Brevet FR2730122A1 — publié le 19960802

La présente invention concerne des cartes de connexion ou de câblage à circuits imprimés et, en particulier, des cartes de circuits imprimés multicouche (parfois appelés ciaprès cartes imprimées multicouche, PWB) pour circuits à micro-ondes utilisant des techniques dites & ligne microbande et/ou à ligne triplaque, et un procédé de fabrication desdites cartes. Les ensembles de circuits ou montages prévus pour les applications à haute fréquence, tels que dans les radars, les transpondeurs ou répéteurs etc., fonctionnant dans la bande des gigahertz, ne peuvent être agencés pour utiliser des éléments groupés tels que des résistances et des condensateurs. On utilise différentes techniques d'étude et de réalisation, en particulier des moyens bien connus dans la technique sous le nom de ligne microbande et triplaque. La icrobande comprend un fil situé au dessus d'un plan de terre, analogue à une ligne à deux conducteurs, dans laquelle l'un des fils est représenté par une image du plan de terre du fil physiquement présent.Le conducteur en forme de bande métallique est fixé sur une feuille diélectrique et un plan (ou plaque de terre) est fixé sur l'autre face de la feuille diélectrique. [Les lignes de transmission en fonde de bande diffèrent de la microbande en ce qu'une deuxième plaque de terre est placée au dessus du conducteur en forme de bande (ou de la bande conductrice).] Les blocs de conducteurs qui comprennent une variété de formes géométriques, sont également fixés sur le diélectrique et présentent des caractéristiques résistives, capacitives et inductives comprises dans la gaze de fréquences qui nous concerne et permettent ainsi de réaliser un circuit à haute fréquence.La feuille diélectrique utilisée pour ces circuits à haute fréquence est réalisée à partir de différents types de fibres de verre comprenant une grande variété de paramètres. La constante diélectrique de la fibre de verre est de l'ordre de 4 environ, ses pertes de puissance sont élevées (du même ordre que celui du PTFE) et la taille des éléments sur la plaque mince ou feuille en fibre de verre doit être d'une dimension sensiblement plus grande. Le polytétrafluoréthylène (PTFE), communément appelé "TéFLON", marque déposée de Dupont Co., a été également utilisé pour la fabrication de la feuille diélectrique des circuits de 1 gigahertz (GHZ) ou plus. En règle générale, comparativement à la fibre de verre, le PTFE présente un faible niveau de pertes à haute fréquence. De plus, la constante diélectrique du PTFE peut varier entre, environ, 2 et 11, et elle reste particulièrement constante sur toute la carte de circuits imprimés et reste constante d'un lot à 1 'autre. Toutefois l'utilisation de feuilles diélectriques en polytétrafluoréthylène dans la fabrication des cartes de circuits imprimés présente quelques inconvénients. Ces cartes sont très souples, à moins de les monter sur un support en laiton, ce qui en augmente le poids et le prix. La souplesse de ces cartes de circuits imprimés peut être une cause de rupture au niveau des joints lors de la manipulation. Le trajet d'acheminement du signal, qui comprend des lignes de polarisation, de modulation, etc., est établi au moyen de condensateurs "de traversée", d'un prix élevé, d'installation coûteuse et qui manquent particulièrement de fiabilité en raison de la structure interne en céramique multicouche de ces condensateurs.Les cartes de circuits imprimés multicouche existantes, prévues pour les applications à haute fréquence, utilisent du PTFE multicouche pour tenter de réduire la souplesse de la carte et le trajet d'achemine ent du signal; toutefois, ces cartes sont très onéreuses en raison du coût élevé du PTFE. I1 est donc souhaitable de réaliser une carte de circuit imprimé d'un type nouveau et remarquable, fiable, permettant d'éviter le recours à l'emploi de condensateurs de traversée, sensiblement rigide, de manière à éliminer les ruptures des parties soudées dues au fléchissement, possédant une constante diélectrique élevée afin de constituer une carte de circuits imprimés de dimension relativement petite, possédant un faible niveau de perte de puissance et permettant aux lignes de signalisation et de transmission de transporter intérieurement une tension de polarisation, de modulation, etc., sous forme d'une ligne triplaque afin d'éliminer ainsi le recours à des fils ou câbles coaxiaux et au soudage manuel des connexions établies par les fils et câbles coaxiaux.La carte de circuits d'un type nouveau et remarquable, selon la présente invention, permet de résoudre ces problèmes en prévoyant une carte "hybride", c'est-à-dire une carte dont la structure est constituée par deux matériaux différents, à savoir le PTFE et la fibre de verre. La souplesse de la carte est considérablement atténuée, ce qui améliore sa fiabilité et abaisse sensiblement son coût. De plus, la carte "hybride" permet d'utiliser les deux techniques, celle de la ligne triplaque et celle de la microbande. La présente invention propose donc une carte de circuits imprimés multicouche prévue pour des applications à haute fréquence. La carte de circuits imprimés multicouche selon la présente invention comprend une première