DIELECTRIQUES ET REFROIDI

L'invention concerne le domaine des cartes imprimées, et plus précisément un circuit imprimé de structure multicouche.

Les antennes de certains radars aéroportés réalisent un balayage électronique du faisceau dans un seul plan. Dans le plan où le faisceau est fixe, pour diminuer les coûts, on alimente des sous-réseaux de N éléments rayonnants avec une seule voie active, par l'intermédiaire d'un distributeur 1 :N, un distributeur étant constitué d'un ensemble de diviseurs reliés entre eux par des tronçons de ligne de transmission.

Pour réaliser le distributeur frontal entre la voie active et les N éléments rayonnants, il est connu d'utiliser une technologie de triplaque diélectrique, compatible du circuit imprimé multicouche qui contient également les composants actifs et les éléments rayonnants.

Le diélectrique utilisé est typiquement un substrat du commerce qui présente l'avantage d'une grande maturité technologique et d'un faible coût. Cependant il présente les inconvénients d'une faible conductivité thermique de 0.64W/(m.K) et des pertes diélectriques élevées, de l'ordre de 10 dB/m voire plus, qui dégradent les performances de l'antenne à l'émission (PIRE) et à la réception (G/T).

Il a été développé à la fin des années 1990, un procédé d'évacuation calorifique dans une structure de ligne à air dans un guide d'onde métallique. Ce procédé de refroidissement , consistant à insérer des plots en céramique entre la piste centrale de la ligne à air et la masse métallique du guide d'onde, à intervalles réguliers le long de la ligne, a été utilisé dans un distributeur gisement constitué d'anneaux hybrides, pour le démonstrateur d'antenne SAREX, acronyme de l'expression « radar SAR Expérimental en bande X». Cette structure présente l'inconvénient d'un volume et d'une masse relativement importants ; elle ne peut pas être intégrée dans un circuit imprimé multi-couches.

En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un circuit imprimé donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes de minimisation de ses pertes diélectriques et de son échauffement.

Plus précisément l'invention a pour objet un circuit imprimé à structure multicouche. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend :

- une première couche comportant un matériau diélectrique entre deux faces métallisées, usinée pour former un lamage traversant la couche sur toute son épaisseur,

- une deuxième couche comportant un matériau diélectrique entre deux faces métallisées et comportant une première cavité traversant la couche sur toute son épaisseur, assemblée à la première couche de manière à ce que cette première cavité soit en vis-à-vis du lamage,

- une troisième couche comportant un matériau diélectrique entre deux faces métallisées et comportant sur une face un composant électronique occupant une surface Scomp, l'autre face étant sans métal sur une section > Scomp, cette troisième couche étant assemblée à la deuxième couche de manière à ce que le composant soit dans la première cavité,

- une quatrième couche comportant un matériau diélectrique entre deux faces métallisées et comportant une deuxième cavité, assemblée à la troisième couche de manière à ce que cette deuxième cavité soit en vis-à-vis de la première cavité,

- un élément de conduction thermique en deux parties :

o l'une en métal dite capot thermique, insérée dans le lamage de la première couche de manière à fermer mécaniquement et électriquement la première cavité,

o l'autre en matériau diélectrique à conduction thermique >30W/(m.K) , brasée à la première partie et placée dans la première cavité de manière à être en contact avec le composant électronique pour ainsi assurer une conduction thermique. Un tel circuit imprimé permet de minimiser échauffement et les pertes diélectriques du composant électronique placé dans une cavité intégrée à une structure multicouche. La deuxième cavité peut traverser la quatrième couche sur toute son épaisseur ; dans ce cas il comporte une cinquième couche à deux faces métallisées et assemblée à la quatrième couche.

Selon un mode de réalisation, la troisième couche comporte entre ses faces métallisées une première sous-couche de colle supportant le composant électronique et une deuxième sous-couche comportant une troisième cavité qui comporte éventuellement un ou plusieurs renforts.

Selon une caractéristique de l'invention, les sections des cavités sont égales.

Le capot thermique comporte avantageusement un lamage dans lequel est insérée la deuxième partie sous forme d'un plot thermique.

