Brevet FR2819935A1 — publié le 20020726

L'invention concerne la technologie de fabrication des circuits électroni- ques hybrides des dispositifs médicaux implantables actifs. Elle sera principalement décrite dans le cas d'un stimulateur cardiaque, mais il ne s'agit là que d'un exemple de mise en oeuvre de l'invention, qui est applicable de façon beaucoup plus générale à une très grande variété de "dispositifs médicaux implantables actifs" tels que définis par la Direc- tive 90/385/CE du 20 juin 1990 du Conseil des communautés européen- nes, définition qui inclut, outre les stimulateurs cardiaques, les défibrilla- teurs et/ou cardioverteurs, les appareils neurologiques, les pompes de diffusion de substances médicales, les implants cochléaires, les capteurs biologiques implantés, etc. Ces dispositifs médicaux implantables actifs (ci-après "dispositifs" ou "dispositifs implantables") se présentent sous la forme d'un boîtier conte- nant une pile d'alimentation et une plaquette de circuit hybride (ciaprès "circuit électronique") supportant et interconnectant l'ensemble des com- posants, actifs et passifs permettant le recueil et l'analyse des signaux, la génération des impulsions électriques, la mémorisation de diverses infor- mations de suivi médical, le pilotage des diverses fonctions du dispositif, etc. Une tête de connecteur reliée à ce circuit électronique assure la liai- son électrique et mécanique à des éléments externes, notamment des sondes de recueil de signaux et/ou d'application d'impulsions. Comme on le comprend aisément, ces dispositifs implantés requièrent une miniaturisation poussée du circuit électronique, compte tenu de la place réduite disponible à l'intérieur du boîtier. Plus précisément, outre divers composants actifs et passifs généralement reportés en technologie CMS, ainsi que des éléments de connectique, le circuit électronique porte une ou plusieurs puces réalisées par micropho- tolithographie d'une plaquette de semiconducteur, découpée en puces individuelles. Ces puces, ainsi que les autres composants actifs et passifs, sont repor- tés sur un substrat individuel unique pour constituer le circuit électronique du dispositif. Plusieurs techniques sont aujourd'hui employées pour réaliser ces circuits électroniques, mais toutes présentent des inconvénients qui leur sont pro- pres. Une première technique consiste à utiliser un "chip carrie', qui est un petit boîtier individuel au fond duquel la puce est collée, puis câblée par des microfils ("wire bonding"); le chip carrier est finalement scellé par un capot métallique, puis reporté sur le substrat du circuit hybride. Cette mé- thode est coûteuse, car elle nécessite un traitement individuel de chaque puce, et requiert autant de chip carriers que de puces; elle conduit égale- ment à une surface occupée importante, le chip carrier étant nécessaire- ment plus grand que la puce qu'il incorpore. Une autre technique est celle dite du "montage en cavité commune". Le substrat du circuit hybride n'est pas plan, mais comporte déjà une cavité, suffisamment grande pour accueillir toutes les puces, qui sont collées et câblées par wire bonding, comme dans le cas de l'utilisation d'un chip car- rier. Un capot commun couvre ensuite la totalité de la cavité. Ce procédé présente l'avantage de traiter globalement toutes les puces d'un même circuit hybride, mais il ne permet pas un traitement collectif de plusieurs circuits hybrides. De plus, du point de vue de la surface occupée, les murs de la cavité du circuit sur lesquels le capot est scellé occupent une surface perdue non négligeable. De plus, I'utilisation d'un capot de gran- de dimension conduit à une répartition délicate des contraintes entre ca- pot et substrat, pouvant conduire à une fragilité accrue du circuit. Une autre technique dite du montage "chip-on-board' consiste à coller les puces sur le substrat-hôte puis, après câblage, les recouvrir individuelle- ment d'une goutte ou "globe" de résine protectrice (voir notamment le US- A-4 784 872). La puce ainsi enrobée par un "glob-top" occupe une place relativement importante sur le substrat, car il est nécessaire de prévoir une marge suffisante pour l'écoulement naturel de la goutte