Brevet FR2729253A1 — publié le 19960712

MODULE CAPTEUR A BOITIER ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MODULE La présente invention concerne les modules capteurs de paramètres physiques, fournissant un signal électrique de sortie, destinés à être reportés sur un substrat tel qu'une carte de circuit imprimé. Elle concerne plus particulièrement les modules capteurs comprenant un boîtier formé d'un support et d'un capot conducteur délimitant une cavité contenant un capteur proprement dit à état solide, à sortie électrique, fixé au support et muni de contacts reliés à des traversées de boîtier. On connaît de nombreux modules capteurs de ce genre, en particulier constituant des accéléromètres ou gyromètres à état solide, dont élément sensible ou capteur fabriqué par micro-usinage de matériau semi-conducteur ou de quartz. Le document FR-A-2 694 403 de la demanderesse et le document FR-A-2 700 065 décrivent de tels capteurs. Des modules de ce genre sont disponibles dans le commerce. L'invention trouve une application particulièrement importante dans le domaine automobile. Des modules capteurs accélérométriques sont en effet nécessaires dans des systèmes qui tendent à se généraliser, tels que les systèmes de sécurité à coussin gonflable, les systèmes anti-patinage et les suspensions pilotées. Le boîtier de protection ne doit pas avoir d'effet défavorable sur les déplacements dans la plage de fréquence de mesure, et ne doit pas amplifier les vibrations provoquées par l'environnement hors de la bande passante. De plus, le boîtier ne doit pas créer des contraintes dans le capteur proprement dit, souvent constitué par une structure micro-usinée, faute de quoi la présence du boîtier risquerait d'entacher le signal de mesure d'une erreur supérieure aux tolérances ou de créer un biais excessif. Jusqu'à présent, on a tenté de résoudre ce problème en donnant au boîtier une rigidité suffisante, par exemple en le constituant par une céramique multicouches, afin de limiter les déformations susceptibles d'être transmises par le support à la structure micro-usinée. Cette solution est efficace. Mais elle est d'un coût élevé. Dans le domaine automobile, ainsi que dans beaucoup d'autres, il est nécessaire de réduire le plus possible le coût unitaire du module sans sacrifier pour autant la fiabilité. De plus, les dispersions inévitables de caractéristiques à l'issue de la phase de fabrication rendent nécessaire une vérification et un calibrage individuel dans de très nombreux cas. La présente invention vise notamment à fournir un module capteur à boîtier répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est réalisable à un coût faible tout en ayant une constitution fiable et en ce qu'il peut être rendu disponible en lots présentés sous forme de bandes, d'alimentation de machines de report à plat. Dans ce but, l'invention propose notamment un module capteur du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que le support est constitué par une bande souple ayant au moins une pellicule isolante continue portant, sur une face, une couche conductrice gravée pour constituer des plages de raccordement et les traversées, sur l'autre face, des zones conductrices équipotentielles, en ce que le capot conducteur est fixé de façon étanche sur une desdites zones équipotentielles et en ce que les contacts du capteur sont reliés aux dites plages de raccordement à travers la dite pellicule isolante. On constitue ainsi un boîtier susceptible d'éviter la transmission de contraintes depuis l'extérieur jusqu'au capteur proprement dit. La bande souple peut en effet être constituée de façon à présenter, sous le capteur, une rigidité suffisante, donnée par une facette de la couche conductrice gravée, à laquelle on donne une épaisseur de plusieurs dizaines de microns, tout en conservant, autour de la facette, des portions souples (par exemple du fait que la couche conductrice y est absente ou réduite à des pistes relativement étroites). Ainsi les déformations provoquées par des actions extérieures peuvent se limiter à des zones autres que celles portant le capteur proprement dit, ce qui minimise l'erreur introduite. Le boîtier forme une cage de Faraday autour du capteur, ce qui est important lorsque ce dernier constitue une capacité et ne donne naissance qu'à des courants très faibles. Des pattes constituées par une portion des plages de raccordement