Brevet FR2906644A1 — publié le 20080404

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONNEXION DE CIRCUITS ELECTRONIQUES ET/OU OPTOELECTRONIQUES 10 La présente invention concerne un procédé et un dispositif de connexion de circuits électroniques et/ou optoélectroniques. Elle concerne particulièrement le domaine des télécommunications sur fibre optique. On connaît des dispositifs de connexion de circuits électroniques mettant en oeuvre 15 des nappes souples portant des pistes conductrices, ces nappes étant reliées aux circuits électroniques, par exemple par collage avec une colle conductrice. Cependant, la souplesse de ces nappes est limitée et l'encombrement de la nappe est très important, notamment dans le domaine de la microélectronique où les composants sont très miniaturisés. 20 D'autres dispositifs mettant en oeuvre des pattes rigides ou des micro-billes permettent de réaliser des connexions entre des circuits électroniques parallèles mais ne permettent pas de réaliser des connexions entre des circuits électroniques perpendiculaires entre eux. Les connecteurs électriques formant un angle entre leurs interfaces présentent un 25 encombrement important. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de connexion de circuits électroniques et/ou optoélectroniques, caractérisé en ce qu'il comporte : deux circuits disposés perpendiculairement autour d'une ligne de jonction, 30 - sur chaque circuit, un ensemble de pistes conductrices en regard de la ligne de jonction, ces pistes se trouvant au bord du circuit sur au moins l'un des circuits et un pont de matériau fusible conducteur entre les pistes à connecter, réalisé par fusion dudit matériau préalablement disposé sur au moins l'une des 35 pistes à connecter, ledit matériau en fusion se répandant sur lesdites pistes à connecter sous l'effet de sa tension superficielle et de la capillarité des pistes. 2906644 2 On observe que, au moins au sens de la présente invention, le terme circuits électroniques couvre aussi les circuits optoélectronique , c'est-à-dire les circuits alliant l'optique et l'électronique. Grâce à ces dispositions, des connexions miniatures peuvent être réalisées en 5 mettant en oeuvre des technologies connues sous le nom de flip-chip . La connexion ainsi réalisée est miniature, solide et permet la connexion de circuits perpendiculaires entre eux. Compte tenu de l'épaisseur standard des composants (500 à 900 pm), la manipulation, la préhension et le positionnement ne présentent aucun problème avec les outils conventionnels. Selon des caractéristiques particulières, le matériau fusible est de l'Indium, un alliage d'indium ou un alliage d'étain. Grâce à ces dispositions, la température de fusion du matériau fusible est assez basse et réduit le risque d'endommager les circuits ou les composants qu'ils portent. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte, en outre, dans l'un desdits circuits, une tranchée dans laquelle le bord de l'autre circuit se positionne. Grâce à ces dispositions, l'appui mécanique d'un circuit sur l'autre est rigidifié. Selon des caractéristiques particulières, l'un, au moins, desdits circuits comporte un composant optoélectronique et une fibre optique en regard dudit composant optoélectronique. Grâce à ces dispositions, la présente invention peut s'adapter à des circuits optoélectroniques et, en particulier, à l'utilisation de laser VCSELs (acronyme de Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Selon des caractéristiques particulières, le dispositif tel que succinctement exposé ci-dessus comporte, en outre, une cale disposée, par rapport aux ponts de matériaux fusible, de l'autre côté de l'un desdits circuits. Grâce à ces dispositions, l'appui mécanique d'un circuit sur l'autre est rigidifié sans gêner la réalisation des ponts. Selon des caractéristiques particulières, ladite cale porte ladite fibre optique. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de connexion de circuits électroniques et/ou optoélectroniques, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de positionnement de deux circuits perpendiculairement autour d'une ligne de jonction, de telle manière que, sur chaque circuit, un ensemble de pistes conductrices se trouvent en regard de la ligne de jonction et d'une piste correspondant sur l'autre circuit, ces pistes se trouvant au bord du circuit sur au moins l'un des circuits, - une étape de dépôt de matériau fusible conducteur sur au moins une partie desdites pistes et 2906644 3 - une étape de fusion dudit matériau fusible pour que, sous l'effet de sa tension superficielle et de la capillarité des pistes, se constitue un pont de matériau fusible conducteur entre les pistes à connecter. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de dépôt, on effectue le 5 dépôt de matériau fusible sur le support à basse température par évaporation du matériau fusible. Grâce à ces dispositions, on évite les hautes températures et les risques d'endommager les circuits ou les composants qu'ils portent. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de dépôt, on dépose un matériau fusible à base d'Indium, d'un alliage d'indium ou d'un alliage d'étain. Grâce à ces 10 dispositions, la température de fusion du matériau fusible est assez basse et réduit le risque d'endommager les circuits ou les composants qu'ils portent. Selon des caractéristiques particulières, au cours de l'étape de positionnement, on positionne le bord de l'un des circuits dans une tranchée de l'autre circuit. Grâce à ces dispositions, l'appui mécanique d'un circuit sur l'autre est rigidifié. 15 Selon des caractéristiques particulières, le procédé tel que succinctement exposé ci-dessus comporte une étape de positionnement d'une fibre optique en regard d'un composant optoélectronique porté par un desdits circuits. Grâce à ces dispositions, la présente invention peut s'adapter à des circuits optoélectroniques et, en particulier, à l'utilisation de laser VCSELs. 20 Selon des caractéristiques particulières, le procédé tel que succinctement exposé ci-dessus comporte une étape de positionnement d'une cale disposée, par rapport aux ponts de matériau fusible, de l'autre côté de l'un desdits circuits. Grâce à ces dispositions, l'appui mécanique d'un circuit sur l'autre est rigidifié. D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de 25 la description qui va suivre, faite, dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement, en élévation, une fibre optique et une cale solidarisées en vue du montage d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, 30 - la figure 2 représente schématiquement, en coupe, un circuit optoélectronique portant un laser en vue du montage d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, la figure 3 représente schématiquement, en coupe, un circuit électronique destiné à être relié au circuit optoélectronique illustré en figure 2, 35 la figure 4 représente, schématiquement et partiellement, en coupe, le dispositif objet de la présente invention intégrant les éléments illustrés aux figures 2 et 3, avant re-fusion, 2906644 4 la figure 5 représente schématiquement, en élévation, le circuit illustré en figure 2 après mise en position d'assemblage, la figure 6 représente, schématiquement et partiellement, en coupe, le dispositif objet de la présente invention intégrant les éléments illustrés aux figures 2 et 3, 5 et la figure 7 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes de réalisation du dispositif illustré en figure 6. On rappelle que, au moins au sens de la présente invention, le terme circuits électroniques couvre aussi les circuits optoélectronique , c'est-à-dire les circuits alliant 10 l'optique et l'électronique. On observe, en figure 1, un cale 105 guidant une fibre optique 110 et consolidant l'assemblage des circuits. La cale 105 peut être constitué en silicium et donc être réalisée par les techniques conventionnelles de la microélectronique. Son positionnement peut être réalisé par collage 15 ou par bille d'indium pour un positionnement très précis. La fibre optique 100, dont seule l'extrémité droite est représentée dans les figures, dépasse, à droite, de la cale 105 d'une longueur correspondant à un peu moins que l'épaisseur d'un circuit optoélectronique illustré en figure 2. Le diamètre de ce perçage 120 est légèrement supérieur à celui de la fibre optique. On observe que ce perçage 120 peut 20 avoir une forme conique pour relaxer les contraintes de positionnement des pièces, le diamètre le plus faible de ce cône, le plus proche de celui du composant optique, contrôlant ainsi la précision mécanique. On observe, en figures 2 et 5, un circuit optoélectronique 115 portant un laser VCSEL 125 par l'intermédiaire de billes 130 et d'une couche de résine 135, en regard d'un 25 perçage 120 mentionné ci-dessus. Le circuit optoélectronique 115 porte des pistes 150 d'alimentation et de commande du laser 125. Comme on l'observe en figure 5, les pistes conductrices 150 sont recouvertes de matériau diélectrique en dehors de zones 165. Ce matériau diélectrique interdit au matériau fusible conducteur 160 de mouiller les pistes 150 en dehors des zones 165, lors de la re- 30 fusion du matériau fusible conducteur 160. Le dépôt du matériau fusible 160 est effectué par évaporation à basse température, selon des techniques connues. Préférentiellement, la forme de l'ouverture du diélectrique pour arriver au niveau du métal et la forme des zones 165 sont rectangulaires. On observe en figure 3, un circuit électronique 140 comportant une tranchée 145 et 35 portant des pistes conductrices 155. Chaque piste conductrice 155 porte du matériau fusible conducteur 160 et, en dehors de la zone garnie du matériau 160, un diélectrique adapté à éviter que le matériau 160 ne mouille cette partie de la piste 155. 