de résine d'enrobage. De plus, le coût de la technique est relativement élevé, car il est nécessaire de traiter individuellement chaque puce de chaque circuit. Enfin, I'état mécanique de la surface qui contient les puces en glob-top n'est pas bien contrôlé et ne permet pas une insertion ajustée dans un dispositif implantable, o chaque millimètre cube est compté. Le WO-A-99/41786 décrit une technique d'enrobage de sous-ensembles d'un circuit de stimulateur cardiaque, o les sous-ensembles sont recou- verts collectivement, avant d'être découpés, d'une couche de résine d'en- robage. Toutefois, ce document n'enseigne que l'enrobage de sous-en- sembles, qui doivent être ensuite reportés sur un substrat commun for- mant le substrat du circuit électronique proprement dit de l'implant. De plus, cette technique ne permet pas d'implanter des composants sur les deux faces, puisque l'une des faces du sous-ensemble est réservée au report sur le substrat du circuit électronique proprement dit. La présente invention propose une nouvelle technique de fabrication d'un circuit électronique de dispositif médical implantable actif palliant l'ensem- ble des inconvénients cités plus haut des procédés connus, ainsi qu'un circuit électronique réalisé selon ce procédé. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes: a) préparation d'une plaque-substrat collective plane comportant, à son recto, des plots de contact pour des puces et, à son verso, des métal- lisations pour des composants CMS actifs ou passifs ou des éléments de connectique, cette plaque-substrat collective comportant une répé- tition des mêmes motifs de plots et de métallisations pour une pluralité correspondante de circuits électroniques de dispositifs implantables, b) collage au recto de la plaque-substrat collective d'une pluralité de pu- ces avec, pour chaque circuit électrique de dispositif implantable, une ou plusieurs puces correspondantes, c) câblage des puces aux plots de contact qui leur sont associés, d) coulage, sur la surface au recto de la plaque-substrat collective, d'une couche d'épaisseur uniforme de résine d'enrobage, e) durcissement de la résine d'enrobage, f) sciage de la plaque-substrat collective, pour individualiser une plura- lité de substrats pourvus chacun à leur recto d'une ou plusieurs puces enrobées par la résine, chacun de ces substrats individuels corres- pondant à un circuit électrique individuel de dispositif implantable, g) report des composants CMS et/ou des éléments de connectique au verso de chacun des substrats individuels, de manière à constituer les circuits électriques complets des dispositifs implantables. Avantageusement, la plaque-substrat collective comporte une région pé- riphérique marginale perdue; à l'étape d), la résine s'étale librement par gravité jusque sur cette région périphérique et, à l'étape f), cette région est éliminée au sciage. Après l'étape e), il peut être prévu une étape de dépôt d'une couche mé- tallique uniforme sur la surface libre de la couche de résine d'enrobage durcie. L'invention vise également, en tant que produit nouveau, un circuit élec- tronique de dispositif médical implantable actif réalisé par le procédé pré- cité. Ce circuit est formé d'un substrat supportant, à son recto, une ou plu- sieurs puces et, à son verso, des composants CMS actifs ou passifs ou des éléments de connectique. Au recto du substrat, il comporte en outre une couche de résine d'enrobage noyant les circuits et puces, cette cou- che étant d'épaisseur uniforme et s'étendant d'un bord à l'autre du subs- trat dans les deux dimensions de celui-ci, les flancs du substrat et de sa couche de résine étant des flancs plans perpendiculaires à la surface du substrat. On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés. Les figures 1 et 2 illustrent une plaque-substrat collective sur laquelle ont été reportées et câblées les puces de plusieurs circuits de dispositifs im- plantables, respectivement avant et après coulage de la résine d'enro- bage. Les figures 3 et 4 sont des vues en perspective, respectivement de des- sous et de dessus, du circuit électronique fini, réalisé selon le procédé de l'invention. Essentiellement, la présente invention propose de