DOMAINE DE L' INVENTION

La présente invention concerne le domaine des assemblages électroniques et plus particulièrement le domaine des capteurs électromécaniques de pression de fluide pour des applications aéronautiques.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

Un assemblage électronique comprend classiquement un substrat sur lequel est rapporté un composant électronique à l'aide d'un joint fritté ou brasé. L'assemblage permet une jonction mécanique et électrique du composant électronique et du substrat. En fonctionnement, l'assemblage est soumis à des cycles thermiques et les dilatations différentielles du substrat et du composant fon travailler le joint et le composant électronique ce qui peut affecter .sa précision de mesure et sa durabilité.

L'utilisation d'un joint de colle souple conductrice permet de découpler mécaniquement le substrat et le composant et de réduire l'effet des dilatations différentielles sur la précision du capteur et sa tenue dans le temps. Cependant, si les performances mécaniques sont bonnes, on observe uné migration des paillettes métalliques conductrices du joint de colle et une augmentation importante de sa résistance électrique avec le temps .

Ainsi, les assemblages électroniques existants ne permettent pas de garantir une jonction mécanique et électrique durable du composant et du substrat tout en établissant un niveau de découplage thermomécanique adapté à la taille et la sensibilité du composant et les dispositifs de mesure OBJET DE 1/ INVENTION

L'invention a pour objet d'améliorer la résistance en fatigue d'un assemblage électronique aux sollicitations thermomécaniques.

RESUME DE L'INVENTION

A cet effet, on prévoit un dispositif comprenant un assemblage électronique comportant un composant électronique assemblé sur un premier substrat et un corps définissant une cavité dont une première extrémité est en lien fluidique avec un fluide, le composant électronique s'étendant dans la cavité et le premier substrat comprenant une portion en contact avec une paroi de la cavité. Avantageusement le coefficient de dilatation thermique du matériau du premier substrat est inférieur à celui du composant électronique, et le composant électronique est assemblé par une méthode d'assemblage avec apport de chaleur de type brasage sur le premier substrat. Un tel dispositif permet d'atténuer les vibrations et les efforts thermomécaniques transmis depuis le milieu environnant jusqu'au composant électronique. La fixation de l'assemblage sur le dispositif est également simplifiée par un tel montage.

Le dispositif de l'invention est particulièrement adapté à la mesure de la pression lorsque le composant électronique est un capteur de pression.

Les vibrations et les efforts thermomécaniques sont encore plus fortement atténués lorsque le substrat est un substrat flexible.

L'ampleur des mouvements du premier substrat est efficacement limitée lorsque la portion en contact avec une paroi de la cavité est une portion courbée.

L'atténuation des vibrations et des efforts thermomécaniques transmis depuis le milieu environnant jusqu'au composant électronique est améliorée lorsque le premier substrat exerce un effort élastique la paroi de la cavité.

Les transitoires de pression et les microparticules sont efficacement filtrés lorsque le premier substrat comprend des orifices destinés à laisser passer une fraction du fluide dont la pression est à mesurer.

La construction du dispositif est facilitée lorsque le premier substrat est relié à un deuxième substrat qui porte une unité de communication et un port de communication.

Avantageusement, le deuxième substrat est un substrat rigide ou un substrat flexible.

Avantageusement encore, le deuxième substrat s'étend en partie dans la cavité

Le filtrage du fluide à mesurer est amélioré lorsque le dispositif comprend une grille s'étendant devant la première extrémité de la cavité.

La construction du dispositif est également économique lorsque la cavité est définie au moins partiellement par une chemise en métal, préférentiellement en acier inoxydable.

La construction du dispositif est économique lorsque le corps est en matériau thermoplastique.

L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un assemblage électronique comprenant les étapes de, lors d'une phase préparatoire, sélectionner un composant électronique et sélectionner un premier substrat sur lequel doit être assemblé le composant électronique de manière à ce que le coefficient de dilatation thermique du matériau du substrat soit inférieur à celui du composant électronique. Le procédé comprend également, lors d'une phase d'assemblage, l'étape d'assembler, par une méthode d'assemblage avec apport de chaleur de type brasage, le composant électronique et le substrat.

