Brevet FR2713139A1 — publié le 19950609

SUPPORT METALLISE A BASE DE MOUSSE ORGANIQUE, ASSEMBLAGE D'AU MOINS DEUX DE CES S SUPPORTS ET PROCEDE DE FABRICATION DE CE SUPPORT L'invention concerne un support métallisé à base de mousse organique, un assemblage d'au moins deux de ces supports et le procédé de fabrication de ce support. Elle s'applique notamment à la réalisation de circuits électroniques hyperfréquences ou d'éléments rayonnants tels que les antennes planes (émettrices ou réceptrices) pour les liaisons entre mobiles (voiture, bateau, par exemple), entre postes fixes ou les deux associés. La réalisation de ces circuits électroniques hyperfréquences ou de ces antennes planes nécessite l'utilisation de matériaux diélectriques répondant notamment aux conditions suivantes - constante diélectrique la plus faible possible, - pertes diélectriques faibles, - possibilité et facilité de métallisation par des matériaux électriquement bons conducteurs, dont l'adhérence sur le matériau diélectrique est bonne, - coût de fabrication le plus faible possible, et - légéreté de ce matériau. Un certain nombre de matériaux organiques susceptibles d'être utilisés pour les applications précitées, existent sur le marché. Ils se présentent par exemple, sous forme de polymères en films, feuilles ou stratifiés tels que les polyimides, les époxydes, les polyesters, les polysulfones, le polystyrène, le polyéthylène, le polytétrafluoroéthylène, le polypropylène ou le polyméthylpentène, ces matériaux pouvant être commercialisés sous différentes appellations commerciales. Toutefois, si ces matériaux présentent des caractéristiques diélectriques voisines de celles souhaitées pour les applications radioélectriques de l'invention, ils présentent cependant deux inconvénients, à savoir, leur prix en tant que matière première, et parfois, des difficultés de métallisation. De ce fait, l'adhérence entre le polymère et le métal est parfois réalisée par l'intermédiaire d'un adhésif. On connaît toutefois d'après le brevet EP-A-0 149 394 des supports métallisés à base de polypropylène n'utilisant pas d'adhésif et un procédé de fabrication de ces supports. On connaît également d'après la demande de brevet FR-A-2 651 953 des supports métallisés à base de polyméthylpentène et leur procédé de fabrication. Tous les matériaux non expansés précités, peuvent être métallisés sur l'une ou leurs deux faces. Le métal le plus utilisé pour ce revêtement est généralement le cuivre qui peut être déposé par des techniques de dépôt sous vide, de métallisation chimique ou électrochimique ou par placage à chaud sous pression, par exemple. Ces matériaux permettent de réaliser des circuits ou éléments rayonnants en utilisant des techniques de gravure ou d'impression des circuits imprimés, moyennant quelques précautions spécifiques. Par ailleurs, on connaît des matériaux se présentant sous forme de mousses expansées rigides tels que l'imide de polyméthacrylate, commercialisé par exemple sous le nom de marque déposée ROHACELL, les produits vinyliques, etc..., qui présentent du fait de leur expansion, une constante diélectrique voisine de 1, c'est-à-dire proche de celle de l'air. Ces différents matériaux pourraient donc être très intéressants pour les applications précitées. Toutefois, on ne connaît pas dans l'art antérieur de tels matériaux expansés sous forme métallisée. En effet, les mousses existantes ont un état de surface et une rugosité souvent incomptabiles avec la définition de certaines circuiteries hyperfréquences ou de certains éléments rayonnants. Or, la réalisation d'éléments rayonnants sur des mousses expansées métallisées serait très intéressante pour le domaine des hyperfréquences, plus particulièrement pour des fréquences se situant autour de 109 Hertz. Actuellement, les réalisations de structures métallisées à base de mousse sont obtenues en utilisant des circuiteries ou plans rayonnants formés sur des stratifiés organiques non expansés et en intercalant entre eux une mousse expansée non métallisée. Ces empilements sont ensuite maintenus par des moyens mécaniques de serrage tels des Vis. Le problème technique à résoudre est de pouvoir revêtir des mousses expansées, d'un métal de plusieurs dizaines de micromètres d'épaisseur, présentant un état de surface compatible avec la définition d'une