Brevet FR2812223A1 — publié le 20020201

PROCEDE DE COLLAGE DE SUBSTRATS DE CIRCUIT ELECTRONIQUE SUR UNE SEMELLE ET DISPOSITIF DE MISE EN EUVRE DU PROCEDE L'invention concerne un procédé de collage de substrats sur une semelle et notamment les substrats des circuits électroniques pour applications hyperfréquences dans le domaine des fréquences millimétriques. L'invention concerne aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé. La demande de circuits hybrides fonctionnant dans les domaines des hyperfréquences pour des applications civiles dans les télécommunications ou l'automobile est en constante augmentation. Ces applications imposent de réaliser, pour être compétitifs dans le marché civil, des circuits hybrides hyperfréquences à des coûts de fabrication réduits. Les procédés de fabrication actuels de tels circuits pour le marché civil doivent donc s'adapter à des nouvelles contraintes de coût et de volume de production tout en restant en conformité avec les caractéristiques électriques très exigeantes nécessaires dans ce domaine de fréquences. Parmi les différentes étapes de fabrication des circuits électroniques, le collage du ou des substrats sur une semelle métallique (ou dans le fond du boîtier du circuit) est une étape clé dans la réalisation des circuits hybrides. Une des difficultés du collage réside dans la multiplicité et la diversité des substrats à reporter sur la semelle. En effet les substrats à reporter peuvent être en alumine, en verre-époxy, substrat de base polytetrafluoroéthylène (PTFE), polycarbonates ou autres. Les substrats sont collés sur une semelle métallique généralement en aluminium, de façcon à assurer: - un bon report des conducteurs de masse du substrat sur la semelle (ou boîtier du circuit) pour couvrir les aspects hyperfréquences du circuit; - une bonne tenue mécanique des substrats dont les coefficients de dilatation ne sont pas toujours parfaitement adaptés à celui de la semelle; - une précision de placement des substrats sur la semelle compatible avec les contraintes liées aux hyperfréquences; - une compatibilité chimique de l'élément de collage avec les éléments sensibles du circuit hybride; - une compatibilité avec les opérations de fabrication après le collage (température, câblage...); - un procédé de collage compatible avec les cadences de fabrication et le coût du marché. Plusieurs solutions sont actuellement utilisées pour effectuer le collage: Les figures la et 1 b représentent un premier procédé de collage selon l'art antérieur utilisant une colle 10 conductrice en pâte. Dans ce premier procédé de collage la colle 10 est déposée par dépôt d'un cordon de lo colle par exemple à l'aide d'une seringue 12 sur la surface d'une semelle 14 métallique recevant un substrat 16 à coller. Dans une première opération de collage représentée à la figure l a, la colle 10 conductrice en pâte est repartie selon des lignes parallèles 17 sur la surface de la semelle 14 posée sur un socle 18 d'un dispositif de presse 20. Dans une deuxième opération représentée à la figure lb, le substrat 16 à coller est mis en contact avec la surface encollée de la semelle. Des pistons 22 exercent des forces F sur le substrat à travers une cale 24 et une mousse 26 de répartition des forces de collage. Le substrat 16 est pressé contre la semelle répartissant la colle 10 sur la surface de la semelle. Ce premier procède comporte les inconvénients suivants: - une maîtrise difficile des débordements de colle conductrice qui créent des courts-circuits ce qui nécessite des retouches manuelles onéreuses; - une mauvaise répartition de la colle sous des substrats souples qui se déforment ce qui impose d'appliquer une pression au moment du collage de manière à rendre plats les substrats; cette mise en pression n'est pas applicable avec de la colle en pâte. - la nécessité d'une calibration du joint de colle sous les substrats en céramique pour garantir une épaisseur de colle capable d'assurer une bonne tenue mécanique entre deux matériaux non adaptés, cette calibration implique un procédé manuel et donc coûteux. Dans un autre procédé de collage l'élément de collage est une colle conductrice époxy en film. L'utilisation de ce type de colle en film assure une bonne répartition de la colle mais présente des inconvénients importants. En effet ce type de colle nécessite un stockage à froid à une température de l'ordre de - 40 degrés ce qui présente des contraintes et des risques industriels. Une fois la colle mise en place, la durée de polymérisation est longue de l'ordre de 2 heures pénalisant le cycle de fabrication du circuit électronique. Son prix