Le circuit comprend éventuellement un blindage par recouvrement des cavités par une couche de métallisation et/ou par des vias métallisés sur les côtés du circuit imprimé.

L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un circuit imprimé tel que décrit, caractérisé en ce qu'il comporte :

a. des étapes de réalisation d'un sous-ensemble qui comprennent o préparation de chaque couche,

o assemblage des couches,

o usinage de la première couche de manière à former le lamage,

une étape de réalisation de l'élément de conduction thermique par assemblage du plot thermique au capot,

une étape d'insertion de l'élément de conduction thermique dans le lamage de la première couche pour être en contact avec le composant électronique, après avoir ajouté : i. une colle thermiquement conductrice et électriquement isolante sur la face du plot destinée à être en contact avec ce composant,

ii. une colle électriquement conductrice sur les faces du capot destinées à être en contact avec la première couche,

d. polymérisation de l'élément de conduction.

De manière avantageuse, au moins deux couches sont assemblées par thermodiffusion.

De préférence, l'étape b) comprend préalablement à l'assemblage du plot, un usinage du capot de manière à former une encoche destinée à recevoir en partie le plot.

Plus précisément, l'étape de préparation des couches comprend par exemple :

- Préparation des matériaux de la première couche,

- Préparation des matériaux de la deuxième couche et usinage de la première cavité,

- Préparation des matériaux de la troisième couche et placement du composant électronique,

- Préparation des matériaux de la quatrième couche et usinage de la deuxième cavité.

Cette étape de préparation des couches comprend éventuellement la préparation des matériaux de la cinquième couche.

L'étape de préparation de la troisième couche comprend généralement une étape de dépôt d'une couche de colle sur le matériau diélectrique, puis placement du composant sur la colle, puis usinage d'une troisième cavité sous le composant électronique destinée à être en vis-à-vis de la deuxième cavité.

Des renforts peuvent être disposés dans la troisième cavité.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un exemple de circuit imprimé selon l'invention,

la figure 2 représente schématiquement un exemple d'élément de conduction,

la figure 3 illustre schématiquement des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un circuit imprimé selon l'invention.

D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.

Dans la suite de la description, les expressions « haut », « bas », « dessus » (ou sur), « dessous » (ou sous), « supérieur », « inférieur » « avant », « arrière », « côté », etc, sont utilisées en référence à l'orientation des figures décrites. Dans la mesure où le dispositif peut être positionné selon d'autres orientations, la terminologie directionnelle est indiquée à titre d'illustration et n'est pas limitative.

Pour améliorer les performances d'émission et de réception de l'antenne, il est indispensable de minimiser échauffement des structures de transmission de puissance RF, ou plus généralement d'un composant électronique. Cet échauffement lié à la puissance dissipée dans cette structure est directement associé aux pertes frontales entre la voie active et les N éléments rayonnants, c'est-à-dire aux pertes du distributeur.

La figure 1 montre une section transversale d'un circuit imprimé 100 selon l'invention avec un composant électronique 33 sur un substrat diélectrique mince 30. Les couches inférieure 4 et supérieure 2 de ce substrat sont usinées pour former des cavités d'air 23 et 43, autour du composant électronique 33. Ces cavités d'air constituent un isolant thermique autour du composant électronique, mais freinent l'évacuation de chaleur lorsque celui-ci est soumis à de fortes puissances RF. Le composant électronique est donc refroidi par un élément 13,14 de conduction thermique >30W/(m.K), fixé sur ce composant électronique.

On va à présent décrire plus en détail cette structure.

Cet élément de conduction thermique comprend une partie supérieure métallique 13 (par exemple en cuivre ou argent ou diamant métallisé ou cuivre+pièces de diamant métallisé ou en un composite de type : argent-diamant, cuivre-diamant, aluminium-diamant, aluminium- silicium) désignée capot thermique auquel est fixé un plot thermique 14 (ou plusieurs) par exemple constitué de céramique. Tout type de céramique peut être utilisé, en particulier le nitrure d'aluminium (AIN), l'alumine (AI2O3), le nitrure de Bore (BN), l'oxyde de béryllium (BeO), le diamant (C), etc. Ces matériaux possèdent des conductivités thermiques de 33W/(m.K) (pour l'alumine) à 1800W/(m.K) (pour le diamant).