circuiterie hyperfréquence. En outre, le matériau en mousse utilisé doit permettre l'emploi de techniques classiques de photogravure des circuits imprimés. La présente invention a donc pour objet un support métallisé comportant au moins un matériau support en mousse expansée, organique, rigide dont au moins l'une des faces est recouverte au moins partiellement d'un premier film de matériau organique thermoplastique recouvert d'une couche de métal conducteur. Ce support permet de s'affranchir des inconvénients de l'art antérieur précité, en procurant notamment un support métallisé possédant des caractéristiques électriques intéressantes, à savoir une constante diélectrique s et un angle de perte tg5 faibles (tt ; tg & 10~3 à 10-4), et une épaisseur de métal comprise entre quelques micromètres et plusieurs centimètres. En outre, ce support est d'un coût de fabrication assez faible dû notamment à l'utilisation des techniques classiques de métallisation et de gravure. Enfin, il est utilisable dans une gamme de fréquence située autour du GHz et pouvant atteindre des valeurs supérieures pour des applications spécifiques. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le métal conducteur est choisi parmi le cuivre ou ses alliages, l'aluminium ou ses alliages, le film thermoplastique est un polymère ou copolymère de propylène et/ou de méthylpentène et la mousse organique rigide est en polymère vinylique ou en imide polyméthacrylate. Dans des applications autres que l'hyperfréquence, par exemple dans la décoration ou la construction, le choix des matériaux peut être différent. Selon une autre variante de réalisation, le matériau en mousse comporte un film de matériau thermoplastique sur au moins une partie de chacune de ses faces opposées, ce film étant recouvert d'une couche de métal, et une liaison électriquement conductrice traverse de part en part le matériau support en mousse et les films thermoplastiques pour relier les deux couches de métal entre elles. L'invention concerne aussi un assemblage d'au moins deux supports métallisés conformes à l'invention, reliés entre eux par un second film thermoplastique présentant une température de ramollissement inférieure à celle du premier film thermoplastique du support métallisé. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un support métallisé à base de mousse organique, consistant à a) activer une première surface d'une couche de matériau thermoplastique pour qu'elle comporte des chaînes ouvertes, b) disposer ladite première surface en regard d'une face d'un matériau support en mousse expansée, organique, rigide, c) chauffer l'ensemble, sous pression, jusqu'à la température de ramollissement de la couche de matériau thermoplastique, d) refroidir l'ensemble jusqu'à une température légèrement supérieure ou égale à la température ambiante, toujours sous pression, e) placer une couche métallique sur une seconde surface du matériau thermoplastique opposée à la première, après que cette seconde surface ait été activée pour comporter des chaînes ouvertes et que la couche métallique ait subi un traitement de surface, f) chauffer l'ensemble sous pression jusqu'à la température de ramollissement du matériau thermoplastique, et g) refroidir l'ensemble jusqu'à une température légèrement supérieure ou égale à la température ambiante, toujours sous pression. La réalisation de ces supports peut s'effectuer par exemple, par placage à chaud, c'est-à-dire par pressage ou par calandrage à chaud. Le traitement de surface de la couche métallique est réalisé par une oxydation superficielle. Dans le cas du cuivre, on peut lui faire subir un traitement d'oxydation chimique. Dans le cas de l'aluminium, le traitement initial peut être une oxydation anodique non suivie d'un colmatage. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront mieux de la description suivante, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, cette description étant faite en faisant référence aux dessins joints dans lesquels - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe schématiques d'un support conforme à l'invention au cours de deux étapes de sa préparation, - les figures 3 et 4 sont des vues en coupe schématiques de supports conformes à l'invention dans lesquels la métallisation est effectuée respectivement de façon discontinue ou continue, après ou avec mise en forme de la mousse, - les figures 5 et 6 sont des vues en coupe schématiques représentant respectivement deux exemples d'assemblages d'au moins un support selon l'invention avec un autre type de support ou de trois supports selon l'invention. La figure 1 illustre un stratifié mousse organique/film thermoplastique correspondant à la première étape du procédé de fabrication du support selon l'invention. Le matériau support 1 en mousse expansée organique, rigide est recouvert par un film de matériau organique thermoplastique 3, sur au moins l'une de ces faces et au moins partiellement, (voir figure 3) ou sur ses deux faces comme cela est représenté sur la figure 1. Lorsque ce stratifié est destiné à une application radioélectrique, le choix de la mousse organique 1 est dicté par la recherche des caractéristiques électriques intéressantes, à savoir une faible constante diélectrique de préférence voisine de 1 (ou comprise entre 1 et 3) et de faibles angles de pertes, compris entre 10-3 et îO4. Sa résistance aux agents chimiques doit permettre de lui faire subir des cycles classiques ou légèrement modifiés de la fabrication des circuits imprimés. De façon avantageuse, cette mousse 1 peut alors être en imide de polyméthacrylate (par exemple pour une densité de 51 ; constante diélectrique 1,07, pertes 0,0002 à 2 GHz ou constante diélectrique 1,11, pertes 0,0050 à 26 GHz) ou en polymère vinylique (constante diélectrique 1,07, pertes 0,0016 entre 8 et 12 GHz pour une densité de 50). En revanche, si l'utilisation envisagée pour ce type de stratifié n'est pas une application radioélectrique, mais une application dans le domaine des transports, du bâtiment, ou de la décoration, par exemple, le choix de la mousse peut être élargi. En effet, les mousses utilisées en hyperfréquence sont généralement plus chères car plus pures et les plaques sont vendues avec des garanties de plus grandes précisions dimensionnelles. La composition chimique de la mousse pouvant être la même, le choix s'effectuera alors en fonction des qualités mécaniques ou thermiques de celle-ci. Quelle que soit l'application envisagée, la mousse 1 doit être une mousse rigide pouvant supporter des températures égales ou supérieures à 1200C afin de pouvoir être utilisée dans le procédé décrit ultérieurement. De préférence, cette mousse doit supporter des pressions d'au moins 104 Pa. Pour réaliser ce premier stratifié, la mousse 1 d'épaisseur au moins égale à l'épaisseur du diélectrique souhaité, est découpée soigneusement à un format dont le volume correspond à celui de la cavité de l'outillage de pressage. Cette opération doit être effectuée avec grand soin. Le film thermoplastique 3 est également choisi en fonction des applications envisagées. Sa constante diélectrique doit être la plus faible possible (E variant de 1 à 3) et son angle de pertes diélectriques voisin de 10-4, si l'on souhaite effectuer une application radioélectrique. Dans ce cas, le film de matériau thermoplastique 3 est avantageusement un polymère ou un copolymère de propylène et/ou de méthylpentène. Quelle que soit l'application envisagée, la température de ramollissement de ce film 3 doit être inférieure à la température de déformation sous charge de la mousse 1. L'épaisseur du film 3 peut varier de quelques micromètres à plusieurs millimètres. Dans le cas d'une application non radioélectrique, le choix du matériau constituant le film peut être élargi. Pour améliorer l'adhérence du film thermoplastique 3 sur la mousse 1, la surface de ce film doit être activée par diverses techniques permettant de former des chaînes ouvertes à sa surface. Parmi les techniques de traitement de surface pouvant être utilisées, on citera : l'action d'une solution oxydante, le traitement à la flamme, le traitement par décharge couronne dans un plasma gazeux, l'irradiation par un rayonnement ultraviolet ou le bombardement électronique, par exemple. L'assemblage du film thermoplastique 3 sur la mousse 1 peut être réalisé après le traitement de surface du film par un procédé utilisant le chauffage sous pression. Plus précisément, ce procédé peut être mis en oeuvre par calandrage à chaud ou à l'aide de presse à plateaux chauffants et refroidissants, par exemple. Le choix de la température et de la pression est