Brevet FR3089054A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : FABRICATION ADDITIVE DE CIRCUITS IMPRIMES EN 3D [0001] DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0002] La présente invention a trait au domaine des connexions de circuits électroniques et notamment celles réalisées sur un support isolant. Elle s'applique en particulier à la mise en oeuvre sur (les supports de circuits imprimés de structures de connexions 3D formées d'éléments conducteurs superposés. [0003] Un circuit imprimé est. typiquement formé d'un support isolant plan sur lequel des pistes conductrices réalisant des connexions entre composants sont agencées. Lc support isolant est usuellement sous forme d'un stratifié composite, obtenu par empilement d'un ou plusieurs matériaux isolants, par exemple à base de polymère. [0004] Pour former les pistes conductrices du circuit imprimé, un procédé consiste à recouvrir le support isolant d'une fine couche conductrice, typiquement en cuivre, dans laquelle des motifs sont gravés. Cette gravure de métal est généralement mise en oeuvre à l'aide de produits chimiques qui peuvent s'avérer néfastes pour l'Homme et l'environnement. Cette gravure de métal peut par ailleurs avoir tendance à altérer le support ou bien requérir de trouver une solution de gravure suffisamment sélective pour ne pas dégrader le support. [0005] Ces contraintes sont d'autant plus importantes lorsque l'on souhaite réaliser plusieurs niveaux de pistes conductrices superposées et que l'on est alors amené à réitérer plusieurs fois la gravure de métal. Exposé de l'invention 100061 Un mode de réalisation de la présente invention concerne un procédé de réalisation d'une structure de connexion formée d'éléments conducteurs superposés sur un support isolant comprenant des étapes de : - dépôt, sur un support isolant, d'un matériau donné de sorte à former au moins un premier bloc dudit matériau donné sur ce support, - exposition dudit premier bloc à un rayonnement lumineux cohérent de sorte à transformer ledit matériau donné en un matériau conducteur ou à augmenter la conductivité dudit matériau donné et former ainsi une première piste conductrice, - formation d'une deuxième piste conductrice sur et en contact de la première piste conductrice, la deuxième piste conductrice étant réalisée par dépôt dudit matériau donné de sorte à former au moins un deuxième bloc et exposition dudit deuxième bloc au rayonnement lumineux cohérent de sorte à former une deuxième piste à base dudit matériau conducteur. 2 [0007] Le matériau donné est formé typiquement d'un agent apte à être réduit ou décomposé tel que par exemple un matériau polymère ainsi que d'au moins une espèce métallique. [0008] On réalise ainsi des pistes conductrices superposées susceptibles de former un élément ou une structure de connexion. [0009] Avantageusement, le premier bloc déposé réalise un premier motif, tandis que le deuxième bloc déposé réalise un deuxième motif. On peut ainsi former la première piste conductrice et la deuxième piste conductrice suivant des motifs respectifs différents, sans nécessairement devoir graver ces pistes. [0010] Le premier bloc et le deuxième bloc peuvent être déposés sous forme liquide ou pâteuse à l'aide d'un équipement muni d'un organe de distribution. [0011] Dans ce cas, l'organe de distribution suit typiquement un premier parcours pour former le premier bloc et un deuxième parcours pour former le deuxième bloc. Lc premier parcours et le deuxième parcours suivent typiquement une trajectoire parallèle à un plan principal du support isolant. [0012] Avantageusement, le support isolant est disposé sur un plateau dudit équipement dé- plaçable orthogonalement par rapport audit plan principal du support. Un tel déplacement peut être prévu pour réaliser deux niveaux de pistes conductrices distincts. [0013] Selon un mode de réalisation particulier, le premier bloc et le deuxième bloc peuvent être formés par remplissage respectivement d'un premier trou et deuxième trou. Lc premier trou peut être agencé dans une couche isolante ou dans le support isolant. [0014] Le deuxième trou est typiquement agencé dans une autre couche isolante. Dans ce cas, on réalise avantageusement pour chaque niveau de piste, une passivation avant de réaliser les pistes conductrices elles-mêmes. [0015] Le dépôt du matériau donné peut être réalisé à