Brevet FR3152928A1 — publié le 20250314

L’invention porte sur un interposeur coaxial hyperfréquences destiné à être disposé entre deux éléments hétérogènes, comprenant : un circuit imprimé (1) ; au moins un contact diffus (2) de forme cylindrique, inséré dans un trou (3) dans une plaque (4) formant cale et guide isolant pour le contact diffus (2), le contact diffus (2) débouchant en contact sur une portion (1a) du circuit imprimé en une extrémité (2a), et débouchant du trou (3) en son autre extrémité (2b) ; une piste RF (5) dans le circuit imprimé (1) débouchant en une extrémité (5a) au fond du trou (3) de la plaque (4) en vis-à-vis du contact diffus (2), et configurée pour être en contact avec le contact diffus (2), et débouchant en son autre extrémité (5b) sur la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur ; et un via cylindrique (6) de masse disposé dans la plaque (4) de manière coaxiale autour du contact diffus (2), débouchant sur une face de la plaque (4), et débouchant sur l'autre face de la plaque (4) en étant configuré pour être électriquement connectable par la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur. Figures pour l’abrégé : [Fig.1], [Fig.2] Interposeur coaxial hyperfréquences. L'invention porte sur un interposeur coaxial hyperfréquences. L'invention est destinée aux interconnexions électriques dans une gamme de fréquences allant du courant continu (DC pour acronyme de "Direct current" en langue anglaise) jusqu'aux hyperfréquences (40GHz et au-delà). Elle s'applique à tous les types de liaison électrique carte à carte ou carte à élément métallique (tels des amplificateurs, filtres, combineurs, éléments rayonnants, circulateurs, isolateurs...). Elle est particulièrement utile pour les fonctions d'amplification, de transposition ou d'antennes actives pour lesquelles les contraintes de densité de signaux et d'intégration sont fortes et lorsque les associations entre fonctions nécessitent la gestion de coefficients de dilation différents. Pour développer un amplificateur à interconnexion clampée basé sur un principe modulaire, il est nécessaire de pouvoir connecter les masses des modules tout en étant démontable. Sans cela, les performances ne peuvent pas être atteintes. Plusieurs solutions ont été testées : Recours à un joint torique tressé ; Recours au collage (colle epoxy chargée en argent) ; Recours à une cale en feuille de graphite pyrolytique (PGS) ; et Recours à un joint conducteur type GT1000 de getelec Aucune de ces solutions ne fonctionne à cause de la qualité de contact RF et des pertes associées. Une interconnexion clampée n'étant pas réalisable dans ce cas. Il est également nécessaire de pouvoir faire passer des signaux RF d'une carte à une autre (cartes empilées l'une sur l'autre dans le module driver). Les contraintes d'espacement sont imposées par le connecteur carte à carte DC et il est difficile de trouver une solution sur étagère qui réponde exactement au même espacement, et ce, dans un encombrement contraint. Enfin, dans le cadre d'une antenne active en bande Ka (31GHz), il est nécessaire d'associer une carte ou circuit imprimé intégrant un ou plusieurs composants de circuits intégrés de formation de faisceaux ou BFIC pour acronyme de "Beam-Forming Integrated Circuit" en langue anglaise, aux éléments rayonnants métalliques, la dilatation différentielle de ces éléments ne permettant pas de recourir à une brasure classique. L'ensemble est nommé carte BFIC. Les principales solutions permettant d'adresser les problématiques citées ci-dessus sont des solutions conventionnelles pour lesquelles les inventions sont tombées dans le domaine public. Ces solutions mettent en œuvre soit des matériaux souples (colle epoxy chargée argent ou des brasures tendres), soit des principes de connecteurs coaxiaux (SMP pour acronyme de "Sub Miniature Push-on" en langue anglaise avec "spring bullets" ou perles à ressort en langue anglaise. Les solutions à base de colle souple époxy conductrice chargée argent ne sont pas utilisables car les pertes sont trop importantes, conduisent à un échauffement puis à une vaporisation de la colle lorsque la puissance RF est supérieure au watt. Par ailleurs, dans le cas d'une antenne