Brevet FR2837061A1 — publié le 20030912

Le domaine de l'invention est notamment celui des modules intégrant des composants de puissance pour applications Hyperfréquences et Millimétriques (typiquement concernant des fréquences de 5 à 30 GHz et 30 à 60 GHz respectivement) et plus précisément celui des modules intégrant des MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) de puissance (puissance dissipée typiquement supérieure à 0,5 W). Dans le cadre de l'invention les modules comprennent des composants qui sont montés en surface (type CMS) d'un substrat (PCB par exemple), dont la demanderesse a cherché à optimiser la structure pour répondre à des contraintes de dissipation thermique. Le domaine de l'invention peut être étendu à tout type d'application dans laquelle se pose le problème de dissipation thermique de composant de puissance. Il peut s'agir d'applications RF (Radio Fréquences, typiquement fréquences de 5 MHz à 5 GHz), un exemple de composant ou fonction RF étant l'amplificateur de puissance. De façon générale l'invention concerne l'implantation de composants de puissance, sous forme de puces à base de silicium ou par exemple d'arséniure de gallium pour lesquels les puissances dissipées mises en jeu sont supérieures à environ 0,5 watts. Il existe actuellement des solutions de boîtiers MMIC hyperfréquences, faible coût, adaptées aux composants de faible puissance et compatible avec les lignes d'assemblage de type montage en surface grand volume. Des boîtiers ont été développés utilisant des technologies céramiques, à partir de substrat HTCC (High Temperature Cofired Ceramics, soit une température de frittage supérieure à environ 13000C) et LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics, soit une température de frittage de l'ordre de 9000C). Il s'agit d'un empilement de couches céramique comportant un réseau d'interconnexions et des composants passifs. La Figure 1 illustre la formation de ce type de substrat (HTCC ou LTCC). Des feuilles de céramique sont individuellement perforées localement pour réaliser des vias et des cavités (étape 1a). Puis les vias sont remplis avec un conducteur (étape 1b). On sérigraphie des conducteurs et des plans de masse (étape 1c). On procède à l'empilage des feuilles (étape 1d). On presse l'ensemble des feuilles de céramique ainsi assemblées (Figure le). On prédécoupe les modules ou composants s'agissant d'un procédé de fabrication en collectif (composants sécables après frittage) (Figure 1 f). On procède alors au cofrittage de l'ensemble (Figure 1h). On effectue les tests qui conviennent (Figure 1 g) pour vérifier les performances électriques du substrat avec ses interconnexions électriques et ses composants (fonctions passives intégrées). L'intérêt de ce type de substrat réside dans la possibilité d'intégrer les capacités de découplage dans le substrat, ce qui évite de reporter des capacités (chips) autour du composant MMIC, d'où un gain de surface et de coût. En effet on peut ainsi supprimer des capacités ou plus généralement des composants discrets reportés tels que les inductances ou résistances, et de plus, réduire le nombre de fils d'interconnexion. Pour les applications dites faibles puissances, le principe consiste à reporter un MMIC sur un substrat type multicouches céramique et à l'interconnecter par des fils. La Figure 2 illustre ainsi un composant C, à la surface d'un substrat S type multicouches, le substrat comporte en surface des plans de masse PM1, PM2 et des premiers vias conducteurs VC, permettant de relier les plans de masse entre eux pour assurer la fonction électrique et drainer la chaleur engendrée par la puce. Le substrat comporte en outre d'autres vias conducteurs VC2 permettant de relier des plages de connexions supérieures PCs (auxquelles sont connectées le composant C par l'intermédiaire de câblage filaire CF) à des plages de connexions inférieures PCI. Un capôt de protection B repose sur le substrat S et vient protéger le composant C, des influences extérieures. Le module M ainsi formé par l'ensemble substrat/composant/capôt est rapporté sur un circuit imprimé PCB (Printed Circuit Board), via des plages conductrices PC,. Le circuit PCB peut avantageusement comprendre des vias conducteurs VC3, destinés à drainer la chaleur depuis le composant basse puissance jusqu'à la face extérieure du PCB comportant également un plan de masse PM3. Un tel dispositif présente une architecture satisfaisante pour drainer les échauffements liés aux puissances mises en jeu par les composants dits faible puissance (typiquement pour des