Le différentiel de coefficient de dilatation thermique entre le composant et le premier substrat provoque, à l'issue de l'opération d'assemblage, une rétraction différentielle du composant et du premier substrat qui vient mettre en précontrainte le premier substrat. Lorsque l'assemblage est soumis à des cycles de température, l'effort maximal auquel sont soumis les points de liaison entre le substrat et le composant est diminué de la valeur de la précontrainte ce qui permet d'améliorer la tenue en fatigue de l'assemblage de l' invention .

La robustesse de l'assemblage est améliorée lorsque la phase préparatoire comprend l'étape supplémentaire de sélectionner un premier substrat et un composant dont les matériaux ont tous deux une température de transition vitreuse ou une température de fusion supérieure à une température de service de l'assemblage électronique.

La tenue en fatigue est encore améliorée lorsque la phase préparatoire comprend l'étape supplémentaire de sélectionner un premier substrat et un composant électronique ainsi qu'une technique d'assemblage qui aboutissent à une contrainte après assemblage dans les points de jonction entre le substrat et le composant inférieur à 0.1?N/mm ²

Une réalisation fiable et économique de l'assemblage électronique est possible lorsque la méthode d'assemblage avec apport de chaleur est du brasage ou du frittage ou du frittage d'argent ou comprend la réalisation de connections par billes d'or.

L'invention concerne également un assemblage électronique obtenu par le procédé ci-dessus.

L'assemblage peut être aisément intégré à un dispositif compact lorsque le premier substrat sélectionné est un substrat flexible.

Les opérations de liaison entre le substrat et le composant sont facilitées lorsque le premier substrat est un substrat texturé.

La tenue en fatigue est améliorée lorsque le premier substrat est un substrat à base de polymères à cristaux liquides.

La réalisation de l'assemblage est facilitée lorsque l'assemblage comprend un composant assemblé en puce retournée.

La compacité de l'assemblage est améliorée lorsque l'assemblage comprend au moins un composant comportant un empilement de puces.

L'assemblage est efficacement protégé lorsqu'il est au moins partiellement recouvert d'une couche de parylène .

Avantageusement, le substrat a une épaisseur inférieure à cent microns et/ou une face du substrat qui comprend une portion recouverte d'une couche de métallisation d'épaisseur inférieure à quinze microns.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit de modes de réalisation non limitatifs de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Il sera fait référence aux figures annexées parmi lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'une première étape de réalisation d'un assemblage selon l'invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique en coupe d'une deuxième étape de réalisation de l'assemblage de la figure 1; - la figure 3 est une représentation schématique en coupe d'une troisième étape de réalisation de l'assemblage de la figure 1 ;

- la figure 4 est une représentation schématique en coupe d'une quatrième étape de réalisation de l'assemblage de la figure 1 ;

- la figure 5 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de mesure de pression selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de mesure de pression selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 7 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de mesure de pression selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 8 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de mesure de pression selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 9 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif de mesure de pression selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la figure 1, un assemblage électronique selon l'invention, et généralement désigné 1, est réalisé par brasage d'un composant 2 électronique sur un premier substrat 3. L'assemblage est destiné à fonctionner à une température de service maximale de l'ordre de deux cents degrés centigrades.

Ici, le composant 2 choisi est un microsystème électromécanique piezorésistif de mesure de pression en matériau non organique comme de la céramique A1203 Un tel composant 2 possède un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à de 7.10 ^-6 K ^-1 et une température de fusion supérieure à 2000 degrés Celsius Le composant 2 est pourvu d'un premier connecteur électrique 2.1 revêtu d'une première bille 2.10 de brasure à l'étain et un deuxième connecteur électrique 2.2 revêtu d'une deuxième bille 2.20 de brasure à l'étain.

Ici, le premier substrat 3 choisi est un substrat flexible texturé en silicium de quatre-vingt microns d'épaisseur. Le premier substrat 3 possède un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à 4.10 ^-6 K ^-1 et une température de fusion égale à 1414 degrés Celsius.