fonction des caractéristiques thermiques et mécaniques du film 3 et de la mousse 1. Le cycle d'assemblage comprend les étapes suivantes 1") montée en température jusqu'au ramollissement du film 3, tout en conservant une simple pression de maintien entre le film et la mousse (environ 105 Pa) ; 20) maintien de la température de palier pendant environ 5 minutes et application de la pression de fabrication choisie ; 30) refroidissement à une vitesse d'environ 100C par minute jusqu'à une température de quelques dizaines de degrés au-dessus de la température ambiante (environ 80"C), avec maintien de la pression choisie ; 4 ) diminution progressive de la pression ; 50) ouverture de la presse et démoulage du support recouvert du film obtenu. Dans le cas de la réalisation d'un stratifié mousse en imide de polyméthacrylate/film en polypropylène, la montée en température (étape 1) s'effectue jusqu'à 1730C, pendant 50 minutes environ et la pression de fabrication appliquée est de 106 Pa environ. La même réalisation peut être obtenue en introduisant les différents constituants dans une presse déjà portée à une température proche de la température de palier. Dans ce cas, la montée en température est beaucoup plus rapide, ce qui permet de raccourcir la durée totale du cycle. Le stratifié ainsi obtenu est apte à recevoir une métallisation. La figure 2 illustre l'étape de métallisation qui est réalisée en déposant sur le film de matériau organique thermoplastique 3, une couche de métal 5, cette dernière recouvrant totalement ou partiellement le film 3. Le métal 5 déposé est de préférence choisi parmi le cuivre, l'aluminium, ou un de leurs alliages respectifs. Avant de procéder au placage de la couche de métal 5, il est nécessaire de faire subir au film thermoplastique 3 un traitement ayant pour but d'activer sa surface et de créer des chaînes ouvertes. Ce traitement de surface de la face du film destinée à recevoir le métal est réalisé par l'une des techniques précédemment décrites pour traiter sa face opposée. Le choix du métal est fonction des applications visées. Pour une utilisation du support métallisé en tant que support de circuiterie pour hyperfréquence, le métal utilisé est de préférence du cuivre d'une épaisseur allant de 10 à 35 micromètres environ. Pour d'autres applications, ce feuillard de cuivre sera avantageusement remplacé par des plaques de cuivre plus épaisses ou par des plaques en aluminium ou en alliage d'aluminium. Dans tous les cas, il est nécessaire de faire subir au métal un traitement de surface qui consiste en une oxydation superficielle de celui-ci permettant la création de liaisons physiques et moléculaires avec le film thermoplastique 3. L'oxydation du cuivre peut par exemple être obtenue après un dégraissage dans un solvant et éventuellement un décapage par une méthode mécanique ou chimique, par immersion, pendant une dizaine de minutes, dans une solution aqueuse à 850C comprenant 30 g/l de chlorite de soude NaClO2, 10 g/l de phosphate trisodique NaPO4H2O, 50 g/l de soude NaOH et de l'eau déminéralisée. Les feuillards ou plaques métalliques 5 sont ensuite soigneusement séchés, non sans avoir été rincés au préalable. Dans le cas de l'aluminium ou de ses alliages, le traitement de surface favorisant l'adhérence sur le film thermoplastique 3 peut être n'importe quelle technique permettant de favoriser l'adhérence du métal sur le film. Toutefois, une technique simple à mettre en oeuvre consiste à réaliser sur le métal une couche d'alumine Al203 par oxydation anodique, mais non suivie d'un colmatage de façon que la couche d'alumine reste à pores ouverts. L'épaisseur de la couche d'alumine est généralement comprise entre 5 et 10 micromètres, bien que ce critère ne soit pas impératif. Ce traitement est également suivi d'un rinçage et d'un séchage avant que le feuillard ou la plaque métallique 5 ne soit appliqué sur le film thermoplastique 3. Le pressage du métal 5 sur le stratifié mousse 1/film 3 s'effectue par la même série d'opérations de pressage et d'élévation de température que celle décrite précédemment pour la fabrication du stratifié. On notera en outre que les opérations de pressage du métal sur le stratifié mousse 1/film 3 et de pressage du film thermoplastique 3 sur la mousse 1 peuvent également se faire simultanément. Il est