plaque, comprenant une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant composée d'un matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE) possédant une constante diélectrique prédéterminée. La première couche extérieure comprend un circuit à haute fréquence en matériau métallique fixé sur une première face de la couche intérieure, et la deuxième couche extérieure est une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une seconde face de la couche intérieure.Une seconde plaque comprend une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant réalisée à partir d'un matériau de fibre de verre d'une épaisseur prédéterminée. La première couche extérieure de la deuxième plaque comprend des bandes en matériau métallique, fixées sur une première face de la couche intérieure de la deuxième plaque, et la deuxième couche extérieure est une tôle mince ou feuille en matériau métallique, fixée sur une deuxième face de la couche intérieure de la deuxième plaque. I1 est prévu une troisième plaque en matériau de fibre de verre dont l'épaisseur prédéterminée est égale à celle de la couche intérieure de la deuxième plaque. Les bandes de la deuxième plaque constituent des lignes de signalisation et de transmission, les bandes étant fixées sur la première face de la couche intérieure de la deuxième plaque, dans des emplacements prédéterminés, de manière à relier les bandes à un circuit à haute fréquence prédéterminée par des voies de passage ou de traversée, lesdites voies de passage étant utilisées pour interconnecter électriquement des couches métalliques prédéterminées.La deuxième couche extérieure de la première plaque est stratifiée sur une première face de la troisième plaque, et la première couche extérieure de la deuxième plaque est stratifiée sur une deuxième face de la troisième plaque, de manière à former ainsi la carte de circuits imprimés multicouche. En conséquence, l'un des objets de la présente invention est de prévoir une carte de circuits imprimés multicouche prévue pour des applications à haute fréquence. Un autre objet de l'invention est de prévoir une carte de circuits imprimés multicouche à microbandes. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une carte de circuits imprimés multicouche hybride, bon marché, prévue pour des applications à haute fréquence. Un autre objet de l'invention est encore de prévoir un procédé de fabrication d'une carte de circuits irpriris multicouche à microbandes. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaitront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard des dessins annexés où les mêmes références désignent des parties identiques et, dans lesquels: Fiv.1 représente une vue en coupe transversale d'une carte de circuits imprimés multicouche (PWB) selon la présente invention; Fig.2 représente une vue isométrique éclatée de la carte de circuits imprimés multicouche de la Fig.l; Fig.3 représente les matériaux spécifiques des couches individuelles de la carte de circuits imprimés multicouche du mode de réalisation préféré, selon la présente invention; et Fig.4 représente une vue en coupe transversale des couches d'un mode de réalisation en variante d'une carte de circuits imprimés multicouche selon la présente invention. En se référant à la Fig.1, il est représenté une vue en coupe transversale des couches multiples d'une carte de circuits imprimés multicouche 500, selon la présente invention. La première couche 10 comprend une couche métallique, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ce métal étant du cuivre. Une deuxième couche 20 est en matériau polytétrafluoréthylène (PTFE)., dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, ce matériau PTFE ayant une constante diélectrique d'environ 10,8. Une troisième couche 30 est constituée par une tôle mince ou feuille métallique, dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, celle-ci étant constituée par une tôle de cuivre. Une quatrième couche 40 et une sixième couche 60 sont constituées par un matériau de fibre de verre. Une cinquième couche 50 et une septième couche 70 sont constituées par un matériau métallique à savoir, dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, du cuivre. En se référant à la Fig.2, il est représentée une vue isométrique éclatée de la carte de circuits imprimés multicouche 500 selon la présente invention. Une première plaque 100 comprend les première, deuxième et troisième couches 10, 20, 30, respectivement. La première couche 10 est une tôle mince ou feuille de cuivre, fixée sur la deuxième couche 20 qui a été gravée par une technique bien connue de manière à former un dessin géométrique prédéterminé comprenant des éléments de circuit possédant les propriétés souhaitées, par exemple, résistances, condensateurs, selfs, filtres, etc., de manière à constituer le circuit souhaité prévu pour la fréquence considérée, la fréquence considérée dans le iode de réalisation préféré étant celle de la gamme des gigahertz.La première couche 10 de la première plaque 100 est fixée sur la deuxième couche 20, qui est en matériau PTFE, elle me fixée sur la troisième couche 30 constituée, dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, par une tôle mince en cuivre. La