Brevet FR3025879A1 — publié le 20160318

CAPTEUR A ULTRASON DE VEHICULE AUTOMOBILE POUR MESURE DE DISTANCE, PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT ET UTILISATION DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un capteur à ultrason de véhicule automobile pour mesure de distance et son procédé de fabrication. Elle concerne également l'utilisation de ce capteur à ultrason dans un véhicule automobile. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. Il existe de nombreuses réalisations de capteurs à ultrasons pour les applications dans des véhicules automobiles. Ces applications ont par exemple pour objet d'assister le conducteur d'un véhicule automobile dans des manoeuvres de stationnement en mesurant une distance à un obstacle éventuel. Dans ce but, les capteurs à ultrasons comprennent un transducteur ultrasonore au moyen duquel des signaux ultrasonores sont émis et reçus successivement. Ce transducteur est placé dans un boîtier avec une carte électronique pourvue de l'électronique appropriée, qui est agencé, par exemple dans un pare choc du véhicule. Le boîtier comporte un connecteur pour réaliser des liaisons électriques avec le réseau électrique de bord et un bus de données. Un tel capteur à ultrason est notamment décrit dans la demande de brevet américain US20070277615 au nom de la société VALEO SCHALTER UND SENSOREN. La technologie de la carte électronique de ce capteur est celle d'un circuit 25 imprimé avec des composants actifs et passifs montés en surface. Du fait de la présence de composants sur les deux faces du circuit imprimé, le transducteur doit être monté sur un support au dessus des composants. Il en résulte une hauteur importante et une moindre résistance aux chocs. Il existe donc un besoin pour un capteur à ultrason plus plat et plus robuste 30 s'intégrant facilement dans les véhicules automobiles, et notamment dans les pare-chocs. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc à satisfaire ce besoin avec un capteur à 3025879 - 2 - ultrason de véhicule automobile pour mesure de distance du type de ceux comprenant: - un boîtier muni d'un connecteur électrique; - au moins un transducteur ultrasonore; 5 - une carte électronique de pilotage de ce transducteur ultrasonore agencée à l'intérieur du boîtier et formée par un circuit imprimé supportant des composants actifs et des composants passifs. Selon l'invention, les composants actifs comprennent des composants actifs intégrés complètement enfouis dans un substrat du circuit imprimé et les 10 composants passifs comprennent des composants passifs intégrés également complètement enfouis dans ce substrat. Dans le capteur à ultrason selon l'invention, les composants actifs et les composants passifs comprennent des composants à montage en surface disposés uniquement sur une face du circuit imprimé et le transducteur est monté sur une 15 face opposée. Selon l'invention, les composants actifs intégrés et les composants passifs intégrés comportent des contacts de cuivre reliés par des microvias à des pistes de cuivre du circuit imprimé. Selon l'invention encore, les composants actifs intégrés comprennent au 20 moins une puce de silicium nue. Dans le capteur à ultrason selon l'invention, cette puce est un ASIC. Dans le capteur à ultrason selon l'invention encore le transducteur ultrasonore est formé d'une pastille piézoélectrique. L'invention concerne également un procédé de fabrication du capteur à 25 ultrason de véhicule automobile pour mesure de distance décrit ci-dessus, qui comprend une étape générale de réalisation d'une carte électronique comportant un circuit imprimé et des composants électroniques. Cette étape générale comprend selon l'invention: - une étape préliminaire de prétraitement d'au moins un des composants 30 électroniques formant ultérieurement au moins un composant intégré enfoui dans le circuit imprimé; - une première étape de perçage au laser de repères sur des couches de cuivre formant ultérieurement partie de ce circuit imprimé; - une deuxième étape d'impression d'au moins une des couches de cuivre avec un 35 matériau diélectrique; 3025879 - 3 - - une troisième étape de placement du composant intégré sur le matériau diélectrique; - une quatrième étape d'empilage et de pressage des couches de cuivre et de couches de substrat organique comportant au moins un évidement recevant ce 5 composant intégré; - une cinquième étape de perçage au laser; - une sixième étape de perçage mécanique; - une septième étape de purification; - une huitième étape de métallisation pour former des vias et des microvias 10 comportant une première phase d'imageage, une deuxième phase de déposition de cuivre et une troisième phase de décapage et de gravure; - une neuvième d'inspection automatique; - une étape aval de traitement de ce substrat organique. L'étape générale du procédé de fabrication du capteur à ultrason selon 15 l'invention comprend en outre une première étape supplémentaire de montage uniquement sur une première face du circuit imprimé d'au moins un des composants électroniques de type composant à montage en surface. Selon l'invention, l'étape générale du procédé comprend en outre une seconde étape supplémentaire de collage d'au moins une pastille piézoélectrique 20 sur une seconde face opposée à la première face et de connexion par des fils de liaison souples de cette pastille piézoélectrique aux microvias correspondants. Le capteur à ultrason de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'invention est avantageusement utilisé dans un système d'aide au stationnement ou de freinage d'urgence. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par ce capteur à ultrason par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont 30 d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 montre capteur à ultrason de véhicule automobile connu de l'état 35 de la technique. 3025879 - 4 - La Figure 2 montre schématiquement un capteur à ultrason de véhicule automobile selon l'invention. La Figure 3 illustre le procédé de fabrication selon l'invention d'une carte électronique du capteur à ultrason montré sur la Figure 2, notamment du circuit 5 imprimé. DESCRIPTION D'UN MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION. Le type de capteur à ultrason concerné par le mode de réalisation préféré de 1"invention est montré sur la Figure 1. 10 De manière connue en soi, ce capteur à ultrason 1, destiné à être intégré dans un pare-choc de véhicule automobile, comprend un boîtier 2 et un connecteur électrique 3 protégeant un transducteur ultrasonore 4, qui est dans cet exemple, un transducteur à membrane. Une carte électronique 5, formée par un circuit imprimé supportant des 15 composants à montage en surface (CMS) 7, pilote le transducteur à membrane 4 pour l'émission d'impulsions ultrasonores et leur réception après réflexion sur un obstacle éventuel dans un rayon de quelques mètres. De manière connue en soi également, une distance entre cet obstacle et le capteur à ultrason 1 est calculée par la carte électronique 5 à partir du temps de vol 20 aller-retour de ces impulsions. Dans ce capteur 1 connu de l'état de la technique, le circuit imprimé 6 est de technologie classique double face, c'est-à-dire à deux couches de cuivre séparées par un substrat isolant. Les composants CMS 7 passifs (résistances, condensateurs, inductances...) 25 et les composants actifs, tels que notamment un ASIC ( acronyme de "Application Specific Integrated Circuit" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Circuit Intégré Spécifique à une Application") sont montés sur les deux faces du circuit imprimé 6, et empêchent le montage du transducteur à membrane 4 directement sur le circuit imprimé 6. Le transducteur à membrane 4 est monté dans la carte électronique 5 sur un support 8 et relié au circuit imprimé 5 par des broches traversantes 9 Ce type montage présente les inconvénients d'être encombrant et peu fiable, surtout si le capteur à ultrason 1 est intégré dans le pare choc du véhicule, qui, par définition, est soumis à des chocs. 3025879 - 5 - Dans le capteur à ultrason 10 selon l'invention montré schématiquement sur la Figure 2, l'enfouissement de certains des composants actifs 11 et passifs 12 des composants 7 de la carte électronique 13 dans le circuit imprimé 14 permet de libérer une face opposée à la face où sont montés les composants CMS 7 pour 5 monter le transducteur ultrasonore, qui est ici une pastille piézoélectrique 15. De la sorte, le boîtier 16 du capteur à ultrason 10 selon l'invention et le connecteur électrique 17 forment un ensemble compact plus plat que le capteur à ultrason conventionnel 1. Ce boîtier 16 et ce connecteur 17 sont fabriqués par injection plastique, de 10 manière connue en soi. Le capteur à ultrason selon l'invention est réalisé en assemblant avec le boîtier 16 la carte électronique 13 fabriquée au cours d'une étape générale de réalisation illustrée par la Figure 3. Dans une étape préliminaire 17, les composants électroniques 11, 12 15 destinés à être enfouis dans un substrat organique 18 du circuit imprimé 14 sont soumis à une préparation particulière. Les composants actifs 11 sont intégrés dans le circuit imprimé 14 sous la forme de puce à semi-conducteur (généralement du silicium) nue 11. La préparation particulière des puces 11 est faite sur la galette complète afin de 20 réaliser une couche de redistribution 19 en cuivre qui permettra de réaliser les interconnexions avec des pistes 20 du circuit imprimé 14 par l'intermédiaire de microvias métallisés 21. Cette préparation est effectuée en salle blanche. Le routage de la couche de redistribution 19 est réalisé en prenant en compte des distances d'isolement nécessaires entre les signaux pour éviter les 25 problèmes d'électromigration et aussi pour permettre l'ajout de zones de cuivre facilitant la dissipation thermique de la puce 11 vers le substrat 18. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, une seule puce 11 de type ASIC réalisant toutes les fonctions d'émission- réception du capteur à ultrason 10 est intégrée dans le substrat organique 18. 30 En ce qui concerne les composants passifs 12 (résistances, condensateurs, inductances...) destinés à être enfouis dans le substrat organique 18 du circuit imprimé 14, ceux-ci sont de même munis de terminaisons 19 en cuivre. Dans une première étape 22 de perçage au laser on réalise des repères 23 sur les couches de cuivre 24 qui formeront ultérieurement partie du circuit 35 imprimé 14. 3025879 - 6 - Dans une deuxième étape 25, on imprime ces couches de cuivre 24 avec un matériau diélectrique 26 de façon à isoler les composants enfouis 11, 12 en dehors des zones de connexions 19. Dans une troisième étape 27, on place les composants 28 destinés à être 5 enfouis sur le matériau diélectrique 26 imprimé. L'opération consistant à coller une puce 11 sur une couche de cuivre 24 est aussi effectuée en salle blanche. Dans une quatrième étape 29, on empile les couches de cuivre 24 et des couches du substrat organique 18 dans lesquelles ont été prévus des évidements 30 recevant les composants enfouis 11, 12. 10 Dans une cinquième étape 31, on perce au laser la ou les couches de cuivre 24 et le matériau diélectrique 26 en regard des zones de connexions 19 des composants enfouis 11, 12 de manière à mettre celles-ci à nue 32 en vue de la réalisation ultérieure des microvias métallisés 21. Dans une sixième étape 33, on perce mécaniquement des trous 34 dans les 15 couches de cuivre et les couches du substrat 18 en vue de la réalisation ultérieure des vias métallisés 35. Dans une septième étape 36, on élimine les impuretés 32 résultant du perçage par laser au cours de la cinquième étape 31. Dans une huitième étape 37 de métallisation, on réalise les microvias 21 et 20 les vias 35 au cours d'une première phase 38 d'imageage, d'une deuxième phase 39 de déposition de cuivre et d'une troisième phase 40 de décapage et de gravure. Une neuvième étape 41 d'inspection automatique par des moyens de vision industrielle permet de vérifier la conformité du circuit imprimé 14 à un modèle de référence. 25 Une étape aval 42 effectue un traitement du substrat organique 18 et une finition du circuit imprimé 14. Dans une première étape supplémentaire (non illustrée), la carte électronique 13 est pourvue de composants actifs et passifs 7 à montage en surface uniquement sur une première face du circuit imprimé 14. 30 Cette disposition permet de laisser libre une seconde face opposée à la première pour le collage de la pastille piézoélectrique 15 dans une seconde étape supplémentaire. Au cours de cette seconde étape supplémentaire, la pastille piézoélectrique 15 est connectée à l'ASIC 11 par des fils de liaison souples 43 soudés sur les 3025879 - 7 - microvias correspondants 21 (technique connue de l'homme de métier sous le nom de "bonding"). Le collage de la pastille piézoélectrique 15 directement sur le circuit imprimé 14 et cette technique de "bonding" permettent de raccourcir la longueur des 5 connexions par rapport au montage avec support 8 du capteur à ultrason conventionnel 1. De ce fait, les effets parasites sont limités et le comportement CEM (compatibilité électromagnétique) est amélioré. Une amélioration des performances CEM résulte aussi de l'enfouissement de 10 certains des composants électroniques 11, 12 de la carte, notamment l'ASIC 11, car les deux couches de cuivre 24 externes du circuit imprimé 14 font office de blindage. La connexion des composants intégrés 28 étant réalisée au moyen d'une métallisation de cuivre, la carte électronique 13 est plus robuste aux chocs qu'une 15 carte électronique conventionnelle 5 où tous les composants 7 sont soudés à l'étain. En effet, la soudure à l'étain est la défaillance la plus critique en fiabilité électronique. Compte tenu de l'utilisation du capteur à ultrason 10 selon l'invention dans un système d'aide au stationnement ou de freinage d'urgence, c'est-à-dire dans des 20 applications où le capteur à ultrason 10 est monté dans les pare chocs du véhicule, l'homme de métier doit résoudre des problèmes liés à l'humidité et à l'aspersion d'eau ou d'éléments corrosifs (polluants). Leur intégration dans le circuit imprimé 14 permet de protéger les composants actifs 11 les plus importants contre ces agressions. 