Brevet FR2768897A1 — publié le 19990326

Dispositif d'interconnexion de modules électroniques dans un assemblage a trois dimensions La présente invention concerne un dispositif permettant d'interconnecter entre eux des modules électroniques ayant chacun un substrat portant des composants, et cela dans le but d'augmenter par empilement le nombre de circuits occupant une surface déterminée. Un tel empilement soulève plusieurs problèmes que ne peuvent pas résoudre simultanément les dispositions existantes. Les liaisons électriques doivent être fiables et réalisables de manière économique. I1 est souhaitable que les liaisons soient démontables, par exemple en vue d'une réparation ou d'un remplacement si un module se révèle défaillant lors de tests avant utilisation de l'assemblage. A l'heure actuelle, on utilise notamment des connecteurs, mais ils exigent une précision de fabrication et d'accostage élevés. On utilise aussi des contacts en élastomère conducteur prévus sur les modules eux-mêmes. Mais ils ont une course très faible, de l'ordre de 200 microns, et ne peuvent être utilisés qu'entre des substrats parfaitement parallèles et plans. On utilise encore des liaisons par brasure qui ont l'inconvénient d'être difficilement démontables. On connaît par ailleurs des dispositifs de liaison temporaire en vue de tests, constitués par une plaque isolante percée de trous parallèles contenant chacun un ressort qui repousse un piston vers une position de butée avant où il est en saillie par rapport à une face de la plaque, chaque piston étant relié électriquement à une pointe qui fait saillie de l'autre côté de la plaque. Dans ces dispositifs connus le piston coulisse pour cela dans une douille métallique solidaire de la pointe. La liaison électrique entre la pointe et le piston est réalisée par le ressort et par l'appui latéral du piston sur la douil le. Ces dispositifs présentent une longueur entre contacts opposés qui est acceptable pour des dispositifs de test, mais qui est excessive lorsqu'on cherche à augmenter le plus possible la densité d'implantation des modules. Dans la pratique, cette longueur est toujours supérieure à 15 mm. De plus, ces dispositifs présentent, dans certaines conditions d'utilisation et notamment dans le vide qui regne dans l'espace, un risque de soudure à froid entre le piston et la douille. Une telle soudure empêcherait le piston de se déplacer lors de dilatations différentielles. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'interconnexion de modules permettant d'empiler sans difficulté des modules ayant des substrats rigides, par exemple en céramique ou en circuit imprimé épais, sans sans exiger une planéité et un parallelisme élevés des faces en regard et avec un encombrement relativement faible. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre ci-dessus défini dont le ou chaque piston est relié à la pointe opposée par un conducteur souple distinct du ressort et placé à l'intérieur du trou. Le ressort sera en général hélicoïdal et guidé par la paroi du trou. Le conducteur sera alors à l'intérieur. La pointe sera souvent constituée par un second piston également déplaçable dans le passage. La liaison entre le conducteur souple et le ou les pistons peut être réalisée par collage à l'aide d'une résine conductrice. La fiabilité du dispositif n'est limité que par le nombre de manoeuvres que peut accepter le conducteur flexible avant dégradation. Dans beaucoup d'applications, ce nombre est d'au moins un ordre de grandeur supérieur à celui du nombre maximum de manoeuvres envisagé. Par exemple lors de l'utilisation dans l'espace, aucune manoeuvre n'est plus effectuée après mise en orbite. Etant donné l'absence de tout frottement du piston sur une paroi métallique, il n'existe aucun risque de soudage à froid. La résistance électrique de la liaison est faible et constante. On peut, sans dépasser une longueur totale de 6mm, accepter une course d'au moins 1 mm, parfaitement compatible avec les défauts de planéité d'environ + 0,3 mm que l'on peut observer sur des substrats à interconnecter. Cette longueur de 6 mm est au surplus bien adaptée à la hauteur des composants montés en