l'aide d'un équipement permettant le déplacement d'un outil suivant une trajectoire pilotée par un dispositif numérique. [0016] De manière avantageuse, le dépôt du matériau donné est réalisé à l'aide d'un organe de distribution de matière agencé sur une imprimante 3D ou une machine CNC (CNC pour « Computer Numerical Control »). Un tel équipement peut permettre de réaliser une co-fabrication additive mécanique et de structure de connexion électrique, en utilisant un même équipement et permettre une intégration de pistes conductrices superposées à des supports isolants non-nécessairement plans. [0017] Le rayonnement lumineux cohérent peut quant à lui provenir d'une source laser. Cette source laser est, avantageusement, disposée sur le même équipement que l'organe de distribution du matériau donné, par exemple sur la même imprimante 3D ou la même machine CNC. [0018] Un mode de réalisation particulier prévoit que l'organe de distribution de matière est situé sur une structure mobile d'un équipement sur laquelle la source cohérente de rayonnement lumineux est également agencée. On peut ainsi prévoir d'utiliser une im- 3 primante 3D ou une machine CNC dans laquelle, sur une même structure mobile, l'organe de distribution du matériau donné et un laser sont co-intégrés. [0019] Avantageusement, la source laser émet selon une densité d'énergie comprise entre 1 et 20 J/cm2 et une longueur d'onde comprise entre 100 nm et 1000 nm. [0020] Un mode de réalisation particulier prévoit que le matériau donné est à base polymère conducteur ou métallique sous forme de pâte. Lc matériau donné peut contenir de l'oxyde de cuivre CuO, le premier bloc et deuxième bloc étant alors transformés en pistes de cuivre. [0021] Avantageusement, le support isolant est un support de circuit imprimé à base de polymère isolant. [0022] Un circuit imprimé formé d'une superposition composite obtenue par un empilement de couches isolantes et conductrices formant une structure de connexion 2D+Z peut être ainsi mise en oeuvre. [0023] On peut appliquer un procédé tel que défini plus haut à d'autres types de supports isolants, et en particulier à des pièces réalisées en 3 dimensions. Brève description des dessins [0024] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels [0025] [fig.1A] [0026] [fig.1B] [0027] [fig.1C] [0028] [fig. 1 D] [0029] [fig.1E] [0030] [fig. 1 F] [0031] [fig.1G] [0032] [fig.11-1] [0033] [fig.11] servent à illustrer un premier exemple de procédé de réalisation de pistes conductrices superposées sur un support isolant ; [0034] [fig.2] sert à illustrer une co-intégration sur une même structure ou une même pièce d'équipement, d'une source laser et d'un organe de distribution de matière sous forme liquide ou pâteuse ; [0035] [fig.3A] [0036] [fig.3B] [0037] [fig.3C] [0038] [fig.3D] [0039] [fig.3E] [0040] [fig.3F] [0041] [fig.3G] servent à illustrer un deuxième exemple de procédé de réalisation sur un support isolant de pistes conductrices superposées ; [0042] [fig.4A] [0043] [fig.4B] [0044] [fig.4C] [0045] [fig.4D] [0046] [fig.4E] servent à illustrer un troisième exemple de procédé de réalisation de pistes conductrices superposées sur un support isolant; [0047] En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation du dispositif tels qu'« horizontal », « vertical », « sous », « sur », s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les figures. [0048] Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. [0049] Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. [0050] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0051] Un exemple de procédé de réalisation d'une structure de connexion pour un circuit imprimé va à présent donné en liaison avec les figures 1A-1I. [0052] Le matériau de départ du procédé peut être un support isolant 1, par exemple un polymère isolant tel qu'une résine epoxy. [0053] Sur ce support 1, on dépose tout d'abord un matériau 3, ayant un constituant mé- tallique ou comportant une espèce métallique et qui est apte à être transformé en matériau conducteur par exposition à un rayonnement lumineux ou plus généralement, dont la conduction électrique est apte à être augmentée suite à l'exposition à un rayonnement lumineux. Le matériau 3 peut être sous forme d'une pâte ou d'un liquide tel qu'une encre comportant des particules ou des charges métalliques à base d'argent ou à base de