active, il est impossible de doser correctement la quantité de colle nécessaire (dans le cas d'une solution visqueuse). Ce procédé ne serait pas industriel. Il faudrait alors recourir à une colle époxy conductrice chargée argent à préforme ou "preform glue" en langue anglaise (ablefilm ou ablestick 5025E ou équivalent) ; or les contacts RF, qui ont un diamètre de l'ordre de 0,5 mm en bande Ka ne permettent pas cela. La colle se détériore sur de toutes petites surfaces et a tendance à se craqueler dans le temps. Les solutions brasées ne fonctionnent pas non plus dans un flux de production industriel car sur la carte BFIC, les composants sont câblés sur une seule face ce qui engendre un flambage du circuit : la qualité de contact ne serait alors pas maitrisée avec les éléments rayonnants. Il faut ajouter à cela la fatigue liée aux contraintes de dilation thermique différentielle. Les éléments ne sont pas démontables. Les solutions frittées ne sont pas utilisables car le profil de re-fusion des composants montés sur une carte BFIC ou sur un module RF est incompatible avec des températures mises en œuvre dans le procédé de frittage. Les solutions connectées de manière coaxiale au moyen de SMP spring bullets sont trop encombrantes, trop onéreuses et induisent des pertes trop importantes. Les solutions par pression de contact, ou "clamp" en langue anglaise sont impossibles à mettre en œuvre dans certains cas de figure (spécialement sur un interposeur antenne active ou un contact de masse RF de module amplificateur). Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un interposeur coaxial hyperfréquences destiné à être disposé entre deux éléments hétérogènes, comprenant : un circuit imprimé ; au moins un contact diffus de forme cylindrique, inséré dans un trou dans une plaque formant cale et guide isolant pour le contact diffus, le contact diffus débouchant en contact sur une portion du circuit imprimé en une extrémité, et débouchant du trou en son autre extrémité ; une piste RF dans le circuit imprimé débouchant en une extrémité au fond du trou de la plaque en vis-à-vis du contact diffus, et configurée pour être en contact avec le contact diffus, et débouchant en son autre extrémité sur la face externe du circuit imprimé située à l'extérieur de l'interposeur ; et au moins un via en cuivre cylindrique de masse disposé dans la plaque de manière coaxiale autour du contact diffus, débouchant sur une face de la plaque, et débouchant sur l'autre face de la plaque en étant configuré pour être électriquement connectable par la face externe du circuit imprimé située à l'extérieur de l'interposeur. Dans un circuit imprimé, un via est un trou métallisé qui permet d'établir une liaison électrique entre deux ou plusieurs couches. Dans un mode de réalisation, le circuit imprimé est monocouche. En variante le circuit imprimé est multicouches. Selon un mode de réalisation, l'interposeur comprend une couche de colle epoxy électriquement conductrice disposée entre la plaque et le circuit imprimé. Dans un mode de réalisation, l'interposeur comprend une piste RF dans le circuit imprimé débouchant en une extrémité en vis-à-vis du via cylindrique, et débouchant en son autre extrémité sur la face externe du circuit imprimé située à l'extérieur de l'interposeur. Par exemple, la plaque est en PTFE pour acronyme de polytétrafluoroéthylène métallisé ou en substrat laminé RF faible perte composite céramique ou verre / PTFE. Selon un mode de réalisation, la plaque est composée d'au moins une couche du circuit imprimé. Dans un mode de réalisation, le via cylindrique de masse débouche sur la face externe du circuit imprimé située à l'extérieur de l'interposeur. Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé une antenne active comprenant : - au moins un élément rayonnant ; - un circuit imprimé muni d'au moins un composant BFIC ; - un interposeur selon l'une des revendications précédentes disposé entre l'élément rayonnant et le circuit imprimé; - une couche de colle epoxy électriquement conductrice entre l'élément rayonnant et la plaque de l'interposeur ; et - des billes de soudures entre le composant BFIC et la face externe du circuit imprimé (boîtier BGA). L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 illustre schématiquement un interposeur coaxial hyperfréquences, selon un aspect de l'invention ; et FIG. 2 illustre schématiquement un autre interposeur coaxial hyperfréquences, selon un aspect de l'invention. [Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. La présente invention repose sur l'utilisation de contacts diffus originellement prévus pour réaliser des contacts cartes à cartes souples. Un tel contact diffus est composé de fils métalliques entrelacés composés par exemple d'un alliage de cuivre et de béryllium doré à l'or. Cette structure entrelacée offre l'élasticité adéquate et une excellente qualité de contact lorsque celle-ci est correctement comprimée (typiquement 30% de taux de compression). De tels contacts sont fabricables sur mesure avec des diamètres allant de 0,25 mm à 7 mm et des longueurs supérieures à 1 mm jusqu'à 7 mm. L'invention est donc un assemblage qui met en œuvre ce type de contact soit dans un assemblage de modules RF soit d'antennes actives (ou tout autre type de cartes ou ensembles hétérogènes ayant vocation à être empilés avec un contact RF pouvant aller jusqu'à 40GHz). La FIG. 1 illustre schématiquement un Interposeur coaxial hyperfréquences destiné à être disposé entre deux éléments hétérogènes selon un aspect de l'invention. L'interposeur coaxial hyperfréquences destiné à être disposé entre deux éléments hétérogènes comprend un circuit imprimé 1 et au moins un contact diffus 2 de forme cylindrique, inséré dans un trou 3 dans une plaque 4 formant cale et guide isolant pour le contact diffus 2, le contact diffus 2 débouchant en contact sur une portion 1a du circuit imprimé en une extrémité 2a, et débouchant du trou 3 en son autre extrémité 2b. L'interposeur coaxial hyperfréquences comprend également une piste RF 5 dans le circuit imprimé 1 débouchant en une extrémité 5a au fond du trou 3 de la plaque 4 en vis-à-vis du contact diffus 2, et configurée pour être en contact avec le contact diffus 2, et débouchant en son autre extrémité 5b sur la face externe du circuit imprimé 1 située à l'extérieur de l'interposeur. . L'interposeur coaxial hyperfréquences comprend en outre un via en cuivre cylindrique 6 de masse disposé dans la plaque 4 de manière coaxiale autour du contact diffus 2, débouchant sur une face de la plaque 4, et débouchant sur l'autre face de la plaque 4 en étant configuré pour être électriquement connectable par la face externe du circuit imprimé 1 située à l'extérieur de l'interposeur. Cet interposeur coaxial hyperfréquences de la FIG. 1 est représenté entre deux éléments, en l'espèce un élément rayonnant 7 d'antenne active et une carte 1 munie d'un composant BFIC 8 au format BGA pour acronyme de "ball grid array" en langue anglaise, i.e. muni de billes de soudure 9. Sur l'exemple de la FIG. 1 , le circuit imprimé 1 est multicouche, mais pourrait en variante être monocouche. Par exemple, l'interposeur coaxial hyperfréquences comprend une couche de colle epoxy 10 électriquement conductrice disposée entre la plaque 4 et le circuit imprimé 1. La colle epoxy utilisée est chargée en argent et préférentiellement sous forme de préforme, ce qui permet de garantir l'épaisseur de colle (contrairement à une formulation visqueuse). Sur l'exemple de la FIG. 1 , l'interposeur selon l'une des revendications précédentes, comprend au moins une piste RF 11 dans le circuit imprimé 1 débouchant en une extrémité11a en vis-à-vis du via cylindrique 6, et débouchant en son autre extrémité 11b sur la face externe du circuit imprimé 1 située à l'extérieur de l'interposeur permettant de connecter les masses RF. La plaque 4 peut être en polytétrafluoroéthylène métallisé ou en substrat RF laminé composite verre/céramique/polytétrafluoroéthylène, ce qui permet de travailler avec une permittivité relative basse, typiquement inférieure à3, pour laquelle les géométries sont compatibles avec les tolérances de fabrication des contacts diffus pour les fréquences élevées de l'ordre de 40 GHz et plus. Pour des fréquences inférieures à la bande Ku (12GHz), d'autres substrats à permittivité relative plus élevée peuvent être utilisés. Ce mode de réalisation permet d'adapter entre eux