surface sur des circuits imprimés et à la hauteur des cavités hermétiques prévues sur des substrats du genre dit "Multi Chip Module". Le contact par des pistons à extrémité arrondie permet d'accepter une précision sur le positionnement des contacts plus faible que sur les connecteurs classiques. Enfin, le conducteur souple présente une selfinductance très faible, ce qui est un facteur très favorable en très haute fréquence. Le ressort peut être prévu pour constituer une liaison redondante, en mode dégradé, en cas de rupture du conducteur souple. Pour cela le ressort peut être doré afin d'assurer un meilleur contact avec le ou les pistons et/ou être en cuivre au beryllium. Il aura souvent 10 à 16 spires. 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 un schéma en élévation montrant un dispositif d'interconnexion placé entre un module électronique constituant une carte mère et un module électronique constituant une carte fille, de beaucoup plus petite dimension La figure 2 est une vue en coupe à grande échelle, montrant l'un des jeux d'éléments de contact d'un disposi tif suivant l'invention ; La figure 3 est un schéma montrant un dispositif suivant l'invention placé entre une carte de fond de panier, formant un premier module, et un second module constitué par une carte mère équipée d'accessoires La figure 4 montre des dispositifs suivant l'invention interposés entre des modules, les dispositif et le module central étant représentés en traits pleins, tandis que les modules latéraux sont représentés en tirets La figure 1 montre un dispositif 10 suivant l'invention placé entre le premier module 12 constitué par une carte mère et le second module 14 constitué par une carte fille de beaucoup plus petites dimensions. Des composants montés en surface 18 sont brasés sur chacune des deux faces. Cette disposition permet de réutiliser des fonctions standard, implantées sur des cartes filles. Elle augmente la surface disponible sur la carte mère et dans certains cas écarte la nécessité d'une carte mère supplémentaire. Le dispositif 10 assure la liaison entre les nombreuses plages de contact d'une des cartes et les plages de contact correspondantes de l'autre. I1 doit présenter une épaisseur suffisante pour éviter que les composants 18 des deux cartes interfèrent mais en même temps rester d'épaisseur aussi réduite que possible afin de ne pas limiter la densité d'implantation des composants. Les cartes de circuit imprimé ne sont jamais rigoureusement planes. Les substrats de beaucoup de cartes utilisés à l'heure actuelle sont rigides, par exemple parce qu'elles sont sur un substrat céramique, de forte épaisseur ou a âme thermique. Le dispositif d'interconnexion doit être capable de tolérer les écarts de distance entre les plages de contact. Les dispositifs démontables qui répondent à ces fonctions ont un encombrement très élevé soit en surface, soit en épaisseur. Le dispositif 10 se présente sous forme d'un cadre en appui contre les zones des modules qui comportent les contacts à relier et laisse libre un espace central où se trouvent les composants 18. La figure 2 montre une fraction d'un dispositif permettant d'obtenir des contacts satisfaisants en dépit des tolérances de fabrication. Ces dispositifs comportent, comme on le verra, des jeux ayant chacun deux pistons mobiles. Dans beaucoup de cas, et en particulier lorsque l'un des modules présente un dégré de planéité élevée, il sera possible d'utiliser un seul piston par jeu de contacts, le second contact étant constitué par une pointe. Le dispositif montré en figure 2 comporte une plaquette 20 de matériau isolant dans lequel sont percés des trous cylindriques parallèles 22, répartis au pas des plages de contact des modules 12 et 14. Dans chaque trou cylindrique 22 sont placés deux pistons opposés 24 et 26. Entre les pistons est interposé un ressort 28 qui tend à écarter les pistons. Le déplacement des pistons vers l'extérieur est limité, par exemple par deux feuilles isolantes 30 et 32 percées de trous de diamètre inférieur à celui du trou 22. Le piston de gauche 24 sur la figure 2 est représenté à sa position de saillie maximum, où tend à l'amener le