qui débordent du boîtier sur la pellicule isolante permettent un contrôle et éventuellement un ajustage des caractéristiques du capteur sans transfert du module séparé sur un appareil, alors que c'était le cas des capteurs comportant des broches de sortie. Dans un mode avantageux de réalisation, des modules successifs sont répartis le long de la bande ; celle-ci comporte une pellicule isolante supplémentaire, recouvrant les zones conductrices équipotentielles et pouvant comporter des fenêtres au droit des extrémités des traversées. Ainsi, un module capteur peut être fixé sur un composant tel qu'une carte de circuit imprimé à travers des fenêtres ménagées dans la pellicule ou au delà de lignes de la pellicule qu'il suffit de fractionner. La pellicule peut également comporter des ouvertures au droit de prolongements du capot, avantageusement situés dans les angles. La bande peut porter, sur toute la longueur de la pellicule isolante, des pistes constituant des équipotentielles facilitant les opérations de test et/ou de calibrage.Par exemple, il est possible de faire passer simultanément une surintensité dans tous les modules capteurs, afin de faire apparaître des défauts latents. Cette caractéristique peut également être utilisée pour activer une fonction donnée, par exemple l'auto-test intégré au capteur dans le cas d'un accéléromètre destiné à un dispositif de protection à coussin d'air. L'invention propose également un procédé de fabrication et de test de modules permettant de les livrer en bande continue. Le capteur peut également être individualisé et conditionné sous forme de plateau ou boîte alvéolée. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale, montrant un module capteur à un stade intermédiaire de fabrication, en coupe longitudinale, alors qu'il est sur une bande continue - la figure 2, similaire à la figure 1, montre le module capteur une fois fixé sur un circuit imprimé - la figure 3 est une vue schématique en perspective, montrant le boîtier - la figure 4 montre l'allure des déformations du support, constituant le fond d'un boîtier, permettant de réduire les contraintes provoquées dans le capteur lui-mEme par des actions extérieures - la figure 5 montre la façon dont le module capteur peut être fixé sur une carte de circuit imprimé par un gel souple - la figure 6 est une vue de dessus dun module capteur porté par une bande ayant une constitution augmentant la flexibilité du support, les parties supérieure et inférieure de la figure montrant deux réalisations possibles du couvercle. Sur les figures, l'échelle n'est pas respectée, pour plus de clarté. La figure 1 montre un module capteur 10 dans un état intermédiaire de fabrication. Un grand nombre de modules du même type peuvent être portés par une bande 14 qui est ultérieurement tronçonnée, par exemple aux emplacements indiqués par les lignes A, pour former des modules séparés raccordables individuellement, du genre montré en figure 2. Le module montré à titre exemple comporte un capteur à état solide 16 raccordé, dans une cavité délimitée par un boîtier, à un circuit intégré 18, souvent un circuit intégré d'application spécifique ou ASIC destiné à traiter les signaux de sortie du capteur. La bande 14 représentée à titre d'exemple est à deux niveaux d'interconnexion. Elle peut être regardée comme ayant une pellicule souple 20 de grande longueur, pouvant être munie de perforations latérales d'entraînement. Un premier niveau d'interconnexion est constitué par une couche de cuivre gravée de façon à constituer des traversées 22 qui seront ultérieurement fixées à un substrat, tel qu'une carte de circuit imprimé 24 (figure 2) à travers des trous ou fenêtres 25 de la pellicule 20 ou au-delà du bord de cette pellicule. Ces traversées sont isolées les unes des autres. Dans le cas particulier illustré en figures 1 et 2, la couche de cuivre subsiste également sous le capteur 16 et le circuit intégré 18 de façon à constituer une palette 26 de rigidification locale. I1 peut être préférable que cette palette de rigidification soit localisée en dessous du module capteur 16 uniquement, de manière à reporter les éventuelles déformations du support sur les zones souples les plus proches. Le premier niveau conducteur est recouvert d'une seconde pellicule isolante 28 dans laquelle sont ménagés des trous 30 de passage de fils souples 32, en or ou en aluminium, de