puissances inférieures à environ 0, 5 W). Lorsque l'on s'intéresse à des composants de puissance il est nécessaire d'envisager de drainer davantage les échauffements générés et les solutions aujourd'hui proposées demeurent des solutions coûteuses, présentant un certain nombre d'inconvénients, fi est notamment proposé d'utiliser une semelle métallique rapportée capable de drainer efficacement la chaleur. La Figure 3 illustre une telle configuration dans laquelle le substrat S de type multicouches céramique est perforé, pour introduire un ensemble constitué d'une semelle SR et d'un podium PO en métal, sur lequel est reporté le composant C. La semelle et le podium peuvent typiquement être en alliage de cuivre ou autre alliage de métaux capables d'assurer une dissipation thermique efficace. Des pattes ou broches P permettent le report sur un circuit imprimé. Ces pattes ou broches doivent être enrobées ou encapsulées par un matériau d'enrobage EC afin de ne pas être fragilisées. Avec ce type de configuration se pose le problème de jeu entre le podium et les parois perforées du substrat multicouches céramique, nécessaire à l'introduction dudit podium dans le substrat. Par ailleurs la longueur des pattes de report génère des désadaptations électro-magnétiques avec la montée en fréquence pour des composants de puissance fonctionnant à des fréquences typiquement supérieures à environ 20 GHz. Dans ce contexte l'invention a pour objet un substrat adapté à des applications forte puissance permettant d'obtenir des performances électriques et économiques analogues à celles obtenues avec des substrats utilisés pour des applications bas niveau de puissance. Le substrat comporte une solution simple et économique permettant d'obtenir un puits thermique efficace, sans passer par le report de semelles à fort coût. Plus précisément l'invention a pour objet un substrat constitué d'une structure multicouches en céramique comportant des interconnexions électriques et des composants intégrés, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, au moins une cavité remplie d'un dépôt conducteur thermique sur au moins une portion de sa profondeur, ledit dépôt conducteur étant destiné à constituer un puits thermique pour recevoir un composant de puissance. Le dépôt conducteur peut avantageusement être fait de manière collective dans plusieurs cavités, simultanément si nécessaire. On obtient également un gain dimensionnel par suppression des jeux de fonctionnement entre semelle et substrat comme dans l'art connu tout en assurant une bonne herméticité. Selon un mode préférentiel de l'invention le dépôt conducteur thermique est également conducteur électrique. Avantageusement le substrat comprend un premier plan de masse intégré au substrat et en contact avec le dépôt conducteur. Il peut comprendre également un second plan de masse au niveau de sa face inférieure, les deux plans de masse peuvent avantageusement être reliés par des vias conducteurs. L'invention a aussi pour objet un substrat comprenant des premiers vias conducteurs perpendiculaires au plan des couches céramiques reliant ledit premier plan de masse à la surface inférieure dudit substrat. L'invention a aussi pour objet un substrat dans lequel la cavité traverse la totalité de l'épaisseur du substrat et débouche sur un plan de masse épais présentant une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de microns. L'invention a aussi pour objet un substrat comprenant en outre en surface des plages de connexions. L'invention a aussi pour objet un module comprenant un substrat selon l'invention et caractérisé en ce qu'il comprend au moins un composant de puissance en contact avec le dépôt conducteur dans ladite cavité. Le composant de puissance peut typiquement être de type puce en Silicium ou en Arséniure de Gallium ou tout autre matériau semi-conducteur. L'invention a aussi pour objet un module comprenant une couche de protection en contact avec la face supérieure du substrat, de manière à protéger le composant de puissance. L'invention a encore pour objet un circuit électronique comprenant au moins un module selon l'invention et caractérisé en ce que le module est monté sur une des faces d'un circuit imprimé. L'invention a aussi pour objet un circuit électronique comprenant des vias conducteurs dans une zone au moins en regard du dépôt conducteur du substrat, de manière à assurer le drainage thermique depuis le composant de puissance jusqu'en face inférieure du circuit imprimé. L'invention a enfin pour objet un procédé de fabrication d'un substrat selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la réalisation d'au moins une cavité à l'intérieur de la structure multicouches céramique ; - un dépôt métallique par voie électrolytique, en fond de cavité, de manière à élaborer le dépôt conducteur ; Avantageusement le dépôt électrolytique peut être précédé d'un dépôt métallique par voie chimique de manière à élaborer une première couche métallique d'accorchage d'épaisseur faible, devant celle du dépôt électrolytique. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 illustre un procédé de fabrication de substrat multicouches céramique selon l'art connu ; - la Figure 2 illustre une structure de circuit électronique adapté à un composant électronique de faible puissance, selon l'art connu : - la Figure 3 illustre une architecture de module, adaptée à un composant électronique de puissance selon l'art connu ; - les Figures 4 à 6 illustrent des variantes de circuits électroniques comportant des composants de puissance, selon l'invention, avec un plan de masse intermédiaire dans le substrat multicouches en céramique ; - les Figures 7 et 8 illustrent des variantes de modules comportant des composants de puissance, selon l'invention, dans lesquels le substrat présente une cavité sur l'ensemble de son épaisseur ; - la Figure 9 illustre un exemple de dépôt électrolytique avantageusement utilisé dans l'invention. De manière générale l'emploi d'une structure multicouches en céramique est particulièrement bien adaptée à la réalisation de plan de masse intermédiaire réalisé à la surface d'une des couches céramiques de l'empilement. La Figure 4 illustre un premier exemple de circuit électronique selon l'invention. Le circuit électronique comprend un substrat 1 multicouches céramique de type HTCC ou LTCC, au moins un composant de puissance 5, et un circuit imprimé 7. - Le substrat 1 comporte une cavité 2, remplie d'un dépôt conducteur 3. Ce dépôt conducteur 3 peut avantageusement conduire la chaleur et l'électricité. Le substrat 1 comporte en outre un premier plan de masse PM1 en contact avec le dépôt conducteur 3, et un second plan de masse PM2 en face inférieure. Le plan de masse PM2 peut avantageusement présenter une surface supérieure à celle du plan de masse PM1. Les deux plans de masse sont reliés par l'intermédiaire de premiers vias conducteurs 41 pour assurer une conduction électrique et thermique. Des seconds vias conducteurs 42 sont prévus dans le substrat, pour assurer une conduction électrique entre des premières plages de connexion PC1 (dédiées au composant de puissance) et des secondes plages de connexion PC2, situées sur la face inférieure du substrat (destinée à être en contact avec le circuit imprimé 7). - Le composant de puissance 5 est reporté sur le dépôt conducteur 3, et est connecté aux premières plages de connexion PC1, par l'intermédiaire d'un câblage filaire. - Le circuit imprimé 7 comprend également deux plans de masse PM3 et PM4 reliés par des vias conducteurs 71, le plan supérieur PM3 étant en contact avec le plan inférieur du substrat PM2, pour assurer la continuité des masses ainsi qu'une continuité thermique. La Figure 5 illustre une variante de l'invention proche de celle illustrée en Figure 4. Dans cette variante, le dépôt conducteur 3, n'occupe pas l'ensemble de la cavité 2, permettant d'enterrer partiellement le composant de puissance 5, de manière à réduire la longueur du câblage filaire CF. La Figure 6 illustre une autre variante de l'invention dans laquelle le substrat en multicouches céramique comprend un premier plan de masse intermédiaire PM1 de surface nettement plus grande que la surface de la cavité 2. Une telle configuration permet d'augmenter encore le drainage de la chaleur. Le plan de masse intégré permet ainsi de réduire les dimensions des lignes RF en surface sans diminuer l'épaisseur totale du substrat. Selon une autre variante de l'invention illustrée en Figure 7, les vias conducteurs permettant de relier le premier plan de masse intermédiaire au second plan de masse en face inférieure sont supprimés, puisque la cavité 2 est réalisée sur la totalité de l'épaisseur du substrat. Un plan de masse épais PMs est reporté en face inférieure et sert au dépôt conducteur 3. Le plan de masse peut typiquement être collé ou brasé sur le substrat. On obtient ainsi un drainage thermique encore plus efficace que celui obtenu avec des vias conducteurs. Des plans de masse déportés P'Ms sont prévus pour être connectés au PCB. En fait l'épaisseur du plan de masse PMs est supérieure à l'épaisseur des conducteurs sérigraphiés et ne permet