également possible de réaliser une liaison électriquement conductrice 6 entre deux couches métalliques opposées 5 par un procédé décrit ultérieurement. Enfin, ultérieurement, la couche métallique 5 peut être gravée comme représenté sur la partie supérieure de la figure 2. La mousse 1 peut être mise en forme sous pression à chaud. Il est donc intéressant de pouvoir métalliser des mousses de différentes formes. Ainsi, il est possible de métalliser de façon discontinue différents niveaux d'une mousse comme cela est représenté en figure 3 ou au contraire de métalliser la surface du support de mousse 1, de façon continue le long de différents niveaux, comme cela est représenté en figure 4. Dans le premier cas illustré en figure 3, on procède tout d'abord à la mise en forme de la mousse organique 1 par pression à chaud dans un moule correspondant à la forme désirée. On place ensuite aux endroits destinés à être métallisés, un film de matériau thermoplastique 3, par exemple du polypropylène, que l'on recouvre ensuite d'une couche de métal, par exemple un feuillard de cuivre, ce film et ce feuillard ayant été préparés comme décrit précédemment. L'ensemble est ensuite soumis à un pressage à chaud soit dans le moule utilisé précédemment pour former la mousse 1, soit dans un autre moule qui tient compte des épaisseurs du film et du métal devant être fixés sur la mousse. Dans le deuxième cas illustré en figure 4, on place le film 3 de matériau thermoplastique et la couche de métal 5 sur une mousse 1 non préformée. L'ensemble est alors soumis à un cycle de pressage à chaud dans un moule de forme adaptée au résultat souhaité. Dans ce cas, il est nécessaire que la profondeur des creux du moule soit réduite de façon à éviter toute rupture du feuillard de métal. Il convient également d'utiliser un métal très ductile, (par exemple le cuivre). I1 est également possible de réaliser des supports multicouches comme illustré sur les figures 5 et 6. Un stratifié du type de celui représenté en figure 2 dont l'une ou les deux faces métalliques sont gravées ou non, peut ainsi être associé, soit à un autre stratifié du même type, soit à un autre stratifié gravé ou non du type circuit imprimé classique, soit à un diélectrique thermoplastique. Dans l'exemple de réalisation illustré en figure 5, un stratifié comprenant un matériau support 1 en mousse, recouvert sur l'une de ses faces par un premier film thermoplastique 3 et d'une couche de métal 5 est lié, par l'intermédiaire d'un second film thermoplastique 3', à un support isolant 7 recouvert d'une couche de métal 5' gravée ou non. Le métal 5' est choisi de préférence parmi le cuivre, l'aluminium ou l'un de leurs alliages. I1 n'est pas forcément de même nature que la couche de métal 5. Le film thermoplastique 3' de liaison doit présenter une température de ramollissement inférieure à celle du premier film 3 pour éviter que la nouvelle opération de pressage (lors de l'assemblage) ne déforme les couches déjà assemblées et plus particulièrement les couches gravées. Le film 3' de liaison est en outre choisi en fonction de son application et dans le cas d'applications radioélectriques, il devra présenter une faible constante diélectrique (e=1 à 3). Il peut s'agir par exemple d'un copolymère polypropylène-éthylène. Les opérations de traitement de surface des différentes couches et d'assemblage sont identiques à ce qui a été précédemment décrit, toutefois le palier de température est d'environ 1680C dans le cas où le film 3' est en copolymère polypropylène-éthylène. Par ailleurs, il est possible (et même souhaitable dans le cas d'empilements) de réaliser des liaisons électriquement conductrices 9 entre les différentes couches métalliques 5, 5'. Ces liaisons 9 sont réalisées par des méthodes classiques, telles que la méthode des trous métallisés de circuits imprimés, la méthode des inserts métalliques ou la méthode de recharge à l'aide d'une encre conductrice. Dans exemple de réalisation illustré en figure 6, trois supports métallisés selon la figure 2 ont été assemblés. Dans ce cas, le support métallisé central présente un film thermoplastique de liaison 3' qui permet à la fois de fixer la couche métallique 5 sur le matériau support en mousse 1 et d'assembler plusieurs supports métallisés entre eux. En outre, les couches métalliques 5 de chaque stratifié sont reliées entre elles par une liaison conductrice 9. REVENDICATIONS 1. Support métallisé comportant au moins un matériau support (1) en mousse expansée, organique, rigide dont au moins l'une des faces est recouverte au moins partiellement d'un premier film de matériau organique thermoplastique (3) recouvert d'une couche (5) de métal conducteur. 