liaison entre les plages de contact du capteur et/ou du circuit intégré et les traversées 22. Le second niveau conducteur comporte, dans le cas illustré dans la figure 1, une couche métallique qui est également gravée de façon à constituer des zones équipoten tielles séparées les unes des autres. Certaines de ces zones sont destinées à recevoir le capteur et le circuit intégré. Elles peuvent être omises lorsqu'vil n'est pas nécessaire de relier à la masse la face du capteur et du circuit intégré qui ne porte pas les contacts et/ou lorsqu'vil n'est pas nécessaire de rigidifier le module. Une des zones équipotentielles est en forme de cadre 36 et elle reçoit un couvercle conducteur rigide 38, en matériau métallique ou métallisé, destiné à constituer un boîtier avec les pellicules isolantes et les niveaux d'interconnexion. Pour renforcer le boîtier, une entretoise isolante 40, en matière plastique par exemple, peut être placée sous le couvercle 38 et s'appuyer sur les zones équipotentielles. Pour renforcer le module, le couvercle métallique 38 peut être collé sur l'entretoise en plastique, par des points de colle 41. L'entretoise isolante 40 peut être remplacée par un enrobage sélectif à l'aide d'un gel visqueux qui est ensuite polymérisé pour le rendre rigide. Ce gel doit être mis en place de façon à ne pas enrober certains éléments, tels que le capteur à état solide 16. Le gel peut pour cela être déposé à l'aide d'une seringue portée par un appareil qui la déplace et l'actionne suivant un trajet commandé. Pour éviter que le couvercle 38 n'endommage le cadre 36 lors de sa pose ou de sa fixation, il comporte avantageusement un bord 42 replié légèrement vers le haut. De plus, le couvercle 38 présente des prolongements conducteurs 44 situés au droit de fenêtres 46 pratiquées dans la pellicule 20, permettant de relier le couvercle à des pistes de polarisation ou de mise à la masse. Dans le mode de réalisation montré en figure 3, les prolongements sont placés en diagonale, dans les coins. A titre d'exemple, on peut indiquer que des modules capteurs de ce type ont été réalisés en utilisant une bande support de constitution similaire à celle commercialisée pour constituer les modules micro-électroniques de cartes à puce. La première pellicule isolante 20 était formée par un film de polyimide de polyamide ou de polyathylène à perforations latérales d'entraînement. Elle était revêtue, par des procédés classiques, dune couche de cuivre de 70 wn d'épaisseur gravée pour former le premier plan conducteur. Ce premier plan conducteur portait à son tour la seconde pellicule isolante et les zones équipotentielles. Le couvercle avait des dimensions en plan comprises entre 10 et 15 mm pour contenir à la fois un capteur et un microcircuit. Le capteur était constitué par un accéléromètre monolithique en silicium micro-usiné, d'axe sensible suivant la direction f. Les composants (capteur 16 et micro-circuit intégré 18) étaient reportés à l'aide d'une colle isolante ou conductrice, suivant le cas. Les fils de câblage 32 étaient fixés par soudage thermosonique à l'arc en cas de fil d'or (méthode dite sall bonding") ou par soudage ultrasonore en cas d'utilisation de fils d'aluminium (technique dite "wedge bonding"). L'entretoise avait une épaisseur de 1,5 à 2 mm.Un gel peut être placé à l'intérieur du boîtier, à condition d'avoir des caractéristiques telles qu'il n'exerce pas de contrainte sur le capteur. Le module ainsi constitué peut être reporté par des procédés classiques sur un substrat rigide. La figure 2 montre un mode de report possible, par une technique classique de montage en surface. Le module peut être fixé sur le substrat à l'aide d'un adhésif double face 54. Une alternative à ce type de report consisterait à effectuer des perforations identiques à 25 sous le corps du boîtier, et à reporter l'ensemble à la manière du procédé dit flip chie", c'est-à-dire en utilisant des gouttelettes d'étain-plomb pour réaliser des contacts.Un gel peut être prévu au centre du module entre lui et le circuit imprimé qui le reçoit.Les prolongements 44 du couvercle 38 sont repliés et soudés sur des liaisons 48 de polarisation, constitués par des pistes du substrat 24 (carte de circuit imprimé en général) à travers les fenêtres 25. Les traversées 22 sont de leur côté pliées et soudées à des pistes 52. Les opérations de report peuvent être effectuées sur des