est aussi assez élevé par rapport aux autres colles. Ce procédé de collage utilise des outillages à pistons, tels que décrits précédemment, de mise en oeuvre longue et ne permettant pas de coller de grandes surfaces avec une pression uniforme. Un autre procédé de collage utilise des films conducteurs à base acrylique très utilisés pour les applications basses fréquences mais présentant une trop grande résistivité pour des applications à des fréquences millimétriques. En outre ces films présentent au cours des différentes étapes de fabrication une grande sensibilité aux températures et dans le temps au vieillissement et à l'humidité. A fin de pallier les inconvénients de l'art antérieur, I'invention propose un procédé de collage à chaud d'au moins un substrat sur une semelle d'un circuit électronique par un élément de collage, le substrat et la semelle comportant respectivement une face de collage substrat et une face de collage semelle, caractérisé en ce que l'élément de collage est un film thermoplastique conducteur chauffé et comprimé entre la face de collage substrat et la face de collage semelle par un dispositif de presse chauffante afin d'effectuer la mise en oeuvre du film thermoplastique et le collage du substrat sur la semelle. Le procédé de collage selon l'invention comporte au moins les étapes suivantes: - mise en place dans un dispositif de presse chauffante du substrat, de la semelle et du film thermoplastique placé sur la face de collage de la semelle; - compression à chaud par le dispositif de presse du film thermoplastique pris en sandwich entre la face de collage substrat et la face de collage semelle; - refroidissement du substrat et de la semelle collés par le film thermoplastique. Dans une mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les films thermoplastiques recouvrant les faces collage substrat et la face collage semelle sont prédécoupés au format des substrats à coller sur la semelle. Les films prédécoupés aux formes des substrats sont posés sur la surface de collage de la semelle et positionnés à l'aide de bossages préalablement réalisés sur la surface de collage de la semelle lors de sa fabrication. Les substrats à coller sur la semelle peuvent être d'épaisseur et nature différente, à savoir en alumine, en verre-époxy, substrat de base polytetrafluoroéthylène (PTFE), polycarbonates ou autres. Dans le collage des substrats des circuits électroniques et en particulier les circuits hyperfréquences, le film thermoplastique est conducteur électrique et la semelle est métallique. L'invention concerne aussi un dispositif de presse destiné à comprimer à chaud un élément de collage entre au moins un substrat et une semelle d'un circuit électronique, caractérisé en ce que le dispositif de presse comporte un bâti ayant une première et une seconde faces fixes l'une part rapport à l'autre et en vis-à-vis, une plaque de répartition pouvant se 1 5 déplacer entres les deux faces fixes du bâti et parallèlement à ces faces, une enceinte gonflable placée entre la première face fixe du bâti et la plaque de répartition, l'enceinte comportant une entrée de gaz sous pression, le gonflage de l'enceinte par le gaz produisant l'écartement de la plaque de répartition de la première face fixe du bâti et la compression de l'élément de collage entre le substrat et la semelle en contact avec la seconde face fixe du bâti. En effet les dispositifs de presse de l'état de l'art ne permettent pas d'obtenir des pressions régulièrement réparties sur les surfaces à coller parfois de formes complexes et un niveau de pression suffisant pour effectuer un collage utilisant un film thermoplastique conducteur selon une des caractéristiques principales de l'invention. Un dispositif de presse de l'art antérieur comporte plusieurs pistons répartis sur la surface des substrats à coller. Les pistons exercent des pressions ponctuelles sur une plaque (ou cale) disposée sur les substrats comprimant l'élément de collage. Un des inconvénients de ce dispositif de presse de l'art antérieur est dû à la limitation de la surface minimale des substrats à coller du fait de la taille des pistons. Lorsque la surface du substrat est trop petite un seul piston peut être utilisé avec l'inconvénient d'une mauvaise répartition de la pression sur le substrat et donc sur l'élément de collage. Dans le procédé de collage selon l'invention, le chauffage de l'élément de collage, le substrat et la semelle à coller sont effectué par des moyens connus, par exemple dans une enceinte thermique ou un four. Le dispositif de presse comportant l'enceinte gonflable est particulièrement bien adapté à la mise en oeuvre du procédé de collage selon l'invention. En effet ce dispositif de presse selon l'invention permet d'obtenir des niveaux de compression suffisamment élevés (supérieurs à 1,5 Kg/cm2) nécessaires au collage du substrat sur la semelle par un film thermoplastique conducteur électrique (par exemple de type " STAYSTIK "). Un autre avantage du dispositif de presse selon l'invention réside dans le fait qu'il permet d'obtenir un collage rapide, d'une grande fiabilité et à faible coût, de substrats d'épaisseurs et natures différentes. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'un exemple de réalisation d'un dispositif de presse mettant en oeuvre le procédé de collage selon l'invention. - les figures la et lb représentent un procédé et un dispositif de collage selon l'art antérieur; - les figures 2a, 2b et 2c représentent un procédé et un dispositif de collage selon l'invention. La figure 2a représente un dispositif de presse pour la mise en ceuvre du procédé de collage selon l'invention. Le dispositif de presse comporte essentiellement un bâti 30 et une enceinte gonflable 32 assurant la compression de l'élément de collage. Le bâti 30 comporte un socle 34 et une plaque de compression 36 maintenus fixes l'un par rapport à l'autre à une certaine distance par des tiges 38 fixées à proximité de leurs bords. Le socle 34 et la plaque de compression 36 comportent respectivement une face de compression socle et une face de compression plaque 42 fixes l'une par rapport et en vis-à- vis. Le bâti 30 comporte une plaque de répartition 44 de pression sur le substrat située entre le socle 34 et la plaque de compression 36 et sensiblement parallèle aux faces de compression 40, 42 du bâti 30. La plaque de répartition 44 comporte des trous de guidage 46 traversés par les tiges de fixation 38 de façon à ce qu'elle puisse glisser parallèlement aux faces de compression 40, 42. Des ressorts de rappel 50 disposés autour des tiges de fixation 38, entre la plaque de répartition 44 et le socle 34, maintiennent la plaque de répartition dans une position de repos dans le bâti 30. L'enceinte 32, dégonflée dans sa position de repos, est située dans le bâti entre la plaque de compression 36 et la plaque de répartition 44. L'enceinte gonflable comporte deux surfaces principales extérieures, une première surface en contact avec la plaque de compression 36 et une seconde surface en contact avec la plaque de répartition 44 par l'intermédiaire d'un isolant thermique 52. L'enceinte gonflable 32 comporte une entrée d'air 54 connectée à io une arrivée d'air 56 sous pression. La plaque de compression 36 comporte une ouverture 58 permettant le passage de l'arrivée d'air 56 vers l'enceinte. Une valve (non représentée sur les figures) dans l'arrivée d'air 56 permet de maintenir l'enceinte gonflée sous pression le temps nécessaire au collage. L'enceinte gonflable 32 peut être constituée par un sac en caoutchouc entoilé lui assurant une certaine élasticité et une bonne résistance à la pression d'air. Sa forme est adaptée en fonction des contraintes de collage par exemple dans certains cas peut être de forme cylindrique. Nous allons par la suite décrire le procédé de collage à chaud selon l'invention, d'un substrat 72 sur une semelle 74 métallique d'un circuit électronique, par un film thermoplastique 76 conducteur électrique ainsi que le dispositif de presse pour la mise en oeuvre du procédé. Le procédé de collage comporte au moins les étapes suivantes: - première étape (représentée à la figure 2a): mise en place sur la face de compression socle 40 du dispositif de presse d'un sandwich comportant successivement à partir du socle 34 vers la plaque de répartition 44, la semelle métallique 74, le film thermoplastique 76 et le substrat 72 du circuit électronique à réaliser. Dans cette première étape l'enceinte 32 est dégonflée (il n'y a pas de pression d'air à l'entrée 54 dans l'enceinte) et la plaque de répartition 44 se trouve dans sa position de repos. La semelle métallique 74 est posée sur la face de compression socle 40 du dispositif, la face de la semelle destinée à être collée sur le substrat 72 comportant le film thermoplastique 76 prédécoupé à la forme du substrat. La plaque de répartition 44 comporte du côté faisant face au substrat à coller, une plaque de mousse 78 souple. Cette plaque de mousse sera plaquée contre le substrat au moment du collage afin de bien répartir la pression sur sa surface lors du collage. Le substrat comporte dans cet exemple des éléments électroniques, des circuits intégrés 80 et des composants 82, du côté de la surface de mise en pression du