cuivre. [0054] Avantageusement, le matériau 3 contient de l'oxyde de Cuivre ou un mélange de particules de Cuivre et d'oxyde de Cuivre et contient typiquement un agent apte à être réduit ou décomposé par exposition au rayonnement lumineux tel qu'une matrice polymère, par exemple à base d'Arninosilane. Le matériau 3 peut être amené à être transformé par exposition à un rayonnement lumineux selon un processus de réduction de type « photosintering » et élimination de la matrice polymère tel que cela est décrit par exemple dans le document « Photosintering and clectrical performance of CuO nanoparticle inks », de Paquet et al., Organic Electronics 15 (2014) 1836-1842. [0055] Le matériau 3 peut être déposé sous forme liquide, ou bien pâteuse, avec dans ce dernier cas, une consistance intermédiaire entre un liquide et un solide, au moyen d'un organe 102 de distribution de matière. Lors de la distribution de matériau 3, cet organe 102 est mobile relativement au support 1, et dans cet exemple se déplace, selon une première trajectoire, par rapport à un plateau 101 sur lequel le support 1 est disposé. Le déplacement de l'organe 102 peut être réalisé en particulier dans une ou plusieurs directions parallèles à un plan parallèle au plan principal du support, c'est-à-dire dans l'exemple illustré sur la figure 1A, un plan parallèle au plan [O ; x ; y] d'un repère orthogonal [O ; x ; y ; z]. Le plateau 101 sur lequel repose le support 1 peut lui-même être mobile, et en particulier dans une direction orthogonale au plan principal du support 1, autrement dit mobile en z. [0056] Le dépôt du matériau 3 n'est donc dans cet exemple pas réalisé sur tout le support 1 autrement dit n'est pas réalisé « pleine plaque », mais sur certaines régions du support 1 en formant un ou plusieurs blocs 12a, 12b suivant des motifs respectifs qui dépendent de celui de la ou des pistes conductrice(s) que l'on souhaite réaliser. [0057] L'organe 102 de distribution appartient typiquement au même équipement que la source de rayonnement lumineux destinée à transformer le matériau 3. [0058] Avantageusement, on utilise comme équipement de dépôt et de transformation du matériau 3, une imprimante 3D ou une machine-outil à commande numérique (CNC pour « computer numerical control ») dotée d'une commande numérique assurée par un ordinateur l'imprimante ou la machine étant munie d'une source cohérente de rayonnement lumineux. L'imprimante 3D ou la machine CNC employée peut être dotée d'une tête d'impression amovible ou interchangeable et remplacée par exemple par un élément de distribution de matière sous forme pâteuse ou liquide tel que par exemple une seringue à piston. [0059] Sur la figure 1B, une étape d'exposition du matériau 3 à un rayonnement R lumineux cohérent est représentée. Typiquement, la source de lumière cohérente est un laser 104, dont la longueur d'onde peut être comprise par exemple entre 100 nm et 1000 nm. Une source 104 lumineuse à large bande spectrale par exemple de l'ultraviolet à infrarouge tel qu'une source laser au Xenon peut être en particulier utilisée. La source lumineuse délivre un rayonnement sous forme d'impulsions selon une densité d'énergie qui peut être par exemple comprise entre 1 et 20 J/cm2. La puissance, la durée des impulsions, la distance focale sont adaptées en fonction des dimensions des blocs 12a, 12b que l'on souhaite transformer en matériau conducteur. On peut prévoir des pistes conductrices d'épaisseur comprise 5pm et 5nun, en particulier entre 10 pm et 70 pm et une largeur comprise par exemple entre 500 pm et 5 mm. Dans cet exemple, où le dépôt de 6 matériau 3 et l'exposition à une source cohérente pour transformer cc matériau 3 en matériau conducteur sont réalisés en deux étapes successives, la source laser 104 est déplacée relativement au support 1 en suivant la première trajectoire. [0060] Sur la figure 1C, des pistes conductrices 14a, 14h en métal, dans cet exemple en cuivre, et résultant de la transformation des blocs 12a. 12h sont obtenues à l'issue de l'exposition au laser 104. [0061] On peut alors former une couche isolante 11, par exemple en polymère isolant autour de ces pistes 12a, 12b. [0062] Sur ce premier niveau NI de pistes conductrices 14a, 14b entourées de matériau isolant 11, on réalise ensuite un deuxième niveau de pistes conductrices. [0063] Pour cela, on dépose le matériau 3 