L'une des faces circulaires du plot 14 de céramique est brasée avec une brasure 15 sur le capot 13 de cuivre usiné. Ce capot qui ferme la cavité 23 sert de maintien sur la couche 2, et sert aussi de masse électrique au-dessus de la cavité d'air. L'autre face circulaire du plot 14 en céramique est collée sur le composant électronique 33, ce qui détermine son épaisseur ; il est collé au moyen d'une colle 16 électriquement isolante et thermiquement conductrice.

Ce plot généralement cylindrique a un diamètre compris entre 0.5mm et 0.7mm et une épaisseur comprise entre 400μιτι et 500μιτι. Le capot métallique en cuivre sur lequel est fixé le plot (ou les plots) en céramique possède une épaisseur comprise entre 400μιτι et δθθμιτι.

Les dimensions du capot et des plots thermiques sont déterminées en fonction des épaisseurs des couches.

Pour effectuer un refroidissement constant sur l'ensemble du composant électronique, on peut avantageusement répartir plusieurs plots 14 périodiquement le long du capot 13 (comme montré figure 2) et donc du composant. On prend un pas de l'ordre de 20% de la longueur totale de la structure.

Une première couche supérieure 1 comportant un matériau diélectrique 10 (ne comportant généralement que ce matériau diélectrique) entre deux faces métallisées 1 1 , 12, est usinée pour former un lamage 18 (montré figure 3) de section Scap (selon le plan des couches c'est-à-dire selon les axes X et Y) traversant la couche 1 sur toute son épaisseur (c'est- à-dire selon l'axe Z), dans lequel est inséré le capot thermique 13.

Une deuxième couche 2 comportant un matériau diélectrique 20 entre deux faces métallisées 21 , 22, (et ne comportant que ce matériau diélectrique 20) comporte une première cavité 23 de section Scav traversant la couche 2 sur toute son épaisseur, et est assemblée à la première couche 1 de manière à ce que cette première cavité soit en vis-à-vis du lamage. Le ou les plots thermiques 14 sont dans cette cavité 23. Lorsque le composant électronique est une ligne de transmission, cette cavité forme un canal et l'élément de conduction comporte avantageusement plusieurs plots thermiques comme montré figure 2, qui sont fixés à la ligne.

Une troisième couche 3 comportant un matériau diélectrique 30 entre deux faces métallisées 31 , 32, (et ne comportant que ce matériau diélectrique 30) comporte sur une face le composant électronique 33 placé en vis-à-vis de la première cavité 23 et qui occupe une surface Scomp ; l'autre face est sans métal sur une section > Scomp, typiquement égale à Scav ; cette troisième couche est assemblée à la deuxième couche de manière à ce que le composant 33 soit dans la première cavité 23. Ce matériau diélectrique 30 qui forme le substrat du composant électronique, est un substrat organique du commerce, à faibles pertes, du même type que le matériau diélectrique dans lequel est formée la première cavité, mais avec une épaisseur plus faible.

Dans le cas d'une structure intégrant une ligne de propagation triplaque diélectrique à air, le composant électronique 33 est une piste centrale en cuivre, de section rectangulaire, qui est gravée sur le substrat de la couche 3. L'épaisseur typique de la piste centrale d'un triplaque diélectrique est comprise entre 30 μιτι et 50 μιτι. Pour réduire les pertes métalliques, on propose d'augmenter l'épaisseur de la piste, dans des limites raisonnables pour conserver les techniques de fabrication habituelles. Une piste dont l'épaisseur est comprise entre 50μιτι et 200μιτι, constitue un bon compromis : pertes - faisabilité. La largeur de la piste est optimisée pour obtenir l'impédance caractéristique souhaitée, en général 50 Ω.

