Brevet FR3077825A1 — publié le 20190816

PROCEDE DE METALLISATION DE TROUS D'UN MODULE ELECTRONIQUE PAR DEPOT EN PHASE LIQUIDE Le domaine de l'invention est celui des circuits électroniques, qu'il s'agisse de circuits imprimés (Printed Circuit Board ou PCB) ou de modules électroniques 3D c'est-à-dire ayant plusieurs niveaux de composants empilés. Certains modules électroniques (PCB ou 3D) sont munis de trous percés verticalement c'est-à-dire selon l'épaisseur du module. En effet, un circuit imprimé ou un module 3D comporte plusieurs niveaux horizontaux comportant des composants et des conducteurs électriques ; les trous métallisés souvent désignés vias traversent ces niveaux et permettent ainsi de connecter verticalement ces conducteurs entre eux par contact entre les trous métallisés et les sections de ces conducteurs affleurant au niveau des trous. Dans la suite on désigne par trou, un trou borgne (non traversant ou « blind hale » en anglais) ou un trou traversant. Bien sûr un module électronique peut comporter des trous borgnes et des trous traversants. On utilise depuis l'origine la technologie de dépôt chimique sans courant pour métalliser ces trous et obtenir une couche métallique, avec éventuellement une étape de recharge électrochimique pour compléter la couche métallique alors désignée couche d'accrochage. Les progrès du dépôt chimique sans courant font qu'il est possible de déposer une couche de plusieurs microns sans passer par le dépôt électrochimique. Il est connu de métalliser des trous par dépôt en phase liquide en immergeant le circuit imprimé ou le module électronique 3D dans un liquide comportant des composés métalliques qui libèrent des atomes métalliques venant se déposer sur les parois des trous pour former la couche métallique voulue. La métallisation des parois de trous par dépôt en phase liquide, devient d'autant plus difficile que les trous ont un petit diamètre (horizontal) comparativement à leur profondeur (verticale). Le diamètre des trous intervient directement dans le rendement de dépôt ; on considère plus particulièrement des trous de petits diamètres, c'est-à-dire de 80 pm ou plus. Des PCB ou des modules 3D peuvent avoir des épaisseurs de 1 à plusieurs millimètres d'épaisseur. Des ratios de forme R entre la profondeur du trou et son diamètre, supérieurs à 10 peuvent donc être atteints. 2 Plus le ratio de forme R entre la profondeur du trou et son diamètre s'accroît, plus la difficulté pour métalliser régulièrement ses parois en épaisseur et en composition s'accentue. Un ratio de forme R atteignant 10 pour un trou dont le diamètre serait de 100 pm est considéré comme 5 impossible à réaliser. Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un procédé donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes 10 de métallisation de trous à facteur de forme R>10 et notamment de petits diamètres, d'un module électronique. Le procédé selon l'invention est basé sur un dépôt en plusieurs couches. 15 Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de dépôt en phase liquide de couches métalliques dans des trous d'un module électronique disposé dans une enceinte hermétique, à partir d'un liquide chimique à composés métalliques destinés à former une couche métallique. Il est principalement caractérisé en ce que les trous ont une profondeur P et 20 un diamètre D tels que D>80 pm et P/D > 10, et en ce que le procédé comporte au moins un cycle comportant les sous-étapes suivantes : - M1) Mise sous une pression prédéterminée PO de l'enceinte et remplissage de l'enceinte par le liquide, - M2) Dégazage des trous par mise sous une pression réduite P1 de 25 l'enceinte, avec Pi 10, le liquide remplissant chaque trou n'est pas renouvelé ou brassé comme dans une installation classique pour PCB ayant des trous à facteur de forme R 10) n'est pas uniforme selon son épaisseur et l'épaisseur de cette couche est limitée. 5 La solution selon l'invention est basée sur un renouvellement du liquide à l'intérieur des trous. Ainsi plusieurs couches métalliques uniformes vont être déposées les unes sur les autres, à raison d'une nouvelle couche par renouvellement du liquide, pour finalement obtenir sur les parois de chaque trou, une couche finale (= somme des couches déposées les unes 10 sur les autres) d'épaisseur et de concentration uniformes. On va à présent décrire plus en détail le procédé de métallisation selon l'invention. Le module électronique (PCB ou module 3D) 10 muni de trous 11 de profondeur P (selon l'épaisseur e du module) et de diamètre D, est tout d'abord placé horizontalement ou verticalement dans une enceinte 15 hermétique 1 comme on peut le voir figure 4. Un cycle Cyc de sous-étapes séquentielles indiquées figure 2 est alors effectué : M1) Mise sous pression PO de l'enceinte, par exemple la pression atmosphérique (PO=Pa) ou une pression supérieure ; en effet, le fait de 20 pouvoir accroitre la pression au-dessus de la pression atmosphérique a les avantages suivants : accroissement de la conductivité électrique du dépôt et de sa vitesse de dépôt. Après la mise sous pression PO de l'enceinte, remplissage de l'enceinte 1 par un liquide chimique à composés métalliques destinés à former la couche métallique ; les composés métalliques sont 25 typiquement des composés de cuivre ou de nickel ou d'aluminium ou d'autres métaux. M2) Une fois l'enceinte 1 remplie, dégazage des trous 11 immergés dans le liquide 4 par abaissement de la pression PO à P1 dans l'enceinte, la