à l'aide dudit organe 102 de distribution (figure 1D), qui suit alors typiquement une trajectoire différente de celle suivie pour réaliser le premier niveau N1. On produit ainsi des blocs 22a, 22b de matériau 3 ayant des motifs respectifs différents de ceux du premier niveau NI. [0064] Ces blocs 22a, 22h sont ensuite exposés au rayonnement lumineux pour former des pistes conductrices 24a, 24b (figure 1E). [0065] Dans l'exemple illustré sur la figure 1F, les pistes conductrices 24a, 24h sont disposées sur et en contact respectivement, d'une piste conductrice 14a et d'une autre piste conductrice 14h du premier niveau NI, mais suivent un dessin différent de celui formé par ces dernières. [0066] On peut ensuite réaliser autour de ces pistes 24a, 24b une autre couche isolante 27, par exemple en polymère isolant. [0067] On peut ensuite réitérer la séquence d'étapes de dépôt de matériau 3 (figure 1G), d'exposition au rayonnement lumineux (figure 1H) si l'on souhaite réaliser au moins un troisième niveau N1 ou davantage de niveaux de pistes conductrices. [0068] Dans l'exemple de réalisation particulier illustré sur la figure II, on a formé une piste conductrice 34a sur et en contact de la deuxième piste conductrice 24a du deuxième niveau N2, elle-même sur et en contact de la piste conductrice 14a du premier niveau N (figure II). [0069] L'ensemble des pistes conductrices 14a, 24a, 34a superposées forme un élément de connexion 3D, c'est-à-dire composé de motifs conducteurs superposés différents. [0070] Dans l'exemple de procédé qui vient d'être donné, le dépôt du matériau 3 et l'exposition au rayonnement lumineux sont réalisées en étapes successives. On peut en variante, comme sur la représentation schématique de la figure 2, avantageusement cointégrer la source cohérente, en particulier le laser 104 et l'organe de distribution 102 sur une même structure 105 voire une même pièce d'équipement et permettre de réaliser ces étapes quasi concomitamment. On réalise dans ce cas, le dépôt et l'exposition en un seul déplacement relativement au support 101 de la structure 105 7 intégrant à la fois la source 104 de lumière cohérente et l'organe de distribution 102 de liquide. [0071] Selon une variante de réalisation du procédé décrit précédemment, on peut avanta- geusement prévoir de réaliser l'isolation latérale d'un niveau de pistes conductrices préalablement à la formation de ces dernières. [0072] Ainsi, dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 3A, on forme une couche isolante 11 sur le support 1 de départ. Cette couche, par exemple en matériau polymère, comporte un ou plusieurs trous 13a, 13h. [0073] On vient alors remplir de matériau 3 les trous 13a, 13h à l'aide de l'organe 102 de distribution qui suit alors une trajectoire qui dépend du motif des trous 13a, 13h (figure 3B). On expose le matériau 3 au laser 104 afin de réduire le matériau 3 et de le transformer en matériau conducteur (figure 3C). On obtient ainsi le premier niveau NI de pistes conductrices 14a, 14h (figure 3D). [0074] Puis, afin de former un deuxième niveau N2, on réitère la séquence précédemment décrite en formant une autre couche de matériau isolant 21, cette couche comportant un ou plusieurs trous 23a, 23h ayant typiquement un dessin différent de celui des trous 13a, 13h du premier niveau N, (figure 3E). On vient ensuite remplir de matériau 3 les trous 23a, 23h à l'aide de l'organe 102 de distribution qui suit alors une trajectoire qui dépend du motif des trous 23a, 23h (figure 3F). [0075] On expose le matériau 3 au laser afin de le transformer en matériau conducteur. On réalise ainsi un deuxième niveau N, de pistes conductrices 24a, 24b sur le premier niveau N, de pistes conductrices 14a, 14b (figure 3G). [0076] Selon une autre variante de réalisation, on peut former différents niveaux ou étages du circuit imprimé indépendamment les uns des autres, puis assembler ces étages ou niveaux en les superposant. [0077] Pour réaliser une telle variante, on peut partir de substrats élémentaires isolants 110, 120, 130, par exemple en polymère isolant de type résine epoxy, que l'on structure ensuite individuellement, par exemple par découpe laser, usinage, ou micro-fraisage. [0078] Ainsi dans l'exemple illustré sur la figure 4A cette structuration est telle que l'on réalise au moins un trou 113 dans un premier substrat 100 isolant, au moins un trou 123 dans un deuxième substrat 120 isolant, et au moins un trou 133 dans un troisième substrat 130 isolant. [0079] Puis, on remplit le trou 113 du premier substrat 110, le trou 123 du deuxième substrat 120, et le trou 133 du troisième substrat 130 à l'aide du matériau 3, en particulier à base d'oxyde cuivre. On forme ainsi un premier bloc 112 d'oxyde de cuivre dans le premier substrat 110, un deuxième bloc 122 d'oxyde de cuivre dans le deuxième substrat 120, et un troisième bloc 132 d'oxyde de cuivre dans le troisième substrat 130 (figure 4B). 