Selon un premier mode de réalisation correspondant à la figure 3, le substrat sur lequel est gravé le composant électronique 33 est obtenu à partir d'un film de colle 34. L'épaisseur du film de colle est comprise entre 30 μιτι et 100 μιτι. Le film de colle repose sur un substrat organique mince 30, qui est évidé par usinage, au voisinage de la piste, pour réduire les pertes. Eventuellement des renforts sont disposés dans cet évidement 35, aussi désigné troisième cavité, pour renforcer le maintien mécanique du composant 33 sur le film de colle. L'ensemble "film de colle + substrat" est métallisé sur les deux faces 31 , 32, avec une couche de cuivre et une finition Or (Au), compatible du processus d'assemblage.

Selon un deuxième mode de réalisation correspondant à la figure 1 , le composant électronique 33 est directement gravé sur le substrat 30 de la couche 3.

Une quatrième couche 4 comportant un matériau diélectrique 40 entre deux faces métallisées 41 , 42 (et ne comportant que ce matériau diélectrique 40) comporte une deuxième cavité 43 de même section Scav que la première cavité 23, et est assemblée à la troisième couche 3 de manière à ce que cette deuxième cavité soit en vis-à-vis de la première cavité.

De préférence, cette deuxième cavité 43 traverse cette couche 4 sur toute son épaisseur comme la première cavité et comme montré sur l'exemple de la figure 3. Dans ce cas, une cinquième couche 5 comportant un matériau diélectrique 50 entre deux faces métallisées 51 , 52 est assemblée à la quatrième couche. Cette cinquième couche peut aussi être un multicouche comportant par exemple un empilement de plusieurs circuits élémentaires.

Ces cavités sont typiquement remplies d'air comme indiqué mais plus généralement elles peuvent être remplies d'un fluide de refroidissement.

On a : Scap >Scav avec typiquement Scap > 1 ,5 x Scav et Scav >Scomp.

Sur les figures, on a représenté les dimensions correspondantes selon l'axe Y : Lcap, Lcav et Lcomp.

Les faces des couches sont par exemple métallisées avec une couche de cuivre et une finition Etain (Sn) ou Or (Au) ou Argent (Ag), compatible d'un processus d'assemblage par thermodiffusion.

Dans l'exemple de la figure 1 , les couches inférieures 4, 5 et supérieures 1 , 2 ont une épaisseur comprise entre 200 μιτι et 500 μιτι. On peut choisir l'épaisseur de la couche 3, en fonction des applications. Pour un circuit imprimé avec une piste centrale en cuivre gravée sur un substrat, l'introduction de l'élément de conduction thermique résulte en une diminution de la température maximale de 47°C pour un substrat d'environ 100 μιτι comme pour le 2è mode de réalisation, et de 40°Cpour un substrat d'environ 50 μιτι comme pour le 1 er mode de réalisation.

En bande X de 8000 à 12000 MHz, les pertes linéiques de cette structure en triplaque à air sont typiquement de 5 à 6 dB/m, au lieu de 10 à 1 1 dB/m pour une structure en triplaque diélectrique plein avec des substrats organiques du commerce. Cela constitue un gain très significatif de bilan de puissance, surtout sur la structure frontale d'une antenne active.

Le composant électronique 33 peut être blindé électriquement, ce qui est avantageux lorsqu'il s'agit d'une ligne de propagation. Il est par exemple blindé sur les côtés par des trous métallisés 17, 27, 37, 47, 57 (encore appelés "vias") ou équivalents. Les trous métallisés ont par exemple un diamètre de 0.3 mm, imposé par la hauteur de l'empilage des couches. Les règles d'implantation imposent une distance minimale de 0.25 mm entre le bord des vias et la cavité d'air. Elles imposent aussi une distance minimale de 1 .5 mm entre le bord des vias et le bord du circuit imprimé.

Les trous métallisés peuvent être remplacés par des murs métalliques continus, si la technologie de réalisation du circuit imprimé multicouche le permet.

Eventuellement, les parois de ces cavités peuvent être métallisées pour réaliser ce blindage.