25 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas au seul mode d'exécution préférentiel décrit ci-dessus. Notamment, le type de transducteur ultrasonore 15 peut être différent d'une pastille piézoélectrique, par exemple de type piézorésistif, magnétostrictif, capacitif ou impulsion- écho, et le circuit de pilotage peut être différent d'un ASIC 11, par 30 exemple il peut être formé d'un microcontrôleur et d'un circuit de puissance. L'invention embrasse donc toutes les variantes possibles de réalisation, dans la mesure où les caractéristiques de ce capteur à ultrason 10 ne sortent pas du cadre fixé par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Capteur à ultrason (1, 10) de véhicule automobile pour mesure de distance du 5 type de ceux comprenant: - un boîtier (2, 16) muni d'un connecteur électrique (3, 17); - au moins un transducteur ultrasonore (4, 15); - une carte électronique (5, 13) de pilotage dudit transducteur ultrasonore (4, 15) agencée à l'intérieur dudit boîtier (2, 16) et formée par un circuit imprimé (6, 14) 10 supportant des composants actifs (7, 11) et des composants passifs (7, 12); caractérisé en ce que lesdits composants actifs (7, 11) comprennent des composants actifs intégrés (11) complètement enfouis dans un substrat (18) dudit circuit imprimé (14) et en ce que lesdits composants passifs (7, 12) comprennent des composants passifs intégrés (12) complètement enfouis dans ledit substrat. 2. Capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits composants actifs (7, 11) et lesdits composants passifs (7, 12) comprennent des composants à montage en surface (7) disposés uniquement sur une face dudit circuit imprimé (14) et en ce que ledit 20 transducteur (15) est monté sur une face opposée. 3. Capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 précédentes, caractérisé en ce que lesdits composants actifs intégrés (11) et lesdits composants passifs intégrés (12) 25 comportent des contacts de cuivre (19) reliés par des microvias (21) à des pistes de cuivre (20) dudit circuit imprimé (14). 4. Capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que 30 lesdits composants actifs (11) intégrés comprennent au moins une puce (11) de silicium nue. 5. Capteur à ultrason de véhicule automobile pour mesure de distance selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite puce (11) est un ASIC. 6. Capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, caractérisé en ce que ledit transducteur ultrasonore (15) est formé d'une pastille piézoélectrique (15). 7) Procédé de fabrication du capteur à ultrason (1, 10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes du type de ceux comprenant une étape générale de réalisation d'une carte électronique (5, 13) comportant un circuit imprimé (6, 14), et des composants électroniques (7, 11, 12), caractérisé en ce ladite étape générale comprend: - une étape préliminaire (17) de prétraitement d'au moins un desdits composants électroniques (7, 11, 12) formant ultérieurement au moins un composant intégré (11, 12, 28) enfoui dans ledit circuit imprimé (14); - une première étape (22) de perçage au laser de repères (23) sur des couches de 15 cuivre (24) formant ultérieurement partie dudit circuit imprimé (14); - une deuxième étape (25) d'impression d'au moins une desdites couches de cuivre (24) avec un matériau diélectrique (26); - une troisième étape (27) de placement dudit composant intégré (28) sur ledit matériau diélectrique (26); 20 - une quatrième étape (29) d'empilage et de pressage desdites couches de cuivre (24) et de couches de substrat organique (18) comportant au moins un évidement (30) recevant ledit composant intégré (11, 12, 28); - une cinquième étape (31) de perçage au laser; - une sixième étape (33) de perçage mécanique; 25 - une septième étape (36) de purification; - une huitième étape (37) de métallisation pour former des vias (35) et des microvias (21) comportant une première phase d'imageage (38), une deuxième phase (39) de déposition de cuivre et une troisième phase (40) de décapage et de gravure; 30 - une neuvième étape (41) d'inspection automatique; - une étape aval (42) de traitement dudit substrat organique. 8) Procédé de fabrication du capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite étape 35 générale comprend en outre une première étape supplémentaire de montage 3025879 - 10 - uniquement sur une première face dudit circuit imprimé (14) d'au moins un desdits composants électroniques (7) de type composant à montage en surface. 9) Procédé de fabrication du capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour 5 mesure de distance selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite étape générale comprend en outre une seconde étape supplémentaire de collage d'au moins une pastille piézoélectrique (15) sur une seconde face opposée à ladite première face et de connexion par des fils de liaison (43) souples de ladite pastille piézoélectrique (15) auxdits microvias (21) correspondants. 10 10) Utilisation du capteur à ultrason (10) de véhicule automobile pour mesure de distance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes dans un système d'aide au stationnement ou de freinage d'urgence.