des matériaux totalement différents sans stress thermomécanique car la colle epoxy chargée argent est souple et thermiquement conductrice. Cela permet d'éviter pour le circuit imprimé 1 tout recours à un empilement de couches d'épaisseurs différentes conduisant à une dissymétrie qui pourrait entrainer un délaminage du circuit imprimé 1. Dans le cas d'une utilisation de circuits intégrés de formation de faisceaux ou BFIC pour acronyme de "Beam-Forming Integrated Circuit" en langue anglaise, le substrat utilisé est généralement un substrat laminé RF composite céramique/verre/polytétrafluoroéthylène PTFE de permittivité relative proche de 3,48 sur une épaisseur de substrat de 10 mils (0,254 mm). Ceci est dû au fait que les empreintes des BFICs sont des composants prévus pour fonctionner sur une impédance normalisée de 50 ohms dans un format de grille matricielle à billes ou BGA pour acronyme de "Ball Grid Array". Le diamètre des billes, leur espacement et leur interface avec le circuit intégré ou PCB pour acronyme de "Printed Circuit Board" en langue anglaise, sont pris en compte dans la conception du composant. Cette contrainte de routage est donc imposée par le composant et son boitier. De l'autre côté de l'interposeur, ce sont les éléments rayonnants qui imposent les contraintes dimensionnelles. Lorsque celles-ci diffèrent de celles imposées par le composant BFIC, il est impossible d'obtenir un circuit imprimé multicouches symétrique. Or la symétrie est capitale pour éviter les effets de flambage et de délaminage. Il n'y a alors pas d'autre choix que de recourir un interposeur collé. Un préimprégné ou "prepreg" en langue anglaise, aurait pu être utilisé, mais le collage doit avoir lieu après report des circuits BFICs, ce qui rend impossible le recours à un préimprégné. L'usage d'un collage à basse température avec préforme est donc impératif. Par ailleurs, l'utilisation d'un substrat laminé RF composite céramique/verre/polytétrafluoroéthylène permet de réaliser des vias de masse tout autour du contact diffus. Cela permet de limiter le nombre et l'espacement des contacts diffus (qui auraient alors également été utilisés pour les masses). En revanche, il est alors nécessaire de connecter les masses verticalement comme illustré ci-dessus. La colle epoxy chargée argent permet de relier les masses entre elles. Sans cette couche de colle, les chemins de masse auraient pu être rompus de temps à autre en fonction du flambage naturel de la carte BFIC (tous les composants étant soudés sur une seule face) ou de l'interposeur. Il convient de faire attention au taux de compression requis pour assurer une bonne qualité de contact. En règle générale, il est conseillé d’appliquer au bouton diffus 2 un taux de compression de 30%. Pour absorber le surplus de partie comprimée, un alésage est réalisé aux extrémités des zones débouchantes du trou avec un angle de 30• sur 0,15mm d'épaisseur. Un isolement est nécessaire entre la zone de contact et la zone de masse pour être certain qu'il n'y ait pas de court-circuit. Ce nouveau type d'assemblage s'adresse tout particulièrement aux applications à antennes actives vu la densité de signaux à traiter. Sur l'exemple de la FIG. 2 , la plaque 4 est composée d'au moins une couche du circuit imprimé 1. En d'autres termes, le circuit imprimé fait également office de plaque 4 formant cale et guide isolant pour le contact diffus 2. Le via cylindrique 6 de masse débouche sur la face externe du circuit imprimé 1 située à l'extérieur de l'interposeur. Les FIG. 1 et FIG. 2 représentent l'interposeur de l'invention disposé dans une antenne active, i.e. entre au moins un élément rayonnant 7 et une carte BFIC 8 munie de billes de soudure 9 entre la carte BFIC 8 et la face externe du circuit imprimé 1, avec une couche de colle epoxy 12 électriquement conductrice entre l'élément rayonnant 7 et la plaque 4 de l'interposeur L'interposeur de la FIG. 2 est similaire à celui de la FIG. 1 hormis le fait qu'il est simplifié. En effet, dans ce cas, la plaque 4 est composée d'au moins une couche du circuit imprimé 1, qui fait donc directement office de cale et de guide intégré pour un contact diffus 2. Un contact diffus 2 s'appuie à l'intérieur