2. Support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau en mousse (1) comporte un film de matériau thermoplastique (3) sur au moins une partie de chacune de ses faces opposées, ce film étant recouvert d'une couche de métal (5), et en ce qu'une liaison électriquement conductrice (6, 9) traverse de part en part le matériau support en mousse (1) et les films thermoplastiques (3) pour relier les deux couches de métal (5). 3. Support selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal (5) est choisi parmi le cuivre, l'aluminium ou l'un de leurs alliages respectifs. 4. Support selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau en mousse (1) doit résister à des températures égales ou supérieures à 1200C environ. 5. Support selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le matériau organique thermoplastique (3) a une température de ramollissement inférieure à la température de déformation sous charge de la mousse (1). 6. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est obtenu par placage à chaud de ses différents constituants (1, 3, 5). 7. Support de circuits hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mousse (1) a une constante diélectrique allant de 1 à 3 et un angle de pertes diélectriques allant de 10-3 à 10-4. 8. Support selon la revendication 7, caractérisé en ce que le film thermoplastique (3) a une constante diélectrique allant de 1 à 3 et un angle de pertes diélectriques de 10-4 environ. 9. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau thermoplastique (3) est un polymère ou un copolymère de propylène et/ou de méthylpentène. 10. Support selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mousse (1) est en imide de polyméthacrylate ou en polymère vinylique. 11. Assemblage d'au moins deux supports selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits supports sont reliés entre eux par un second film thermoplastique (3') présentant une température de ramollissement inférieure à celle du premier film thermoplastique (3). 12. Procédé de fabrication d'un support métallisé à base de mousse organique, consistant à a) activer une première surface d'une couche de matériau thermoplastique (3) pour qu'elle comporte des chaînes ouvertes, b) disposer ladite première surface en regard d'une face d'un matériau support en mousse expansée, organique, rigide (1), c) chauffer l'ensemble, sous pression, jusqu'à la température de ramollissement de la couche de matériau thermoplastique (3), d) refroidir l'ensemble jusqu'à une température supérieure ou égale à la température ambiante, toujours sous pression, e) placer une couche métallique (5) sur une seconde surface du matériau thermoplastique (3) opposée à la première, après que cette seconde surface ait été activée pour comporter des chaînes ouvertes et que la couche métallique ait subi un traitement de surface, f) chauffer l'ensemble, sous pression, jusqu'à la température de ramollissement du matériau thermoplastique (3), et g) refroidir ensemble jusqu'à une température supérieure ou égale à la température ambiante, toujours sous pression. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les étapes d'assemblage du matériau en mousse (1), du matériau thermoplastique (3) et de la couche métallique (5) sont réalisées simultanément. 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en forme du support en mousse organique (1). 15. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le traitement de surface de la couche métallique (5) est réalisé par une oxydation superficielle. 16. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de gravure de la couche métallique (5). 17. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation d'une couche de matériau thermoplastique (3) et d'une couche métallique (5) sur au moins une partie des deux faces opposées du matériau support en mousse (1) et la formation d'une liaison électriquement conductrice (9) entre les deux couches métalliques (5).