ressort 28. Au contraire, le piston de droite 26 est représenté dans la position où l'amène l'appui du dispositif contre un module. Le ressort 28 peut notamment être comprimé entre deux collerettes appartenant chacune à un piston et venant s'appuyer contre la feuille 30 ou 32. Cette disposition permet de donner une longueur maximale au ressort 28 et en conséquence d'augmenter sa plage de variation de longueur. Les feuilles 30 et 32 seront généralement collées. Toutefois, une au moins d'entre elles peut être rendue démontable, si l'on souhaite pouvoir remplacer un jeu d'éléments de contact trouvé défectueux lors d'un test. La présence des feuilles présente l'avantage de rendre le dispositif aisément manipulable avant mise en place. Il serait possible de se dispenser d'au moins une des feuilles, au prix d'une moindre facilité de manipulation. Les deux pistons 24 et 26 sont reliés par un conducteur souple dont les parties terminales sont fixées aux pistons par un adhésif conducteur 36. Ce conducteur souple a une longueur suffisante pour permettre aux deux pistons de venir en butée contre les feuilles 30 et 32. A titre d'exemple de réalisation, on peut indiquer qu'un dispositif ayant une épaisseur de 6 mm à l'état de fonctionnement a été réalisé. Les trous 22 avaient un diamètre de 1,5 mm et la course totale des pistons était de 1,2 mm environ. Les pistons peuvent être constitués en laiton, et fabriqués par décolletage puis protection par un revetement d'or/cobalt sur une sous-couche de nickel. Le ressort peut être en cupro-béryllium doré ou même en acier dans la mesure où l'on ne cherche pas une conductivité élevée s'ajoutant à celle du conducteur 34. La plaquette isolante 20 sera réalisée en un matériau ayant une dilatation réduite, facile à percer, et présentant un état de surface favorable au glissement du ressort 28. Parmi les produits répondant à ces conditions, on peut notamment citer le diallyl pthalate, le "delrin" et le verre-époxy. Les feuilles de fermeture 30 et 32 peuvent être constituées par des pellicules de verre-époxy préimpregnés de résine époxyde, partiellement polymérisée, agissant comme une colle en film sec. De telles feuilles sont couramment utilisées dans la fabrication des circuits multicouches. Si l'encombrement des composants 18 exige une épaisseur importante du dispositif d'interconnexion, on peut par exemple utiliser des pistons ayant une partie en saillie plus longue et guider cette partie en saillie dans des plaques isolantes épaisses remplacant les feuilles 30 et 32. Le conducteur souple peut avoir des constitutions très variées, en fonction de l'utilisation prévue. Dans la plupart des cas, on utilisera un conducteur constitué par une bande découpée dans une feuille formée d'une couche métallique collée sur une pellicule de matière organique tel que le polyimide. Un tel produit est couramment utilisé pour réaliser des circuits imprimés flexibles, avec diverses épaisseurs de cuivre pur (17 à 70 um environ) et d'isolant (20 à 100 um environ). Le cuivre est de préférence doré ou argenté électrolytiquement. On peut aussi utiliser une feuille de cuivre en sandwich entre deux pellicules isolantes. Le conducteur est alors découpé dans une feuille, à la dimension proche de 0,4 x 5 mm, ce qui se traduit par une résistance d'environ 10 mQ et une inductance de 0,1 fln, avec une épaisseur de cuivre de 25 um. Le conducteur souple peut aussi être un fil métallique de section circulaire, de diamètre compris entre 50 et 150 um, ou plusieurs fils métalliques parallèles tressés. On peut encore utiliser du fil de cuivre émaillé, plus robuste à la rupture que le fil nu ou une torsade de plusieurs fils émaillés très fin. On peut encore utiliser du ruban plié en accordéon ou sous forme d'une bobine de deux à trois spires. Toutes ces solutions permettent d'obtenir une conductivité électrique satisfaisante et une tenue à plusieurs dizaines de manoeuvres. Divers procédés de montage du dispositif sont possibles, notamment le suivant. Les différents composants sont tout d'abord fabriqués. De la colle est injectée dans des cavités 38 des pistons, prévues à cet effet. La colle sera généralement une