8 [0080] Le premier bloc 112, le deuxième bloc 122, et le troisième bloc 132, suivent ty- piquement des motifs respectifs différents et sont ensuite exposés au rayonnement de la source cohérente afin de former une première piste 115 de cuivre dans le premier substrat 110, une deuxième piste 125 de cuivre dans le deuxième substrat 120, et une troisième piste 135 de cuivre dans le troisième substrat 30 (figures 4C et 4D). [0081] On réalise ensuite un assemblage des substrats 110, 120, 130 typiquement en les su- perposant et en compressant l'ensemble. Une colle qui peut être par exemple à base de cyanoacrylate ou polychloroprène ou époxy peut être utilisée pour assurer un maintien solidaire de l'assemblage. [0082] L'assemblage est tel que les pistes conductrices 115, 125, 135 sont disposées sur et en contact les unes des autres de manière à former au moins un élément de connexion composé de motifs conducteurs superposés (figure 4D). [0083] Dans l'un ou l'autre des exemples de procédé qui viennent d'être décrits, les pistes conductrices typiquement à base de cuivre, sont réalisées sans étape de gravure métallique, notamment du fait que les blocs de matériau 3 réalisés suivent typiquement le même motif que les pistes conductrices obtenues par insolation de ces blocs. [0084] Selon une variante des exemples qui viennent d'être donnés, on peut prévoir de déposer le matériau 3 sous forme d'une couche dont on vient ensuite insoler une région seulement, suivant un motif donné correspondant à celui de la piste conductrice que l'on envisage de réaliser. [0085] L'un ou l'autre des exemples de procédé qui viennent d'être décrits s'appliquent à la réalisation de structures conductrices, en particulier de structures de connexion pour circuit imprimé. On peut également appliquer le procédé suivant l'invention à une fonctionnalisation de pièces isolantes plastiques ou en matériau composite par exemple telle qu'utilisées dans l'automobile, l'aéronautique, l'électroménager et mettre en oeuvre pour ces pièces des structures de connexion ou connectiques débouchantes. [0086] Dans l'un ou l'autre des exemples de réalisation décrits précédemment, la réalisation des pistes peut être effectuée au moyen d'une imprimante 3D ou d'une machine CNC munie d'un organe de distribution 102de matière et d'une source lumineuse 104, par exemple de type laser. Le trajet de l'organe 102 et/ou du laser 104 pour réaliser un circuit peut être dans ce cas piloté au moyen de fichier numérique typiquement généré à l'aide d'un outil de conception assisté par ordinateur destiné aux circuits électroniques, tel que par exemple OrCADTM de la société Cadence Design Systems, ou tel que par exemple l'outil EagleTM de la société Autodesk. Le fichier numérique utilisé par l'équipement peut également résulter de la fusion de fichiers d'outils de conception de circuits et d'outils de conception de pièces mécanique tel que par exemple l'outil SolidWorksTM ou l'outil CatiaTmde la société Dassault Systèmes. [0087] Le procédé suivant l'invention peut ainsi s'appliquer à d'autres supports et d'autres 9 couches de passivation que le support de circuits imprimé et couches de passivation évoquées précédemment, et en particulier à des supports isolants sous forme de matières isolantes déformables ou flexibles, de textile, ainsi qu'à des pièces de bois, céramique, cuir, pièce métallique passives, objets de de grande consommation fonctionnalisés, objets connectés, ou à des dispositifs électroniques enfouis dans un emballage isolant ou une protection isolante vis-à-vis de contraintes d'environnement particulières (hauteur température, humidité, agressions physico-chimiques et sollicitations mécaniques en surface) et que l'on souhaite pourvoir de connexions. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]