2906644 5 On retrouve, en figures 4 et 6 le circuit 115 doté d'un perçage 120, le laser 125 placé en regard du perçage 120, les billes 130, la couche de la résine 135, les pistes conductrices 150, d'une part, et le circuit 140 comportant la tranchée 145 et portant les pistes conductrices 155 et le matériau fusible conducteur 160, d'autre part. Le circuit 115 5 est redressé, par rapport à sa configuration en figure 2, pour prendre sa position d'assemblage au circuit 140, en extrémité de la tranchée 145 afin que les pistes conductrices portées par les deux circuits soient en regard et à proximité l'une de l'autre. Préférentiellement, les zones des pistes conductrices non recouvertes de matériau diélectrique présentent une forme rectangulaire, pour que la surface des ces zones qui se 10 trouvent en regard en position d'assemblage soit maximale. Sur les figures 4 et 6, une flèche A représente la direction de vision de la figure 5. Réciproquement, sur la figure 5, un trait de coupe et des flèches B représente le plan de coupe de la figure 4. En figure 4, la re-fusion du matériau fusible conducteur 160 n'ayant pas encore eu 15 lieu, celui-ci se trouve uniquement sur les pistes conductrices 155. En revanche, après re-fusion, comme illustré en figure 6, le matériau fusible conducteur 160 forme un pont de matériau conducteur fusible 160 qui relie électriquement les pistes 150 aux pistes 155. En variante, un photorécepteur, par exemple une photodiode, remplace le laser 125. 20 Préférentiellement, un photorécepteur est muni d'une couche antireflet sur toute sa surface en regard de la fibre optique. Les circuits 115 et 140 sont, par exemple, en matériaux en semi-conducteur, par exemple en silicium, où sont préalablement intégrées les lignes d'interconnexions nécessaires au fonctionnement des composants électroniques. D'autres types de matériaux 25 sont possibles pour constituer les circuits, tels que le carbure de silicium, le nitrure d'aluminium, le nitrure de gallium, le quartz ou le diamant compatibles avec la réalisation, sur une au moins des faces du support, de pistes conductrices (non représentées) adaptées à la propagation d'un signal électrique hyperfréquence. Pour la fabrication du circuit 115, on l'équipe, préalablement, de pistes électriques 30 permettant la propagation d'un signal hyperfréquence et de plots métallisés permettant le report par technologie flipûchip de divers composants électroniques et optoélectroniques, en particulier un composant optoélectronique, laser ou photorécepteur. De la même manière, le circuit 140 porte le circuit de commande du composant optoélectronique et un ou plusieurs composants électroniques (circuits intégrés) 35 nécessaires à la commande du composant optoélectronique ou à la conversion du signal détecté si le composant est un photorécepteur, ainsi que les composants électroniques passifs nécessaires à leur fonctionnement (non représentés). 2906644 6 Pour réaliser chacun des ponts en matériau fusible conducteur, on effectue ainsi d'abord le dépôt d'une piste servant de support, en regard de la ligne de jonction entre les pistes des circuits 115 et 140. Ce dépôt est connu dans la technologie de type flip-chip. Puis, on effectue le dépôt 5 de matériau fusible sur le support à basse température par évaporation du métal (indium, indium-étain, AuSn ou autre alliage eutectique). On fait ensuite fondre le matériau fusible et celui-ci prend spontanément la forme d'un pont, sous l'effet des forces de tension superficielle et de la capillarité des pistes. Dans le cas de l'indium la formation des ponts, la température pour rendre l'indium liquide est comprise entre 160 et 175 C. 10 Ces techniques impliquent différentes étapes technologiques de résinage, lithographie, ouverture des zones de contact, dépôt du matériau fusible (indium par exemple) et formatage des billes, ces étapes étant connues de l'homme du métier. Le composant est ensuite enrobé avec un polymère conducteur thermique et isolant électrique de manière à assurer un maintien mécanique. La réalisation des billes de 15 soudure ainsi que les méthodes d'enrobage sont décrites dans les procédés relatifs aux brevets US 5,496,769 et FR 9615348. L'utilisation d'un report de type flip-chip est motivé par les bonnes performances hyperfréquence de cette technologie. On observe, en figure 7, différentes étapes permettant de réaliser le dispositif illustré 20 en figures 3 et 4. Au cours d'une étape 505, on réalise le perçage 120 dans le circuit 115. Au cours d'une étape 510, on munie le circuit 115 de pistes conductrices 150 et de plots destinés à supporter le composant optoélectronique 125 et on munie le circuit 140 de pistes conductrices 155 et de composants de commande nécessaires au fonctionnement 25 du composant optoélectronique destiné à être porté par le circuit 115. Au cours d'une étape 515, on effectue un dépôt par évaporation sous vide d'un matériau fusible conducteur sur les plots du circuit 115 et sur les zones prévues à cet effet sur les pistes conductrices 155, après avoir déposé un matériau photorésistant diélectrique en dehors des zones où l'on souhaite que le matériau fusible se dépose. 30 Au cour d'une étape 520, on fait fondre le matériau fusible qui prend alors la forme de billes conductrices calibrées. Au cours d'une étape 525, on positionne le composant optoélectronique 125 sur les billes fondue. On obtient alors un auto-alignement du composant optoélectronique 125 et la soudure de ce composant 125 sur le circuit 115. 