On va à présent décrire un exemple de procédé de fabrication d'un circuit imprimé multicouche selon l'invention. Les couches peuvent être assemblées au moyen de films de colle. De préférence elles sont assemblées par thermodiffusion ; il s'agit d'un procédé d'assemblage des faces métallisées par pression mécanique et en température. Cela permet de conserver des épaisseurs constantes lors d'une fabrication collective, sans affaissement comme cela peut se produire avec un assemblage par collage des couches métallisées, et ainsi de garantir les mêmes propriétés électriques et thermiques d'un circuit à l'autre. Cette technique d'assemblage telle que décrite dans la demande de brevet EP1350418 présente l'avantage d'une réduction significative des coûts de fabrication du circuit imprimé multicouche, et d'une flexibilité de réalisation de connexions en Z entre différents circuits élémentaires, difficilement réalisables par les procédés classiques de fabrication des cartes imprimées ; en effet l'assemblage par thermodiffusion permet d'éviter les risques de fluage dû au film de colle utilisé dans les procédés classiques.

La technologie d'assemblage permet également de câbler des composants enterrés à l'intérieur du circuit imprimé multicouches, par exemple : des résistances ou des composants actifs.

Ce procédé permet d'assembler des couches métallisées, avec une finition différente, par exemple :

Finition or pour une couche,

Finition étain pour la couche qui lui fait face.

Pour réaliser un circuit imprimé tel que celui de l'exemple de la figure 1 , on procède selon les étapes suivantes illustrées figure 3 :

Etape n ° 1 de préparation de chaque couche 1 , 2, 3 4 et 5 : Usinage, lamage par exemple pour créer les cavités, voire pressage des sous-couches formant une couche comme pour le premier mode de réalisation de la couche 3.

Etape n °2 de perçage des vias dans chaque couche.

Etape n °3 de métallisation des vias et finition Cr (Au) 3 μιτι pour chaque couche.

Etape n °4 d'assemblage des couches entre elles avec pressage par thermodiffusion d'au moins deux couches. Dans l'exemple de la figure 3, toutes les couches sont assemblées par thermodiffusion : quatre interfaces sont thermodiffusées en un pressage, ce qui garantit une bonne reproductibilité des cavités lors d'une fabrication collective. On assemble ainsi cinq couches distinctes.

Etape n °5 d'usinage de la première couche en vue d'y insérer l'élément de conduction 13, 14.

Ces étapes peuvent s'enchaîner dans l'ordre indiqué. Les étapes 2 et 3 peuvent éventuellement intervenir après l'étape d'assemblage. Le sous-ensemble ainsi réalisé peut ensuite être intégré dans un circuit multicouche plus complexe, soit en ajoutant plus de couches dans l'empilage (on peut par exemple ajouter un multicouche sous la couche 5), soit en augmentant les dimensions dans les axes X et Y, soit en combinant les deux. Ce procédé permet de réaliser de manière industrielle des cavités intégrables facilement dans tout circuit multicouche hyperfréquence ou basse fréquence.

L'élément de conduction thermique est fabriqué puis assemblé à ce sous-ensemble.

Il est fabriqué en usinant le capot 13 de cuivre du diamètre du plot thermique 14 de façon à créer une encoche pour venir insérer une partie du plot en céramique. Ensuite on vient assembler le plot en céramique 14 sur le capot 13 en cuivre par brasure 15.

L'élément de conduction est ensuite inséré dans l'espace prévu à cet effet dans la première couche 1 du sous-ensemble précédemment assemblé comme montré figures 1 et 3 en :

o ajoutant une colle 16 électriquement isolante et thermiquement conductrice (montrée figure 1 ) en bout du plot thermique 14 de façon à le mettre en contact avec le composant électronique 33 à refroidir,

o ajoutant une colle 15 électriquement conductrice autour du capot en cuivre.

L'élément de conduction est alors polymérisé pour le rendre hermétique.

Ce procédé d'assemblage de plots en céramique sur un capot de cuivre n'est pas limitatif au niveau des composants des matériaux céramiques ni des dimensions des plots et du capot en cuivre.

On a décrit l'invention avec comme exemple un circuit imprimé à cavités pour réaliser des lignes à air faible perte, mais on peut également réaliser de la même manière tout type de cavité intégrable à un multicouche pour différents composants électroniques tels que des filtres suspendus, des composants actifs ou passifs tels que des résistances.