troisième couche 30 ou feuille de cuivre 30 constitue le plan de terre des éléments de circuit gravés de la plaque 10, la deuxième couche 20, ou couche diélectrique 20, étant interposée entre les parties gravées de la couche 10 et le plan de terre 30, ce qui permet de réaliser un circuit à haute fréquence en utilisant la technique dite de la triplaque. Une troisième plaque 300 comprend les cinquième et septième couches 50, 70, fixées sur la sixième couche 60, les cinquième et septième couches 50, 70, étant en cuivre et la sixième couche 60 étant constituée par un matériau de fibre de verre d'une épaisseur A. La cinquième couche 50 est gravée de manière à former des bandes ou lignes prédéterminées, transportant différents signaux vers les circuits à haute fréquence ou venant de ceux-ci (c'est-à-dire les circuits microbande) de la première couche 10. Les lignes comprennent des lignes de signalisation qui acheminent différents types de signaux, tels que des signaux de polarisation, des signaux de modulation, d'alimentation, etc., les lignes de signalisation ne comportant aucune caractéristique particulière.Les lignes comprennent également des lignes de transmission pour transmettre les signaux rf (à fréquence radioélectrique), les lignes de transmission possédant des caractéristiques spécifiques telles qu'une impédance de 50 Ohms à la fréquence prédéterminée (c'est une ligne triplaque). La troisième plaque 300 est stratifiée sur une deuxième plaque 200 selon des procédés bien connus dans la technique, et la deuxième plaque 200 est stratifiée sur la première plaque 100, de manière à former une carte de circuits imprimés multicouche unique PWB 500. Dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, la deuxième plaque 200 ou quatrième couche 40 est réalisée à partir du même type de matériau de fibre de verre que la sixième couche 60, et possède la même épaisseur A (ou sensiblement la méme épaisseur, c'est-à-dire compte tenu d'une tolérance prédéterminée). On peut donc voir que les bandes gravées de la cinquième couche 50 forment des lignes, des lignes de signalisation et de transmission (pour les circuits à haute fréquence de la première couche 10), entre les plans de terre de la troisième couche 30 et de la septième couche 70. Les lignes de transmission de la bande permettent de supprimer les fils et câbles coaxiaux soudés à la main, utilisés pour le couplage des signaux à travers la carte de circuits imprimés. La carte selon la présente invention n'utilise pas de câbles ou de connecteurs à fréquence radioélectrique, exception faite de deux connecteurs d'entrée et de sortie de signaux extérieurs de la carte de circuits imprimés multicouche PWB 500 selon la présente invention. Les connecteurs à fréquence radioélectrique sont raccordés aux connecteurs prédéterminés des lignes de transmission (ou aux bandes de la cinquième couche 50). Des trous sont percés à intervalles prédéterminés dans la carte PWB 500 pour les lignes (ou bandes) de transmission 50. Les parois intérieures du ou des trous percés sont pourvues d'un placage en cuivre (selon un procédé quelconque connu dans la technique, dans le mode de réalisation préféré de la présente invention, par electrolyse) de manière à former des voies de passage (non représentées). Par suite, la haute fréquence de la couche 10 est reliée en des points prédéterminés aux lignes de transmission de la couche 50 et toutes les autres connexions nécessaires avec les couches intérieures sont établies en créant des voies de passage par des procédés bien connus dans la technique. La Fig.3 représente le matériau spécifique des couches 10-70, de la carte de circuits imprimés 500. Le cuivrage résulte de l'agencement des "voies de passage". L'étamage a été spécialement ajouté pour améliorer la capacité de soudage sur le cuivre et pour empêcher toute contamination ou oxydation du cuivre. Bien que le mode de réalisation préféré de la présente invention comprenne une quatrième couche 40 et une sixième couche 60 constituées par le même type de matériau de fibre de verre et possédant la même épaisseur A, l1homme de l'art reconnaitra qu'il n'est pas nécessaire que ces couches aient la même épaisseur, en particulier si on doit utiliser des techniques à base de triplaques décalées. L'homme de l'art reconnaîtra également que l'on peut utiliser d'autres matériaux diélectriques à la place de la fibre de verre, tels que des résines époxy, des résines synthétiques, des matières plastiques, etc. En se référant à la Fig.4, il est représenté une vue en coupe transversale des couches d'une variante de réalisation de la carte de circuits imprimés multicouche selon la présente invention. La carte de circuits imprimés de la variante de réalisation 501 comprend une première couche 10, constituée par une couche métallique agencée pour former un circuit à haute fréquence pour la microbande. Dans cette variante de réalisation, le circuit à haute fréquence de la microbande est constitué par une couche extérieure de la carte de circuits imprimés 501, telle que la première couche 10. La première couche 10 est fixée sur une seconde couche 20, constituée par un matériau de PTFE.Une troisième couche 30 est une tôle mince ou feuille métallique