Brevet FR3059201A1 — publié le 20180525

CIRCUIT IMPRIMÉ À ISOLATION RENFORCÉE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des circuits imprimés et notamment de leur utilisation pour la conversion d'énergie. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La réalisation d'équipements électriques et électroniques, notamment dans les systèmes mécatroniques, les systèmes électroniques et les logiciels critiques en aéronautique, conduit à utiliser des technologies permettant une forte flexibilité de conception, ainsi qu'un haut niveau d'intégration avec une maturité et une fiabilité démontrées. La technologie des circuits imprimés usinés (CIU) répond à ces attentes. Les circuits imprimés sont également connus de l'homme du métier sous le terme anglais PCB pour « printed circuit board » et sont parfois désignés par le terme de « carte de circuit imprimé ». On rappelle qu'un circuit imprimé est un multicouche comprenant au moins deux couches conductrices (généralement en cuivre) et au moins une couche diélectrique disposé entre les couches conductrices. Lorsque le circuit imprimé ne comporte que deux couches conductrices, on parle de circuit imprimé double face ; le circuit imprimé est dit multicouche lorsqu'il comporte plus de deux couches conductrices. La ou les couches diélectriques utilisées pour séparer les couches conductrices sont généralement un stratifié en fibres de verre ayant une matrice en résine époxyde, voire en polyimide, en PET ou en PTFE. On précisé que dans le cadre de la présente demande, une couche conductrice est une couche électriquement conductrice, par exemple une couche métallique. 3059201 2 Etant largement utilisés dans tous les domaines industriels, les circuits imprimés usinés sont extrêmement connus et d'importants travaux de recherches sont menés afin de repousser leurs limites. L'une de ces limites est leur utilisation pour des niveaux de tension supérieurs à 500 V. 5 D'autre part, les composants discrets de puissance (tels que les MOSFET, IGBT, etc.), aptes à réaliser une fonction de commutation de type interrupteur statique, permettent d'atteindre des niveaux de performances et d'intégration importants. Leur implémentation sur un substrat de type CIU peut limiter cette intégration par plusieurs facteurs : 10 - l'augmentation du volume d'intégration : la distance d'isolation interne recommandée entre deux potentiels est important (500 um pour une tension de 500 V). Cette distance est liée à la capacité du matériau isolant (non homogène dans le cas d'un composite de type stratifié) à tenir, sans se dégrader, un champ important de plusieurs milliers de Volt par millimètre (V/mm) ; 15 - la diminution des performances électriques : une distance importante entre deux potentiels engendre une inductance parasite importante. Si ces deux potentiels sont soumis à des commutations rapides, en particulier par l'usage de commutateurs rapides tels que les technologies type MOS ou les nouvelles technologies type GaN ou SiC, une surtension importante peut apparaitre, ce qui dégrade les 20 performances électriques des commutateurs, voire peut amener la destruction des semi- conducteurs des commutateurs par un effet de claquage électrique. Aujourd'hui, la norme utilisée pour définir ces distances d'isolement entre deux potentiels est souvent l'IPC 2221, qui définit la distance d'isolation en interne (e) d'un CIU suivant la règle suivante : 25 - si 301 500 V, e = 250um + (U-500) x 2,5 urn/V Par exemple, si U = 600 V, l'épaisseur recommandée (e) entre deux couches est de 500 um et si U = 1000 V, l'épaisseur recommandée (e) entre deux couches est de 1500 um. 3059201 3 Sachant qu'un CIU standard a une épaisseur comprise entre 1,6 et 2,4 mm et est généralement limitée à 3,2 mm pour respecter des contraintes industrielles, le nombre de couches d'un CIU est fortement limité ce qui, pour des tensions supérieures à 500 V, est une forte contrainte à l'usage de la technologie des CIU 5 pour la conversion d'énergie. Comme nous l'avons signalé plus haut, l'isolant diélectrique utilisé dans les CIU est essentiellement un matériau composite à matrice polymère en résine époxyde (voire exceptionnellement de polyimide, de PET ou de PTFE) renforcé avec des fibres de verre tissé, le tout formant un stratifié. Les propriétés diélectriques de ce matériau 10 composite peuvent être influencées par les facteurs suivants : - le fait que le matériau composite est non homogène ; - l'éventuelle présence de bulle au cours du processus de polymérisation de la matrice polymère ; - une tolérance sur la quantité de polymère utilisée dans la matrice, ce 15 qui conduit à une tolérance sur l'épaisseur de la couche en matériau composite ainsi obtenue ; - des contaminations diverses (poussières, etc.). Les inventeurs se sont fixé comme but de renforcer l'isolation électrique d'un circuit imprimé pour le rendre utilisable pour la conversion d'énergie et notamment 20 pour une utilisation à une tension supérieure ou égale à 500 V. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ce but est atteint par un circuit imprimé comportant au moins une première et une deuxième couche conductrice séparées l'une de l'autre par une première couche diélectrique réalisée dans un premier matériau composite de type préimprégné 25 pour circuit imprimé, le circuit imprimé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - au moins une deuxième couche diélectrique réalisée dans un deuxième matériau, le deuxième matériau étant un polymère présentant une rigidité diélectrique supérieure à celle du premier matériau; 3059201 4 - au moins une troisième couche diélectrique réalisée dans le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé; la première et la troisième couche diélectrique entourant la deuxième couche diélectrique, et la première et la deuxième couche conductrice étant séparées 5 l'une de l'autre par l'empilement formé par les première, deuxième et troisième couches diélectriques. On entend ci-dessus et dans le reste de la description par « matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé » les matériaux composites préimprégnés standards utilisés pour former les couches isolantes des circuits imprimés. 10 Ainsi, un tel « matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé » est généralement sélectionné dans le groupe comportant les composites à matrice en résine époxyde, polyimide, PTE ou PTFE renforcée par des fibres de verre, notamment des stratifiés du type FR4 pour « flame resistant 4 » en anglais. Les couches diélectriques de type préimprégné sont des couches 15 adhésives électriquement isolantes, qui sont plus connues sous le terme anglais de « prepreg ». Un pré-imprégné est composé d'une résine thermodurcissable, généralement une résine époxyde, qui imprègne un renfort, généralement un tissu. Le principe de l'invention repose sur l'intégration d'une couche diélectrique en polymère (homogène) entre deux couches diélectriques en matériau 20 composite (non homogène). Cela permet d'accroitre la robustesse de l'assemblage vis-à- vis de la contrainte électrique et apporte les gains suivants : - une isolation qui ne dépend pas du processus de fabrication des couches en matériau composite (indépendant de la qualité du processus de polymérisation, de l'éventuelle présence de corps étrangers, de bulles, etc.), puisque la 25 couche diélectrique en polymère est en un matériau homogène ; - une diminution du volume d'intégration et donc une densification du circuit imprimé par le choix du matériau de la couche diélectrique en polymère ; en choisissant un polymère ayant d'excellentes propriétés de tenues diélectriques (notamment une rigidité diélectrique élevée), on peut diminuer l'épaisseur des couches diélectriques entre les couches conductrices du circuit imprimé ; 3059201 5 - une maitrise du dimensionnement des durées de vie vis-à-vis du vieillissement des isolants diélectriques du circuit imprimé soumis à un champ électrique ; - une maitrise des propriétés diélectriques des couches diélectriques, en particulier pour les applications hautes fréquences ou à forte vitesse de variation de la 5 tension (fort dV/dt) ; - une solution d'isolation intégrée présentant des propriétés diélectriques supérieures à celles d'un circuit imprimé standard formé de deux couches conductrices séparées par une unique couche diélectrique en composite de résine renforcée de fibres de verre. 10 De préférence, le deuxième matériau a une rigidité diélectrique au moins deux fois supérieure à celle du premier matériau. Il est bien entendu que ce rapport de grandeur des rigidités diélectriques des premier et deuxième matériaux s'entend pour des rigidités diélectriques mesurées avec un même appareillage de mesure et dans les mêmes conditions opératoires. Avantageusement, le premier matériau a une 15 rigidité diélectrique d'au moins 400 V/mm. De préférence, le deuxième matériau a une rigidité diélectrique d'au moins 1000 V/mm. Selon une première variante de l'invention, l'empilement séparant la première et la deuxième couche conductrice est constitué uniquement des première, 20 deuxième et troisième couches diélectriques. Selon une deuxième variante de l'invention, l'empilement séparant la première et la deuxième couche conductrice comporte, outre les première, deuxième et troisième couches diélectriques, une quatrième couche diélectrique réalisée dans le deuxième matériau et une cinquième couche diélectrique réalisée dans le premier 25 matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé, la quatrième couche diélectrique étant disposée entre la troisième et la cinquième couche diélectrique. Le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé peut être un composite d'une résine durcissable et d'un renfort fibreux. Avantageusement, le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit 3059201 6 imprimé est un composite de résine époxyde renforcée de fibres de verre, de préférence de type FR-4. Avantageusement, le deuxième matériau est choisi parmi les polymères thermodurcissables et les polymères thermoplastiques, de préférence choisi parmi un 5 polypropylène (PP), un polyéthylène téréphtalate (PET), un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un polyétheréthercétone (PEEK), un polyéthercétonecétone (PEKK), un polyétheréthercétoneéthercétone (PEEKEK), un polyimide (PI) et un polymère à cristaux liquides (LCP). De préférence, les couches diélectriques en premier matériau ont une 10 même épaisseur. De préférence, le circuit imprimé selon l'invention est destiné à une utilisation en conversion d'énergie pour des tensions nominales supérieures à 120 V, de préférence supérieures à 500 V. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une carte 15 de circuit imprimé, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - fournir une deuxième couche diélectrique réalisée dans un deuxième matériau, le deuxième matériau étant un polymère présentant une rigidité diélectrique supérieure à celle du premier matériau ; - fournir une première et une troisième couche diélectrique réalisées 20 dans un premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé, les première et troisième couches diélectriques entourant la deuxième couche diélectrique ; - former une première et une deuxième couche conductrice, la première et la deuxième couche conductrice étant séparées l'une de l'autre par l'empilement formée par les première, deuxième et troisième couche diélectrique et étant ainsi 25 également séparée l'une de l'autre par une première couche diélectrique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de 3059201 7 réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un exemple, selon une vue en coupe, d'un circuit imprimé double face standard ; 5 - la figure 2 représente, selon une vue en coupe, un premier exemple de réalisation d'un circuit imprimé double face selon l'invention ; - la figure 3 représente, selon une vue en coupe, un deuxième exemple de réalisation d'un circuit imprimé double face selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 10 Pour des raisons technologiques, les épaisseurs des couches isolantes de diélectrique de type préimprégné (« prepreg ») sont supérieures ou égales à 35 um. Les épaisseurs standards sont approximativement à 50, 90, 70, 100, 120, 150 et 200 um. Pour des raisons de facilité de mise en oeuvre, les couches diélectriques en polymère permettant d'assurer la tenue diélectrique doivent avoir une épaisseur 15 supérieure à 10 um afin de pouvoir être implémentés facilement entre les couches de tissus de verre imprégnés de résine (« prepreg ») et pour pouvoir supporter le processus de pressage utilisé au cours de la fabrication du circuit imprimé (fortes pressions de plusieurs MPa, à des températures généralement comprises entre 150 et 180°C, sous vide poussé). 20 La ou les couches diélectrique en polymère doivent répondre à des contraintes techniques particulières, telles qu'avoir d'excellentes tenues diélectriques (au minima, une tenue en régime permanent de 1000 V/mm ; à titre indicatif, la norme IPC 2221 définit une tenue du composite « prepreg » verre-résine époxyde FR4 à 400 V/mm) afin d'assurer une bonne tenue aux contraintes environnementales telles que la prise 25 d'humidité et la température. Pour illustrer l'invention, nous allons comparer les distances d'isolation standard (épaisseur e) en fonction de la tension suivant la norme IPC 2221 et selon l'invention. Les résultats sont regroupés dans le tableau ci-dessous. On rappelle que les abréviations utilisées signifient : 3059201 8 FR4: acronyme technique pour désigner un composite ayant une matrice en résine époxyde renforcée d'un tissu de fibres de verre tissé ; BOPP : polypropylène bi-orienté. Tension Epaisseur suivant IPC 2221 Epaisseur suivant l'invention Gain 550 V e = 0,25 + (550-500) Pour un empilement isolant composé de : 0,375 - 0,2, soit 0,175 mm par couche d'isolant standard x 0,0025 = 0,375 mm - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; - une couche de BOPP (100 Mun) de 20 um, assurant la tenue diélectrique ; - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; l'épaisseur finale e est de 0,2 mm (90 um + 90 um +20 um) 600 V e = 0,25 + (600-500) x 0,0025 = 0,5 mm Pour un empilement isolant composé de : 0,5 - 0,2, soit 0,300 mm par couche d'isolant standard - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; - une couche de BOPP (100 Mun) de 20 um, assurant la tenue diélectrique (peut tenir une tension de 1000 V) ; - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; l'épaisseur finale e est de 0,2 mm 900 V e = 0,25 + (900-500) x 0,0025 = 1,25 mm Pour un empilement isolant composé de : 0,5 - 0,2, soit 1,05 mm par couche d'isolant standard - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; - une couche de BOPP (100 Mun) de 20 um, assurant la tenue diélectrique (en l'occurrence, peut tenir une tension de 1000 V) ; - une couche de FR4 de 90 um, assurant le maintien mécanique ; l'épaisseur finale e est de 0,2 mm Dans la figure 1 est représenté un exemple de solution standard de circuit imprimé 10. Le circuit imprimé 10 est un multicouche formé de deux couches 3059201 9 conductrices 1 et 2 (par exemple, en cuivre) qui prennent en sandwich une couche isolante en matériau diélectrique 3 de type « prepreg » (par exemple, FR4). Pour une tension de 600 V et selon la norme IPC 2221, la couche de matériau diélectrique 3 de type « prepreg » (FR4) doit avoir une épaisseur (e) de 500 um. 5 Dans la figure 2 est représenté un exemple de solution à isolation renforcée pour une tension de 600 V. Le circuit imprimé 100 est un multicouche formé de deux couches conductrices 1 et 2 (par exemple, en cuivre) qui prennent en sandwich un empilement 4 formé de deux couches isolantes 5 et 7 en matériau diélectrique de type « prepreg » (par exemple, FR4) et d'une couche diélectrique 6 en polymère (par exemple, 10 en polypropylène (PP)), la couche diélectrique 6 en polymère étant disposée entre les couches diélectriques 5 et 7 (FR4). L'épaisseur totale (e) des couches d'isolation 5, 6, 7 (épaisseur de l'empilement 4) est donc : deux couches FR4 de 90 um et une couche de PP de 20 um, soit 200 um. On notera que, pour des tensions inférieures à 500 V, le gain (qui est de 15 50 um de gain par couche d'isolant standard (soit une couche diélectrique de type « prepreg ») pour une tension de 500 V) n'est pas pertinent vis-à-vis du surcoût du procédé de fabrication. Cependant, cette solution peut apporter une justification technologique vis-à-vis de l'isolation électrique entre deux potentiels, si une application particulière l'exige (par exemple, dans le cas d'une exigence d'une double isolation ou 20 d'une isolation renforcée au sens de la norme IEC 61010) par l'implémentation d'une barrière isolante multicouche composée de deux matériaux diélectrique distincts pour des applications à plus faibles tensions (U REVENDICATIONS1. Circuit imprimé (100) comportant au moins une première (1) et une deuxième (2) couche conductrice séparées l'une de l'autre par une première couche diélectrique (5) réalisée dans un premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé, le circuit imprimé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre : - au moins une deuxième couche diélectrique (6) réalisée dans un deuxième matériau, le deuxième matériau étant un polymère présentant une rigidité diélectrique supérieure à celle du premier matériau; - au moins une troisième couche diélectrique (7) réalisée dans le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé; la première (5) et la troisième (7) couche diélectrique entourant la deuxième couche diélectrique (6), et la première (1) et la deuxième (2) couche conductrice étant séparées l'une de l'autre par l'empilement (4) formé par les première (5), deuxième (6) et troisième (7) couches diélectriques. 2. Circuit imprimé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau a une rigidité diélectrique au moins deux fois supérieure à celle du premier matériau. 3. Circuit imprimé selon la revendication 2, dans lequel le premier matériau a une rigidité diélectrique d'au moins 400 V/mm. 4. Circuit imprimé selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel le deuxième matériau a une rigidité diélectrique d'au moins 1000 V/mm. 5. Circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'empilement (4) séparant la première (1) et la deuxième (2) couche conductrice 3059201 12 est constitué uniquement des première (5), deuxième (6) et troisième (7) couches diélectriques. 6. Circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans 5 lequel l'empilement (4) séparant la première (1) et la deuxième (2) couche conductrice comporte en outre une quatrième (8) couche diélectrique réalisée dans le deuxième matériau et une cinquième (9) couche diélectrique réalisée dans le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé, la quatrième (8) couche diélectrique étant disposée entre la troisième (7) et la cinquième (9) couche diélectrique. 10 7. Circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé est un composite de résine époxyde renforcée de fibres de verre, de préférence de type FR4. 15 8. Circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le deuxième matériau est choisi parmi les polymères thermodurcissables les polymères thermoplastiques, de préférence parmi un polypropylène, un polyéthylène téréphtalate, un polytétrafluoroéthylène, un polyétheréthercétone, un polyéthercétonecétone, un polyétheréthercétoneéthercétone, un polyimide et un 20 polymère à cristaux liquides. 9. Circuit imprimé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les couches diélectriques en premier matériau ont une même épaisseur. 25 10. Procédé de fabrication d'un circuit imprimé, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : - fournir une deuxième couche diélectrique réalisée dans un deuxième matériau, le deuxième matériau étant un polymère présentant une rigidité diélectrique supérieure à celle du premier matériau ; 3059201 13 - fournir une première et une troisième couche diélectrique réalisées dans un premier matériau composite de type préimprégné pour circuit imprimé, les première et troisième couches diélectriques entourant la deuxième couche diélectrique ; - former une première et une deuxième couche conductrice, la première 5 et la deuxième couche conductrice étant séparées l'une de l'autre par l'empilement formée par les première, deuxième et troisième couche diélectrique et étant ainsi également séparée l'une de l'autre par une première couche diélectrique.