du trou 3 sur la face de l'une des couches internes. L'avantage de cette solution est de s'affranchir du collage 10, du coût et de la mise en œuvre d'une plaque 4 additionnelle et d'une longueur de trajet RF raccourcie (moins de pertes). En revanche, il est impératif que les contraintes de routage appliquées au circuit imprimé 1 1 soient identiques. Ce type d'assemblage interposeur est nouveau et s'adresse tout particulièrement aux applications à antennes actives vu la densité de signaux à traiter. La présente invention présente les avantages suivants dédiés aux antennes actives ou à l'assemblage de cartes ou éléments hétérogènes par collage : Liaison RF non hyperstatique (souple) capable de gérer des coefficients de dilatation différentiels élevés (notion d'hétérogénéité). Cette solution permet notamment de pouvoir associer un circuit imprimé avec une pièce mécanique (additive manufacturing ou impression 3D métal) en respectant les besoins RF et thermomécaniques ; Liaison à faible perte et reproductible (industrielle) à condition de recourir au collage par préforme de colle conductrice ; Liaison extrêmement dense, peu coûteuse et simple à mettre en œuvre ; Liaison permettant d'adapter les contraintes RF entre 2 substrats de permittivités relatives différentes sans générer de dissymétrie dans le substrat ou de délaminage ; et Liaison ultra courte si on intègre les contacts dans les cheminées (dépend des contraintes de part et d'autre du circuit imprimé. Interposeur coaxial hyperfréquences destiné à être disposé entre deux éléments hétérogènes, comprenant : un circuit imprimé (1) ; au moins un contact diffus (2) de forme cylindrique, inséré dans un trou (3) dans une plaque (4) formant cale et guide isolant pour le contact diffus (2), le contact diffus (2) débouchant en contact sur une portion (1a) du circuit imprimé en une extrémité (2a), et débouchant du trou (3) en son autre extrémité (2b) ; une piste RF (5) dans le circuit imprimé (1) débouchant en une extrémité (5a) au fond du trou (3) de la plaque (4) en vis-à-vis du contact diffus (2), et configurée pour être en contact avec le contact diffus (2), et débouchant en son autre extrémité (5b) sur la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur ; et au moins un via en cuivre cylindrique (6) de masse disposé dans la plaque (4) de manière coaxiale autour du contact diffus (2), débouchant sur une face de la plaque (4), et débouchant sur l'autre face de la plaque (4) en étant configuré pour être électriquement connectable par la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur. Interposeur selon la revendication 1, dans lequel le circuit imprimé (1) est monocouche. Interposeur selon la revendication 1, dans lequel le circuit imprimé (1) est multicouches. Interposeur selon l'une des revendications précédentes, comprenant une couche de colle epoxy (10) électriquement conductrice disposée entre la plaque (4) et le circuit imprimé (1). Interposeur selon l'une des revendications précédentes, comprenant au moins une piste RF (11) dans le circuit imprimé (1) débouchant en une extrémité (11a) en vis-à-vis du via cylindrique (6), et débouchant en son autre extrémité (11b) sur la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur. Interposeur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la plaque (4) est en polytétrafluoroéthylène métallisé ou substrat laminé RF composite céramique/verre/polytétrafluoroéthylène. Interposeur selon la revendication 3, dans lequel la plaque (4) est composée d'au moins une couche du circuit imprimé (1). Interposeur selon la revendication 7, dans lequel le via cylindrique (6) de masse débouche sur la face externe du circuit imprimé (1) située à l'extérieur de l'interposeur. Antenne active comprenant : - au moins un élément rayonnant (7) ; - un circuit imprimé (1) munie d'au moins un composant BFIC (8) ; - un interposeur selon l'une des revendications précédentes disposé entre l'élément rayonnant (7) et le circuit imprimé (1); - une couche de colle epoxy (12) électriquement conductrice entre l'élément rayonnant (7) et la plaque (4) de l'interposeur ; et - des billes de soudures (9) entre le composant BFIC (8) et la face externe du circuit imprimé (1).