réaliser simultanément plusieurs circuits électroniques de dispositif implantable sur une même plaque-substrat collective, d'enrober par une résine, en une seule et mê- me étape, la totalité de la surface de cette plaque-support, puis d'indivi- dualiser chacun des circuits par découpe de la plaque-substrat collective enrobée pour former les divers circuits électroniques individuels, la se- conde face du substrat (celle n'ayant pas reçu de résine d'enrobage) étant pourvue de métallisations pour le report de composants CMS. Sur la figure 1, on a représenté une telle plaque-support collective, plane, référencée 10, qui peut être réalisée en un matériau en lui-même connu tel que céramique (plusieurs couches cocuites), époxy rigide, etc. le ma- tériau étant choisi selon les propriétés mécaniques et électriques que l'on souhaite pour le circuit électronique. La plaque-substrat incorpore les divers conducteurs d'interconnexion des puces et autres composants qu'elle est destinée à recevoir. Dans l'exemple illustré, chaque circuit électronique comporte deux puces 12, 14 obtenues chacune par microphotolithographie et découpe d'une plaquette de semi-conducteur. Ces puces 12, 14 sont ensuite reportées et collées sur la plaque-substrat collective 10 lors d'une première étape du procédé. Sur la figure 10, on a ainsi illustré douze puces, correspondan- tes à six circuits électroniques individuels de dispositif implantable, toutes reportées et collées sur la plaque-substrat 10. Une machine de wire bonding assure ensuite le câblage des différentes puces, par mise en place de minces fils de liaison 18 reliant des plots de contact 16 formés sur la plaque-substrat 10 à des plots homologues 20 de chacune des puces. L'étape suivante, illustrée figure 2, consiste à couler une résine d'enro- bage (ou "d'encapsulation") 22 sur l'ensemble de la plaque-substrat 10, de manière à recouvrir toutes les puces et leurs liaisons électriques. La résine est choisie en fonction des caractéristiques de résistance mécani- que attendues pour le circuit électronique; il s'agit généralement d'un matériau polymérisable tel qu'un polyimide, un polymère époxy, une ré- sine silicone, etc. susceptible d'être coulée localement et durcie in situ, par exemple par exposition aux UV ou passage en température. De préfé- rence, après polymérisation, le matériau durci, bien que rigide, présente néanmoins une souplesse suffisante pour ne générer qu'une contrainte minimale, insusceptible de voiler la plaque-substrat 10. La résine d'enrobage que l'on vient de couler est de préférence lissée par une raclette. De façon naturelle, la résine va prendre un profil plan (à l'ex- ception des bords) par combinaison des forces de gravité et de tension superficielle. Sur la figure 2, les références 24 et 26 sont des lignes de repérage déli- mitant l'étendue de chacun des circuits électroniques individuels (la réfé- rence 28 en trait plein illustre le contour d'un tel circuit électronique, con- sidéré isolément avec ses deux puces 12, 14). Par rapport aux dimen- sions des circuits électroniques, les dimensions de la plaque-substrat 10 sont choisies de manière à conserver des marges 30, 32 périphériques suffisantes pour que le bord de la masse de résine 22 atteigne les régions correspondantes 34, 36 de ces marges périphériques, en offrant une sur- face pratiquement plane sur la totalité de l'étendue des divers circuits électroniques individuels. Après durcissement de la résine, la plaque-substrat et sa couche de rési- ne d'enrobage sont découpées selon les lignes 24 et 26, de façon à indi- vidualiser chacun des circuits électroniques. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, chacun de ces circuits indi- viduels présente une face libre (le recto de la plaque-substrat illustré fi- gure 2) comportant des métallisations pour le report de composants CMS actifs ou passifs tels que 38, 40, 42 et de broches de liaison 44 à la con- nectique de l'implant médical (figure 4). Sur la face opposée (figure 3), le circuit présente simplement une couche 22 de résine, plane et rigide, d'épaisseur e (typiquement 0,8 mm environ), qui enrobe complètement les puces 12 et 14. En complément, après durcissement de la résine et avant découpe de la plaque-substrat 10, il est possible de prévoir le dépôt d'une couche métal- lique sur l'ensemble de la surface de la résine. Une telle couche métalli- que peut assurer plusieurs fonctions, notamment: - blindage électrique (en reliant cette couche métallique à la masse), - écran à la pénétration de l'humidité et des contaminants chimiques, - protection mécanique accrue. Le procédé que l'on vient de décrire présente de nombreux avantages, en particulier: - bonne densité d'occupation de la surface du circuit électronique indi- viduel, sans perte d'une marge pour l'écoulement de la résine comme dans le cas du procédé glob-top; en effet, dans l'invention, la marge n'est réservée qu'à la périphérie de la plaque-substrat collective, et n'a pas d'incidence sur les dimensions individuelles de chacun des circuits électroniques. - optimisation des coûts, car les opérations de collage, de wire bonding et de coulage de la résine sont communes à plusieurs circuits: si l'on réalise ainsi sur la plaque-substrat collective n circuits, on diminue d'un facteur n le nombre d'entrées-sorties du process de fabrication. - bonne planéité de surface de la résine (qui s'est étalée simplement par gravité) et, du fait du sciage, flancs droits du circuit, offrant donc un bon référentiel mécanique, pour un positionnement et un ajustage précis et aisés.- bonne protection des puces vis-à-vis du milieu extérieur. REVENDICATIONS 1. Un procédé de fabrication de circuits électroniques hybrides pour dis- positifs médicaux implantables actifs, procédé caractérisé par les étapes suivantes: a) préparation d'une plaque-substrat collective plane (10) comportant, à son recto, des plots de contact (16) pour des puces (12, 14) et, à son verso, des métallisations pour des composants CMS actifs ou passifs (38, 40, 42) ou des éléments de connectique (44), cette plaque-subs- trat collective comportant une répétition des mêmes motifs de plots et de métallisations pour une pluralité correspondante de circuits électro- niques de dispositifs implantables, b) collage au recto de la plaquesubstrat collective (10) d'une pluralité de puces (12, 14) avec, pour chaque circuit électrique de dispositif im- plantable, une ou plusieurs puces correspondantes, c) câblage des puces (12, 14) aux plots de contact (16) qui leur sont as- sociés, d) coulage, sur la surface au recto de la plaque-substrat collective, d'une couche d'épaisseur uniforme de résine d'enrobage (22), e) durcissement de la résine d'enrobage, f) sciage de la plaque-substrat collective, pour individualiser une plura- lité de substrats pourvus chacun à leur recto d'une ou plusieurs puces enrobées par la résine, chacun de ces substrats individuels corres- pondant à un circuit électrique individuel de dispositif implantable, g) report des composants CMS (38, 40, 42) et/ou des éléments de con- nectique (44) au verso de chacun des substrats individuels, de ma- nière à constituer les circuits électriques complets des dispositifs im- plantables. 2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel la plaque-substrat col- lective comporte une région périphérique marginale perdue (30, 32) et dans lequel, à l'étape d), la résine s'étale librement par gravité jusque sur cette région périphérique et, à l'étape f), cette région est éliminée au sci- age. 3. Le procédé de la revendication 1, dans lequel il est prévu, après l'étape e), une étape de dépôt d'une couche métallique uniforme sur la surface libre de la couche de résine d'enrobage durcie. 4. Un circuit électronique de dispositif médical implantable actif réalisé par le procédé des revendications 1 à 3, ce circuit étant formé d'un sub- strat supportant, à son recto, une ou plusieurs puces (12, 14) et, à son verso, des composants CMS actifs ou passifs (38, 40, 42) ou des élé- ments de connectique (44), caractérisé en ce que, au recto du substrat (10), il comporte en outre une couche de résine d'enrobage noyant les circuits et puces, cette couche étant d'épaisseur uniforme et s'étendant d'un bord à l'autre du substrat dans les deux dimensions de celui-ci, les flancs du substrat et de sa cou- che de résine étant des flancs plans perpendiculaires à la surface du substrat.