appareils classiques permettant de poinçonner et de plier les prolongements 44 et les parties terminales des traversées 22. Du fait que le fond du boîtier est collé sur le substrat, tous les mouvements de la structure support sont transférés fidèlement vers le capteur proprement dit. Les pattes 44 du boîtier, lorsqu'elles prolongent les angles, effectuent un auto-centrage. L'assemblage des modules peut s'effectuer de façon particulièrement simple avec un montage en bande. Les couvercles 38 peuvent être constitués par emboutissage de feuillard métallique et report temporaire sur une bande ; l'assemblage des couvercles s'effectue alors par alimentation simultanée d'un poste de fixation par soudage par la bande portant les composants actifs (capteurs 16 et microcircuits intégrés 18) et par la bande portant les couvercles. Il est possible de prévoir un renforcement de la bande sous le capteur ou l'ensemble du boîtier par une surépaisseur de cuivre formant une facette 56. Il est également possible de renforcer la bande par une surépaisseur de cuivre dans les zones de raccordement avec un substrat, une partie souple et déformable 58 subsistant entre les zones renforcées. La figure 4 montre de telles zones souples 58 qui subsistent entre celles renforcées par des facettes 56, par exemple de 70u d'épaisseur. La flexibilité des zones 58 permet d'éviter d'appliquer des contraintes au boîtier et au capteur lors du montage. Par ailleurs, comme on le verra plus loin, la présence de zones souples peut être utilisée pour faciliter les tests sous vibration. Si l'on recherche un amortissement des oscillations aux vibrations ou accélérations appliquées au capteur, le module peut être fixé sur le substrat 50 par l'intermédiaire d'une couche de gel 60, comme le montre la figure 5 où l'épaisseur de ce gel est très exagéré pour plus de clarté. La bande peut être rendue encore plus souple entre deux modules successifs par des rangées de trous 62 (figure 6) pratiquées entre des pistes 64 destinées à amener les signaux vers des plages de test 66. Les plages de test sont ainsi déportées par rapport au module proprement dit, ce qui évite l'usure rapide des pointes de tests. Les éventuels défauts de contact électrique entre pointes et plages de test sont également minimisés par cette façon de procéder. Ces pointes n'ont en effet qu'à être amenées en appui sur la bande. Il n'est plus nécessaire de réaliser une jonction temporaire à l'aide d'un connecteur. La présence des parties de bandes souples permet également de soumettre un module 10 à des vibrations, sans influencer en même temps les modules adjacents. Il suffit pour cela de pousser l'un vers l'autre les deux tronçons de bande situés de par et d'autre du module, de façon à laisser un débattement possible aux zones souples. La partie inférieure de la figure 6 montre des pattes de liaison 44 boîtier situées dans les angles, comme sur la figure 3. Il est également possible de placer les pattes du couvercle dans l'alignement des pattes destinées à la sortie des signaux, comme indiqué en 44a à la partie supérieure de la figure 6. L'empreinte du module se rapproche ainsi des formes habituelles. Le procédé de fabrication de module du genre ci-dessus défini peut notamment être le suivant, qu'il y ait une ou deux pellicules isolantes. Sur une bande continue comportant la pellicule isolante 28 ou deux pellicules 20 et 28, portant déjà, répartis le long de la bande, des niveaux d'interconnexion constitués par du métal colaminé ou déposé, puis gravé, on fixe chaque capteur (et éventuellement le micro-circuit) sur la bande et on relie ses contacts par des fils souples, aux traversées 22 appartenant à un des niveaux. Puis on fixe les couvercles conducteurs 38 chacun sur une zone équipotentielle en forme de cadre 36. En règle générale, des tests et un calibrage sont nécessaires. Les tests électriques peuvent être effectués sur chaque module à son tour. Des pointes de contact peuvent s'appliquer sur les traversées fournissant les signaux de sortie. En revanche, l'alimentation électrique de tous les capteurs 16 et éventuellement de tous les circuits intégrés 18 peut se faire simultanément au cours des tests en prévoyant sur la bande des liaisons équipotentielles accessibles depuis l'extrémité de la bande et reliant toutes les traversées correspondantes. Une fois les mesures effectuées, on ajuste les caractéristiques, par