pas un report direct sur le PCB. Il faut perforer le PCB afin de laisser passer le plan PM5. La masse est ainsi déplacée pour être en contact avec la masse du PCB. Selon une autre variante illustrée en Figure 8 et proche de la variante illustrée en Figure 7, on peut utiliser un matériau provisoire Mp, sur lequel on réalise un plan de masse PMe,) le matériau Mp servant principalement de support, lors de la formation du dépôt conducteur. Le matériau provisoire peut ensuite être retiré après dépôt pour ne laisser subsister qu'un plan de masse d'épaisseur standard (de l'ordre de quelques dizaines de microns). Le matériau temporaire peut être collé ou pressé ou soudé. Le matériau peut-être appliqué avant frittage (matériau inerte cocuit avec un plan de masse en Ag ou autre métal compatible) ou après frittage type film métallisé. Le retrait peut-être par décomposition chimique du film ou action mécanique comme le microbillage (exemple du matériau inerte cocuit) ou par pelage (cas du film métallisé). Exemples de réalisation : Il est typiquement intéressant d'utiliser des substrats LTCC d'épaisseurs pouvant varier de 200 um à 2 mm avec une conductivité thermique de l'ordre de 3 W/mK. Les plans de masse PM1, PM2 peuvent typiquement être réalisés à partir de métaux de type Ag ou AgPd ou Au ou AgPt et présenter des épaisseurs de l'ordre de 5 à 25 um. Les plans de masse ont alors typiquement une conductivité thermique de l'ordre de 200 W/mK. Les vias conducteurs peuvent également être réalisés dans le même type de matériau conducteur que les plans de masse et présentent des diamètres optimisés de l'ordre de 100 à 300 um. Le câblage filaire CF entre le composant de puissance et les plages de connexion peut être de type or ou aluminium. Les dimensions du substrat multicouches céramique peuvent typiquement être de l'ordre de 2 x 2 mm2 à 20 x 20 mm2. Les dépôts conducteurs peuvent être réalisés en cuivre et présenter des épaisseurs de l'ordre de 50 um à 500 um. Les surfaces des cavités peuvent typiquement être de l'ordre de 500 x 500 ! -1m2 à 5 x 5 mm2. On obtient avec ce type de paramètres pour un dépôt de cuivre, une conductivité thermique du puits dissipateur constitué par le dépôt de cuivre d'environ 380 W/mK. Selon la variante illustrée en Figure 7, le plan de masse PMs peut typiquement avoir une épaisseur de l'ordre de 100 um à 300 um. Pour réaliser le module selon l'invention les principales étapes de fabrication sont les suivantes : - réalisation d'un substrat multicouches en céramique avec interconnexions et composants passifs intégrés, plus vias conducteurs, plus plages de connexions ; - création d'au moins une cavité à l'endroit où sera placé le composant de puissance ; - dépôt d'un métal type cuivre, au fond de la cavité ; - report du composant sur le dépôt métallique par brasure ou colle à haute conductivité thermique ; - interconnexion du composant de puissance par câblage filaire aux plages de connexions ; - de préférence fermeture du module par un capot (plastique ou céramique). Avantageusement le dépôt conducteur est réalisé par voie électrolytique qui est une opération faible coût car réalisée de façon collective. Cette voie permet par ailleurs d'ajuster facilement l'épaisseur, typiquement entre 50 et 500 um voire plus si besoin. Après masquage par vernis des conducteurs à ne pas métalliser, on prépare les surfaces métallisées au fond des cavités (bains nettoyant et dégraissant). On procède alors au dépôt chimique de cuivre qui sert de couche d'accrochage pour le dépôt électrolytique ultérieur. On procède ensuite au dépôt électrolytique du cuivre. La Figure 9 illustre de manière synoptique cette étape. Un générateur de courant pulsé permet via une cathode Ca, une anode An, un bain électrolytique BE et une recharge en cuivre Cu de déposer des ions Cu2+ dans les cavités 2, préalablement réalisées au niveau des substrats multicouches en céramique. Le contrôle de l'intensité du courant et du temps permet de maîtriser l'épaisseur du dépôt conducteur. On procède enfin au rinçage des substrats et à l'enlèvement du vernis de masquage. REVENDICATIONS 1. Substrat constitué d'une structure multicouches en céramique (1) comportant des interconnexions électriques et des composants intégrés, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, au moins une cavité (2) remplie d'un dépôt conducteur thermique (3) sur au moins une portion de sa profondeur, ledit dépôt conducteur étant destiné à constituer un puits thermique pour recevoir un composant de puissance. 2. Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt conducteur thermique est aussi un dépôt conducteur électrique. 3. Substrat selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier plan de masse (PM1, PM6) en contact avec le dépôt conducteur (3). 4. Substrat selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit premier plan de masse (PM1) est intégré dans le substrat. 5. Substrat selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers vias conducteurs (41) perpendiculaires au plan des couches céramiques reliant ledit premier plan de masse à la surface inférieure (SI) dudit substrat. 6. Substrat selon l'une des revendications 4 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un second plan de masse (PM2) à la surface inférieure (SI) dudit substrat. 7. Substrat selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité traverse la totalité de l'épaisseur du substrat et débouche sur un plan de masse épais (Pivis) présentant une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de microns. 8. Substrat selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre en surface des plages de connexions (PC). 9. Substrat selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des premières plages de connexions (PC1) en face supérieure destinées à être connectées à un composant de puissance en contact avec la cavité. 10. Substrat selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend des secondes plages de connexion (PC2) en face inférieure, connectées par des seconds vias conducteurs (42) aux premières plages de connexion (PC1). 11. Substrat selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dépôt conducteur à l'intérieur de la cavité est en cuivre. 12. Substrat selon les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que les premier et second plans de masse sont des plans métalliques comprenant des métaux ou des alliages de métaux, pouvant comprendre de l'argent, de l'or, du platine ou du palladium. 13. Module comprenant un substrat selon l'une des revendications 1 à 12 et caractérisé en ce qu'il comprend au moins un composant de puissance (5) en contact avec le dépôt conducteur dans ladite cavité. 14. Module selon la revendication 13, caractérisé en ce que le composant de puissance est relié par câblage filaire aux premières plages de connexions (PC1). 15. Module selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que le composant de puissance est à base de Silicium ou d'Arséniure de Gallium ou tout autre matériau semi-conducteur. 16. Module selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend un capot de protection (6) en contact avec la face supérieure du substrat, de manière à protéger le composant de puissance. 17. Module selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une couche de protection (6) en contact avec la face supérieure du substrat, de manière à protéger le composant de puissance. 18. Circuit électronique comprenant au moins un module selon l'une des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que le module est monté au niveau d'une face d'un circuit imprimé (7). 19. Circuit électronique selon la revendication 18, caractérisé en ce que le circuit imprimé comprend des vias conducteurs (71) dans une zone au moins en regard du dépôt conducteur (3) du substrat, de manière à assurer le drainage thermique depuis le composant de puissance jusqu'en face inférieure du circuit imprimé. 20. Procédé de fabrication d'un substrat selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la réalisation d'au moins une cavité à l'intérieur de la structure multicouches céramique ; - un dépôt métallique par voie électrolytique, en fond de cavité de manière à élaborer le dépôt conducteur ; 21. Procédé de fabrication selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la réalisation d'au moins une cavité à l'intérieur de la structure multicouches céramique ; - un dépôt métallique par voie électrolytique, en fond de cavité de manière à élaborer une première couche métallique d'accrochage d'épaisseur faible devant la profondeur de la cavité ; - un second dépôt métallique par voie électrolytique, à partir de la couche d'accrochage préalablement constituée, pour élaborer une seconde couche métallique d'épaisseur très supérieure à l'épaisseur de ladite première couche métallique. 22. Procédé de fabrication d'un substrat selon l'une des revendications 20 ou 21, caractérisé en ce qu'il comprend : - le dépôt préalable d'un matériau provisoire (MP) sur la face inférieure du substrat ; - la réalisation de la cavité sur l'ensemble de l'épaisseur du substrat multicouches céramique ; - le dépôt conducteur.