substrat. Il est nécessaire de disposer un élément de répartition des pressions afin de reporter les efforts de compression du dispositif de collage sur le substrat et non sur les éléments électroniques. A cet effet la plaque de mousse souple io peut comporter des évidements 84 englobant les éléments électroniques reportés sur le substrat. - deuxième étape (représentée à la figure 2b): chauffage du dispositif de presse comportant le sandwich à coller et mise en pression P de l'enceinte 32. Le sandwich à coller sera porté à une température de l'ordre de 150 degrés à 200 degrés pour obtenir, lors de sa compression, le collage du film thermoplastique. Le gonflage de l'enceinte entraîne une augmentation de son volume et le plaquage des première et seconde surfaces de l'enceinte respectivement contre la plaque de compression 36 et contre la plaque de répartition 44 par l'intermédiaire de l'isolant thermique 52. La poursuite de la mise en pression de l'enceinte exerce des forces suffisantes pour écarter la plaque de répartition 44 de la plaque de compression 36 comprimant les ressorts de. rappel 50 et mettant en contact la plaque de mousse 78 avec le substrat 72. La pression de l'air dans l'enceinte 32 sera augmentée jusqu'à obtention de la pression nécessaire, à la température de chauffage, pour obtenir le collage. - troisième étape (voir figure 2c): refroidissement du sandwich constitué par le substrat collé sur la semelle métallique par le film thermoplastique collé puis dégonflage de l'enceinte. Dans cette troisième étape la baisse de la pression d'air dans l'enceinte entraîne le retour de la plaque de répartition 44 à sa position de repos de la figure 2a poussée par les ressorts de rappel 50 et le retrait de la plaque de mousse du substrat laissant apparaître le substrat collé sur la semelle métallique. Les circuits électroniques complexes, comme les circuits hybrides comportent des substrats d'épaisseurs et de natures différentes. En outre les substrats comportent des circuits intégrés et des composants reportés sur la surface du substrat mise en pression lors du collage. La plaque en mousse sera réalisée à cet effet par une découpe appropriée de la mousse et, si nécessaire, la réalisation de reliefs sur la face de la mousse appuyant contre la face du substrat afin d'intégrer les différentes épaisseurs des substrats et les éléments électroniques reportés sur ce substrat. Le procédé de collage selon l'invention comporte les avantages suivants par rapport aux procédés de collage de l'art antérieur: - une maîtrise des débordements de colle, le film thermoplastique conducteur ayant une épaisseur quasi-constante. - une pression parfaitement uniforme sur l'ensemble des substrats à coller et donc la garantie d'une qualité de collage y compris avec des substrats souples puisque ces derniers sont remis à plat sous l'effet de la pression de collage exercée; - un cycle de polymérisation très court, ces films thermoplastiques ayant des temps de mise en ceuvre de l'ordre de quelques secondes; - un stockage des films possibles à température ambiante pendant plusieurs mois; - une faible résistivité garantissant les performances hyperfréquences; - une épaisseur de joint de colle garantissant une bonne tenue des substrats céramiques, la pression permettant de coller de grandes surfaces (donc plusieurs pièces en même temps tout en conservant un collage uniforme. Le coût du collage par le procédé selon l'invention est réduit dans un rapport de l'ordre de 2 par rapport à un collage utilisant une colle conductrice époxy en film nécessitant un stockage du film à très basse température. Les sacs ou baudruches gonflables du dispositif de mise en pression selon l'invention peuvent être gonflés jusqu'à des pressions de l'ordre de 50 Kg/cm2, ce qui rend ce dispositif particulièrement bien adapté au collage de circuits multicouches nécessitant des pressions importantes de l'ordre de 5 à 10 Kg/cm2. REVENDICATIONS 1. Procédé de collage à chaud d'au moins un substrat (16, 72) sur une semelle (14, 74) d'un circuit électronique par un élément de collage (10, 76), le substrat et la semelle comportant respectivement une face de collage substrat et une face de collage semelle, caractérisé en ce que l'élément de collage est un film thermoplastique chauffé et comprimé entre la face de collage substrat et la face de collage semelle par un dispositif de presse chauffante afin d'effectuer la mise en oeuvre du film thermoplastique et le collage du substrat sur la semelle. 