colle époxide chargé à l'argent ou à l'or, dont la viscosité est suffisamment faible pour être injectée à la seringue et assez élevée pour ne pas couler ou migrer après mise en place. On peut en particulier utiliser la colle H20E vendue par la Société EPOTEK. Le piston est placé verticalement et reçoit le ressort 28 qu'on maintient en compression à l'aide d'un outillage. Une extrémité du conducteur 34, préalablement préformé, est insérée dans la colle et la colle est polymérisée en étuve à environ 100"C. L'autre piston 26 est placé sur l'autre extrémité du conducteur et le ressort mis en compression. La colle est polymérisée à son tour. Puis le ressort est libéré, ce qui met le conducteur 34 sous tension mécanique. Les jeux de contact ainsi réalisés sont insérés dans les trous de la plaque isolante 20, puis les feuilles 30 et 32 sont collées. Les opérations définies ci-dessus sont pour la plupart automatisables et effectuées de façon collective. Dans le cas où l'on souhaite un dispositif ayant un seul piston mobile, le conducteur 34 peut être brasé directement aux plages de contact d'un module qui reçoit le dispositif. Le dispositif peut être utilisé dans de nombreux équipements différents. A titre d'exemple, la figure 3 montre deux dispositifs 40 (cette fois en forme de règle et non plus de cadre comme dans le cas de la figure 1) qui sont destinés à interconnecter un premier module 12 constitué par une carte mère à un second module 42 constitué par une carte de fond de panier, portée par une contreplaque 44. Dans ce cas, les dispositifs 40 sont placés entre des plages de contact prévues sur la carte de fond de panier et des pistes de contact appartenant à des circuits imprimés souples 48. Ces circuits imprimés sont reliés par des brasures 50 aux plages de contact de la carte mère. Des cornières métalliques 52 peuvent être prévues pour renforcer les circuits imprimés flexibles. La figure 4 montre deux dispositifs 10 encadrant un module 12 et destinés à permettre de l'empiler avec des modules similaires lOa et lOb. L'empilement peut être placé sur un socle muni d'un connecteur et maintenu en place par des moyens démontables, tels que des vis. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'interconnexion de modules électroniques ayant chacun un substrat, comprenant une plaque en matériau isolant (20) percée de trous parallèles (22) contenant chacun un ressort (28) qui repousse un piston (24, 26) vers une position avant où il est en saillie par rapport à une phase de la plaque, le piston étant relié électriquement à une pointe métallique en saillie de l'autre côté de la plaque par un conducteur souple (34) distinct du ressort et placé à l'intérieur du trou (22). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pointe métallique en saillie appartient également à un piston repoussé par le ressort (28). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le conducteur (34) est constitué par un tronçon de feuille métallique collée sur un film de matériau organique ou une feuille de cuivre placée en sandwich entre deux pellicules isolantes. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le conducteur est constitué par un fil métallique, des fils métalliques parallèles ou tressés, ou du fil de cuivre emaillé. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le conducteur est constitué par du ruban plié en accordéon ou du fil sous forme d'une bobine de deux à trois spires. 6. Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison entre le conducteur souple et le piston est constitué par une résine conductrice. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la position avant en saillie du piston est définie par son appui contre une feuille isolante (30, 32) fixée sur la plaque isolante et percée de trous de diamètre inférieur à oeux de la plaque isolante. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la feuille ou chaque feuille isolante (30,32) est constituée par une pellicule de verre-époxy préimpregnée et polymérisée. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur (34) est placé à l'intérieur du ressort (28), constitué par un ressort hélicoïdal guidé par la paroi du trou.