35 Au cours d'une étape 530, on remplit de résine 135 l'espace séparant le composant optoélectronique 125 et le circuit 115, ladite résine possédant un indice optique adapté pour limiter ou éviter les problèmes optiques aux différentes interfaces. On observe que cet enrobage de résine évite une nouvelle fusion lors de l'étape 540 décrite plus loin. 2906644 7 Au cours d'une étape 535, on positionne le circuit 115 en regard du circuit 140 de telle manière que son bord portant les pistes conductrices 150 vienne dans la tranchée 145 formé dans le circuit 140 et qu'une partie de ses pistes conductrices 150 vienne en regard des pistes conductrices 155 correspondantes du circuit 140 placées au bord de la tranchée 5 145. Les circuits 115 et 140 sont alors respectivement dans la position illustrée en figure 4. Au cour d'une étape 540, on fait fondre le matériau fusible qui prend alors la forme de ponts conducteurs entre les pistes conductrices des deux circuits 115 et 140, comme illustré en figure 6. Au cours d'une étape 545, on positionne la cale 105 et on insère la fibre optique 110 10 dans le perçage 120 et on assemble le circuit 115 et la fibre optique 110 guidée par la cale 105. Dans des modes de réalisation, la fibre optique 110 est portée par un porte-fibre ou canule dont la fibre optique dépasse. Pour la cale 105, le maintien sur le circuit 140 et, éventuellement sur le circuit 115, est préférentiellement assuré par collage (par exemple avec des colles qui se rétractent thermiquement). 15 Ainsi, dans le mode de réalisation du procédé objet de la présente invention illustré en figure 7, on assemble le circuit 115 au circuit 140, puis on positionne la cale 105 qui sert de guide à la fibre optique 110. Dans d'autres modes de réalisation, on assemble d'abord la cale 105 à l'un des circuits puis on procède à l'assemblage des circuits. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de connexion de circuits (115, 140) électroniques et/ou optoélectroniques, caractérisé en ce qu'il comporte : - deux circuits disposés perpendiculairement autour d'une ligne de jonction, sur chaque circuit, un ensemble de pistes (150, 155) conductrices en regard de la ligne de jonction, ces pistes se trouvant au bord du circuit sur au moins l'un des dits circuits et - un pont (160) de matériau fusible conducteur entre les pistes à connecter, réalisé par fusion dudit matériau préalablement disposé sur au moins l'une des pistes à connecter, ledit matériau en fusion se répandant sur lesdites pistes à connecter sous l'effet de sa tension superficielle et de la capillarité des pistes. 2 û Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau fusible (160) est de 15 l'indium, un alliage d'indium ou un alliage d'étain. 3 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, dans l'un desdits circuits (140), une tranchée (145) dans laquelle le bord de l'autre circuit (115) se positionne. 4 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'un, 20 au moins, desdits circuits (115, 140) comporte un composant optoélectronique (125) et une fibre optique (110) en regard dudit composant optoélectronique. 5 û Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une cale (105) disposée, par rapport aux ponts de matériaux fusible (160), de l'autre côté de l'un desdits circuits (115). 25 6 û Dispositif selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ladite cale (105) porte ladite fibre optique (110). 7 - Procédé de connexion de circuits électroniques et/ou optoélectroniques, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape de positionnement (535) de deux circuits (115, 140) 30 perpendiculairement autour d'une ligne de jonction, de telle manière que, sur chaque circuit, un ensemble de pistes (150, 155) conductrices se trouvent en regard de la ligne de jonction et d'une piste correspondant sur l'autre circuit, ces pistes se trouvant au bord du circuit sur au moins l'un des circuits, 35 une étape de dépôt (515) de matériau fusible (160) conducteur sur au moins une partie desdites pistes et 2906644 9 une étape de fusion (540) dudit matériau fusible pour que, sous l'effet de sa tension superficielle et de la capillarité des pistes, se constitue un pont de matériau fusible conducteur entre les pistes à connecter. 8 ù Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de dépôt 5 (515), on effectue le dépôt de matériau fusible (160) sur le support à basse température par évaporation du matériau fusible. 9 ù Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de dépôt (515), on dépose un matériau fusible (160) à base d'Indium, d'un alliage d'indium ou d'un alliage d'étain. 10 10 ù Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que, au cours de l'étape de positionnement (535), on positionne le bord de l'un des circuits (115) dans une tranchée (145) de l'autre circuit. 11 ù Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de positionnement (545) d'une fibre optique (110) en regard d'un 15 composant optoélectronique (125) porté par un desdits circuits (115). 12 ù Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de positionnement (545) d'une cale (105) disposée, par rapport aux ponts de matériau fusible (160), de l'autre côté de l'un desdits circuits (115).