pression P1 étant maintenue pendant une durée prédéterminée pour réaliser ce 30 dégazage, la différence de pression (PO - P1) étant d'environ 50 à 100 mbars. Une différence de pression plus importante éliminerait trop de liquide par évaporation. M3) Remise de l'enceinte 1 à la pression PO, et remplissage de l'enceinte avec le liquide 4, 6 M4) Action du liquide sur le module et ses trous, soit en l'occurrence opération dite de dépôt chimique en phase liquide comme réalisé habituellement pour la métallisation des PCB ; ce dépôt est effectué pendant une durée permettant que la concentration en composés de la couche 5 déposée soit uniforme : l'opération est donc stoppée juste avant que la concentration en composés du liquide 4 ne commence à baisser, M5) Vidage du liquide 4 de l'enceinte 1, M6) Evaporation « explosive » du liquide 4 piégé dans les trous 11 : une dépression importante (PO - P2) pouvant atteindre plusieurs centaines de 10 mbars (on a par exemple 500 mbars 0 150 bars, Pa étant la pression atmosphérique égale à environ 1000 mbars. Ces étapes sont avantageusement réalisées en utilisant le même 10 équipement 100 dont un exemple est décrit en relation avec la figure 4. Il comporte : - Une enceinte hermétique 1 dans laquelle est placé le module électronique 10 (circuit imprimé ou module électronique 3D) qui comprend des trous 11 (sur la figure on a représenté des trous 11 15 borgnes) ; plusieurs circuits imprimés ou modules 3D peuvent être installés dans l'enceinte 1. - Une réserve à vide 2 régulée en pression et connectée à une pompe à vide 21 assortie d'une vanne 22 et reliée à l'enceinte 1 à travers un piège à liquide 23 et un tuyau 24 muni d'une vanne 25. 20 Un réservoir 3 de liquide (ce liquide 4 varie selon l'étape à réaliser comme indiqué précédemment) commandé par une pompe à liquide 31 assortie d'une vanne 32, relié à l'enceinte par un tuyau 33 de vidage de l'enceinte muni d'une vanne 34 et un tuyau 35 de remplissage de l'enceinte. D'une étape à l'autre le liquide 4 utilisé est le liquide spécifique de 25 l'étape. Pour les cycles successifs de l'étape M de métallisation, le liquide 4 qui est le liquide chimique à composés métalliques, est renouvelé. Réaliser ces étapes (A à E et M) dans un équipement fermé, c'est-à-dire sans contact avec l'extérieur, conduit aux avantages industriels suivants : pas de pollution dans les locaux et donc, pas d'aspiration et de 30 traitement de l'air REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt en phase liquide de couches métalliques dans des trous (11) d'un module électronique (10) disposé dans une enceinte hermétique (1), à partir d'un liquide (4) chimique à composés métalliques destinés à former une couche métallique, caractérisé en ce que les trous ont une profondeur P et un diamètre D tels que D>80 pm et P/D > 10, et en ce que le procédé comporte au moins un cycle (Cyc) comportant les sous-étapes suivantes : - M1) Mise sous une pression prédéterminée PO de l'enceinte et remplissage de l'enceinte par le liquide, - M2) Dégazage des trous par mise sous une pression réduite P1 de l'enceinte, avec Pi 2. Procédé de dépôt de couches métalliques selon la revendication précédente, caractérisé en ce que préalablement au premier cycle (Cyc), il comporte une sous-étape (MO) de séchage des trous par mise sous une pression réduite Pmin de l'enceinte, avec Pmin 3. Procédé de dépôt de couches métalliques selon la revendication précédente, caractérisé en ce que préalablement à la sous-étape de séchage (MO), il comporte plusieurs étapes préalables de préparation qui sont dans l'ordre : - A) nettoyage des trous réalisée avec un liquide (4) de nettoyage, - B) gravure de sections de conducteurs interceptées par les trous, avec un liquide (4) de gravure, 11 - C) pré-trempage avec un liquide (4) de pré-trempage, - D) activation des parois des trous avec un liquide (4) catalyseur, - E) réduction dans un bain réducteur avec un liquide (4) réducteur. 5 4. Procédé de dépôt de couches métalliques selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque étape préalable (A, B, C, D, E) comprend les sous-étapes suivantes réalisées avec un liquide (4) spécifique de ladite étape préalable : - séchage des trous par mise sous une pression réduite Pmin de 10 l'enceinte, avec Pmin 5. Procédé de dépôt de couches métalliques selon la revendication 25 précédente, caractérisé en ce qu'il comprend entre chaque étape préalable (A, B, C, D, E), une sous-étape de rinçage de l'enceinte. 6. Procédé de dépôt de couches métalliques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression PO est 30 la pression atmosphérique. 7. Procédé de dépôt de couches métalliques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composés métalliques sont des composés de cuivre ou de nickel ou d'aluminium. 35 12 8. Procédé de dépôt de couches métalliques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des trous (11) sont borgnes. 5 9. Dispositif de mise en oeuvre du procédé de dépôt de couches métalliques selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte hermétique (1) configurée pour recevoir au moins un module électronique (10) comportant des trous (11), 10 - une réserve à vide (2) régulée en pression, connectée à une pompe à vide (21) et reliée à l'enceinte (1) par un piège (23) à liquide, - un réservoir (3) du liquide (4) commandé par une pompe à liquide (31), et relié à l'enceinte (1) par un tuyau de remplissage (35) et un 15 tuyau de vidage (33). 20 25 30 35