2. Procédé de collage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: - mise en place dans un dispositif de presse chauffante du substrat, de la semelle et du film thermoplastique placé sur la face de collage de la semelle; - compression à chaud par le dispositif de presse du film thermoplastique pris en sandwich entre la face de collage substrat et la face de collage semelle; - refroidissement du substrat et de la semelle collés par le film thermoplastique. 3. Procédé de collage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les films thermoplastiques recouvrant les faces collage substrat et la face collage semelle sont prédécoupés au format des substrats à coller sur la semelle, les films prédécoupés à la forme des substrats étant posés sur la surface de collage de la semelle et positionnés à l'aide de bossages préalablement réalisés sur la surface de collage de la semelle lors de sa fabrication. 4. Procédé de collage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les substrats (16, 72) à coller sur la semelle (14, 74) peuvent être d'épaisseurs et natures différentes, à savoir en alumine, en verre-époxy, substrat de base polytetrafluoroéthylène (PTFE), polycarbonates ou autres. 5. Procédé de collage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le film thermoplastique (76) est conducteur électrique et en ce que la semelle (74) est métallique. 6. Procédé de collage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le chauffage de l'élément de collage, le substrat et la semelle à coller est effectué dans une enceinte thermique ou un four. 7. Dispositif de presse destiné à comprimer à chaud un élément de collage (76) entre au moins un substrat (72) et une semelle (74) d'un circuit électronique, caractérisé en ce que le dispositif de presse comporte un bâti (30) ayant une première (42) et une seconde (40) faces fixes l'une part rapport à l'autre et en vis-à-vis, une plaque de répartition (44) pouvant se déplacer entres les deux faces fixes (40, 42) du bâti et parallèlement à ces faces, une enceinte gonflable (32) placée entre la première (42) face fixe du bâti et la plaque de répartition (44), I'enceinte comportant une entrée (54) de gaz sous pression, le gonflage de l'enceinte par le gaz produisant l'écartement de la plaque de répartition (44) de la première face (42) fixe du bâti et la compression de l'élément de collage (76) entre le substrat (72) et la semelle (74) en contact avec la seconde face (40) fixe du bâti. 8. Dispositif de presse selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bâti (30) comporte un socle (34) et une plaque de compression (36) maintenus fixes l'un par rapport à l'autre à une certaine distance par des tiges (38) fixées à proximité de leurs bords, le socle (34) et la plaque de compression (36) comportant respectivement une face de compression socle (40) et une face de compression plaque (42) fixes l'une par rapport et en vis- à-vis, et en ce que la plaque de répartition (44) de pression sur le substrat située entre le socle (34) et la plaque de compression (36) est sensiblement parallèle aux faces de compression (40, 42) du bâti (30). 9. Dispositif de presse selon la revendication 8, caractérisé en ce que la plaque de répartition (44) comporte des trous de guidage (46) traversés par les tiges de fixation (38) de façon à ce que la plaque de répartition (44) puisse glisser parallèlement aux faces de compression (40, 42), des ressorts de rappel (50) disposés autour des tiges de fixation entre la plaque de répartition (44) et le socle (34) maintenant la plaque de répartition dans une position initiale de repos dans le bâti (30). 10. Dispositif de presse selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enceinte (32) comporte deux surfaces principales extérieures, une première surface en contact avec la plaque de compression (36) et une seconde surface en contact avec la plaque de répartition (44) par l'intermédiaire d'un isolant thermique (52). 11. Dispositif de presse selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enceinte (32) comporte une entrée d'air (54) connectée à une arrivée d'air (56) sous pression, la plaque de compression (36) comportant une ouverture (58) permettant le passage de l'arrivée d'air (56) vers lI'enceinte, une valve de l'arrivée d'air permettant de maintenir l'enceinte (32) gonflée sous pression le temps nécessaire au collage. 12. Dispositif de presse selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'enceinte gonflable (32) est constituée par un sac en caoutchouc entoilé. 13. Dispositif de presse selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que l'élément de collage est un film thermoplastique (76) conducteur électrique et en ce que la semelle (74) est métallique.