu'il soit utilisé en parallèle à un procédé connu d'interconnexion, ce dernier pouvant nécessiter un changement de temprature.