exemple en programmant une mémoire morte programmable incorporée au micro- circuit intégré 18, sur chaque module à son tour. L'opération de montage sur un substrat peut également s'effectuer de façon simple à un autre poste de travail alimenté par une bande portant des modules successifs. Chaque module à son tour est séparé du module suivant, par coupure de la bande. Il est collé sur le substrat destiné à le recevoir. Les liaisons électriques sont ensuite effectuées en poinçonnant et en soudant les parties terminales des traversées 22 et les prolongements 44 à travers les fenêtres ménagées dans la pellicule 20. Chaque module peut être livré non pas en bande, mais dans une boîte où il est placé automatiquement. Ainsi l'utilisateur dispose d'un module fini, prêt à l'emploi. Il n'a plus à poinçonner et à souder les parties terminales des traversées 22 et les prolongements 44. Dans ce cas, les traversées et les prolongements peuvent être étamés avant emboîtage, afin d'augmenter leur rigidité et d'éviter leur déformation lors de manutentions. REVENDICATIONS 1. Module capteur comprenant un boîtier formé d'un support et d'un capot ou couvercle conducteur (38) délimitant une cavité contenant un capteur (16) à état solide à sorties électriques fixé au support et muni de contacts reliés à des traversées de boîtier, caractérisé en ce que le support est constitué par une bande souple ayant au moins une pellicule isolante continue portant, sur une face, une couche conductrice gravée pour constituer des plages de raccordement et les traversées, sur l'autre face, des zones conductrices équipotentielles, en ce que le capot est fixé de façon étanche sur une desdites zones équipotentielles (36) et en ce que les contacts du capteur sont reliés directement ou indirectement aux dites plages de raccordement à travers ladite pellicule isolante. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également une entretoise isolante (40) de rigidification interposé entre les zones conductrices équipotentielles et le capot. 3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que certaines desdites zones constituent un plan de masse et en ce que le capteur (16) est fixé auxdites zones constituant un plan de masse par une colle conductrice, ainsi éventuellement qu'un micro-circuit intégré (18). 4. Module selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pellicule isolante supplémentaire sur laquelle plusieurs modules sont répartis à intervalles égaux. 5. Module selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pellicule isolante supplémentaire est percée de fenêtres à travers lesquelles sont accessibles des pattes formées par des prolongements des plages de raccordement, à l'extérieur du boîtier. 6. Module selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite bande comporte également des ouvertures au droit de prolongements conducteurs du couvercle (38). 7. Procédé de fabrication et de test de modules capteurs ayant un boîtier contenant un capteur muni de contacts reliés à des traversées de boîtier, suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, sur une bande continue comportant une pellicule isolante (28) et, à intervalles réguliers le long de la bande, des niveaux d'interconnexion constitués chacun par une couche de métal colaminée ou déposée puis gravée :: on fixe chaque capteur (16) et éventuellement un microcircuit intégré de traitement des signaux du capteur, sur la bande et on relie leur contact, par des fils souples, à des traversées (22) appartenant à un des dits niveaux, on fixe un couvercle conducteur (38) sur une zone équipotentielle en forme de cadre (36) déposé sur la pellicule isolante (28) et on effectue des tests électriques sur chaque module à son tour, alors qu'il est porté par la bande. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tests sont effectués en alimentant simultanément tous les dits modules et éventuellement tous les circuits intégrés portés par la bande. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la bande comporte une pellicule isolante supplémentaire (20), en ce que les dites traversées sont disposées entre les deux pellicules et en ce que la zone équipotentielle en forme de cadre (36) ainsi éventuellement que d'autres zones équipotentielles de réception du capteur (16) et éventuellement du micro-circuit intégré (18) sont placées au-dessus de la première pellicule (28).