fixée sur l'autre face (ou surface) de la couche de PTFE 20, de manière à constituer ainsi le plan de terre du circuit à haute fréquence de microbande de la première couche 10. Les couches restantes, 40 à 240, sont constituées en alternant des tôles minces ou feuilles en matériau métallique et des plaques diélectriques alternées, d'épaisseur prédéterminée, constituées par des matériaux diélectriques prédéterminés, certaines d'entre elles pouvant être en PTFE ou en matériaux différents du PTFE. La couche métallique extérieure 240 peut être constituée par un circuit de microbande et certaines couches prédéterminées des couches métalliques intérieures peuvent constituer des lignes triplaque, comme décrit plus haut. Des voies de passage ou de traversée (non représentées) relient des couches métalliques prédéterminées d'une manière bien connue dans la technique. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'home de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Une carte de circuits imprimés multicouche (500) comprenant: (a) une première plaque (100) comprenant une couche intérieure et une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant en matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE) possédant une constante diélectrique prédéterminée, la première couche extérieure comprenant un circuit à haute fréquence en matériau métallique fixé sur une première face de ladite couche intérieure, et la deuxième couche extérieure étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique, fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure;; (b) une deuxième plaque (200) comprenant une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant en matériau de fibre de verre d'épaisseur prédéterminée, la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) comprenant des bandes en matériau métallique fixées sur une première face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200), et la deuxième couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200); et (c) une troisième plaque (300) en matériau de fibre de verre d'épaisseur prédéterminée, de manière que l'épaisseur de la troisième plaque (300) soit la même que celle de la couche intérieure de ladite deuxième plaque (200), dans laquelle les bandes de ladite deuxième plaque (200) forment des lignes de signalisation et des lignes de transmission, les bandes étant fixées sur la première face de la couche intérieure de la deuxième plaque (200), dans des emplacement prédéterminés, de manière & relier les bandes au circuit à haute fréquence prédéterminée par des voies de passage, lesdites voies de passage reliant électriquement des couches métalliques prédéterminées, la deuxième couche extérieure de la première plaque (100) étant stratifiée sur une première face de la troisième plaque (300), et la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant stratifiée sur une deuxième face de ladite troisième plaque (300) de manière à former ainsi la carte de circuits imprimés multicouche. 2. Une carte de circuits imprimés multicouche (500) comprenant: (a) une première plaque (100) comprenant une couche intérieure et une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant en matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE) possédant une constante diélectrique prédéterminée, la première couche extérieure ayant un circuit à haute fréquence en matériau métallique fixé sur une première face de ladite couche intérieure, et la deuxième couche extérieure étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure;; (b) une deuxième (200) plaque comprenant une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant en matériau de fibre de verre d'une première épaisseur prédéterminée, la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) comprenant des bandes en matériau métallique fixées sur une première face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200), et la deuxième couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200); et (c) une troisième plaque (300), en matériau de fibre de verre d'une deuxième épaisseur prédéterminée, de telle sorte que les bandes de ladite deuxième plaque (200) forment des lignes de signalisation et des lignes de transmission, les bandes étant fixées sur la première face de la couche intérieure de la deuxième plaque (200), dans des emplacement prédéterminés, de manière que les bandes soient reliées au circuit à haute fréquence prédéterminée par des voies de passage, lesdites voies de passage reliant électriquement des couches métalliques prédéterminées, la deuxième couche extérieure de la première plaque (100) étant stratifiée sur une première face de la troisième plaque (300), et la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant stratifiée sur une deuxième face de ladite troisième plaque (300) de manière à former ainsi la carte de circuits imprimés multicouche. 3. Une carte de circuits imprimés multicouche (500) comprenant: (a) une première plaque (100) comprenant une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche intérieure étant en matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE) possédant une constante diélectrique prédéterminée, la première couche extérieure ayant un circuit à haute fréquence en matériau métallique fixé sur une première face de ladite couche intérieure, et la deuxième couche extérieure étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure;; (b) une deuxième plaque (200) comprenant une couche intérieure ainsi qu'une première et une deuxième couche extérieure, la couche interieure étant un premier matériau diélectrique d'une première épaisseur prédéterminée, la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) comprenant des bandes en matériau métallique fixées sur une première face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200), et la deuxième couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant une tôle mince ou feuille en matériau métallique fixée sur une deuxième face de ladite couche intérieure de la deuxième plaque (200); et (c) une troisième plaque (300) constituée par un deuxième matériau diélectrique d'une deuxième épaisseur prédéterminée, de telle sorte que ledit premier matériau diélectrique et ledit deuxième matériau diélectrique soient différents du matériau de PTFE, de telle sorte que les bandes de ladite deuxième plaque (200) forment des lignes de signalisation et des lignes de transmission, les bandes étant fixées sur la première face de la couche intérieure de la deuxième plaque (200), dans des emplacement prédéterminés, de manière que les bandes soient reliées au circuit à haute fréquence prédéterminée par des voies de passage, lesdites voies de passage reliant électriquement des couches métalliques prédéterminées, la deuxième couche extérieure de la première plaque (100) étant stratifiée sur une première face de la troisième plaque (300), et la première couche extérieure de ladite deuxième plaque (200) étant stratifiée sur une deuxième face de ladite troisième plaque (300) de manière à former ainsi la carte de circuits imprimés multicouche. 4. Une carte de circuits imprimés multicouche (501) comprenant: (a) une première couche (10) en matériau métallique ayant une configuration géométrique pour former un circuit à haute fréquence à lignes microbande; (b) une deuxième couche (20) en matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE), la première couche (10) étant fixée sur une première surface de la deuxième couche 20); (c) une troisième couche (30) en matériau métallique, de manière que la troisième couche (30) soit fixée sur la deuxième surface de la deuxième couche (20) pour former ainsi un plan de terre pour le circuit à haute fréquence à lignes microbande de la première couche (10);; (d) une pluralité de couches diélectriques, chaque couche diélectrique ayant une épaisseur prédéterminée et étant en matériau diélectrique prédéterminé, différent du matériau PTFE, et de manière qu'une première couche diélectrique de la pluralité de couches diélectriques soit fixée sur la troisième couche (30);; (e) une pluralité de couches métalliques, dans lesquelles la configuration des couches prédéterminées de la pluraliste de couches métalliques est agencée pour former des lignes de signalisation et des lignes de transmission en utilisant des techniques de ligne triplaque, et dans lesquelles une première couche métallique d'une pluralité de couches métalliques est fixée sur la première couche diélectrique de la pluralité de couches diélectriques et, en outre, dans lesquelles les couches diélectriques de la pluralité de couches diélectriques sont fixées, alternativement sur les couches métalliques de la pluralité de couches métalliques, les couches métalliques prédéterminées de la pluralité de couches métalliques et la première et la troisième couche comportant des liaisons électriques prédéterminées par des voies de massage, de manière à former ainsi la carte de circuits imprimés multicouche. 5. Un procédé de fabrication d'une carte de circuits imprimés multicouche comprenant les étapes de: (a) gravure d'une première face d'une première plaque, de manière à ménager un circuit à haute fréquence sur la première face de la première plaque, la première plaque étant en matériau de polytétrafluoréthylène (PTFE) muni d'une tôle mince ou feuille métallique fixée de chaque côté de la première plaque; (b) gravure d'une première face d'une deuxième plaque, de manière que des bandes soient situées dans des emplacements prédéterminés sur la première face de ladite deuxième plaque, la deuxième plaque étant un matériau de fibre de verre d'une épaisseur prédéterminée, sur lequel une tôle mince ou feuille métallique est fixée de chaque côté de la deuxième plaque; ; (c) stratification d'une troisième plaque en matériau de fibre de verre ayant la même épaisseur prédéterminée que le matériau de fibre de verre de ladite deuxième plaque, sur la première plaque et la troisième plaque, de manière que les bandes forment une couche intérieure de la carte de circuits imprimés multicouche et que le circuit à haute fréquence constitue une couche extérieure de la carte de circuits imprimés multicouche; (d) le perçage de trous dans la carte de circuits imprimés pour manager des voies de passage afin de relier des couches métalliques prédéterminées; et (e) le placage des parois intérieures des trous percés avec un matériau électroconducteur, de manière à relier ainsi les couches métalliques prédéterminées.