Au sens de la présente demande, un substrat est dit flexible s'il peut être courbé élastiquement à plus de quarante-cinq degrés . Le premier substrat 3 est pourvu d'un troisième connecteur 3.1 électrique et un quatrième connecteur 3.2 électrique respectivement reliés à une première piste 4.1 conductrice et à une deuxième piste 4.2 conductrice obtenues par une métallisation sélective de la première face 3.3 du premier substrat 3 sur une épaisseur de dix microns .

Le composant 2 est placé sur le premier substrat 3 de manière à ce que le premier connecteur 2.1 et le deuxième connecteur 2.2 du composant 2 fassent respectivement face au troisième connecteur 3.1 et au quatrième connecteur 3.2 (figure 2). La première bille 2.10 repose sensiblement sur le troisième connecteur 3.1 et la deuxième bille 2.20 repose sensiblement sur le quatrième connecteur 3.2. Cette technique d'assemblage est aussi appelée « assemblage en puce retournée » ou « flip chip ».

L'assemblage 1 est ensuit chauffé (ici par induction) et le premier connecteur 2.1 et le troisième connecteur 3.1 sont alors assemblés à l'aide d'une première brasure 5.1 à l'étain. Le deuxième connecteur 2.2 et le quatrième connecteur 3.1 sont assemblés à l'aide d'une deuxième brasure 5.2 à l'étain (figure 3).

Au cours des opérations de brasage et sous l'effet de la chaleur apportée (aux environs de 180 degrés centigrades), le premier substrat 3, dont le matériau possède un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du matériau du composant 2, va se dilater, tout comme le composant 2. Ainsi, la valeur 53 de la dilatation thermique du premier substrat 3 est inférieure à la valeur 52 de la dilatation thermique du matériau du composant 2. Le brasage du premier connecteur 2.1 sur le troisième connecteur 3.1 ainsi que le brasage du deuxième connecteur 2.2 sur le quatrième connecteur 3.1 se fait lorsque le composant 2 et le premier substrat 3 sont dilatés.

Lors du refroidissement de l'assemblage 1, la rétraction plus importante du composant 2 vis-à-vis du premier substrat 3 crée une mise en précontrainte de la première portion 6 de premier substrat 3 comprise entre la première brasure 5.1 et la deuxième brasure 5.2 ( figure 4 ) .

Les contraintes après assemblage dans la première brasure 5.1 et la deuxième brasure 5.2 sont sensiblement inférieures à 0. IN /MM ² .

Une couche de parylène de cinq microns est ensuite déposée sur l'assemblage 1 ainsi obtenu.

En fonctionnement, lorsque l'assemblage 1 est soumis à des variations de températures, l'amplitude du cycle des contraintes thermomécaniques subi par la première brasure 5.1 et la deuxième brasure 5.2 est réduit de la valeur de la précontrainte de la portion 6. La tenue en fatigue de la première brasure 5.1 et la deuxième brasure 5.2 est donc améliorée.

On obtient alors un assemblage 1 dont le premier substrat 3 possède un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du composant 2 qui y est relié.

En référence à la figure 5, l'assemblage 1 est intégré à un dispositif 10 de mesure de pression.

Le dispositif 10 comprend un corps 11 en polyamide en forme de cylindre droit d'axe longitudinal Oy. Le corps 11 délimite une cavité 12 définie par une chemise 13 en acier inoxydable. La chemise 13 est ici en forme de cylindre droit d'axe longitudinal Oy et possède une série 13.1 de crampons en saillie radiale de la surface extérieure 13.2 de la chemise 13. Une première extrémité

12.1 de la cavité 12 débouche en une première extrémité

11.1 du corps 11 vers l'extérieur de la cavité 12 pour être en lien fluidique avec un fluide extérieur 14 dont la pression est à mesurer. Une grille 15 s'étend devant la première extrémité 12.1 de la cavité 12. La deuxième extrémité 11.2 du corps 11 est fermée par une paroi 16 transversale. La paroi 16 est traversée par une première portion intermédiaire 17.1 d'un circuit imprimé 17 en résine époxy dont une deuxième portion 17.2 s'étend dans la cavité 12 et une troisième portion 17.3 vient en saillie de l'extérieur du corps 11.

Le circuit imprimé 17 comprend un microprocesseur 18 porté par une face inférieure 17.21 de la deuxième portion 17.2 du circuit imprimé 17 ainsi qu'un module 19 de communication porté par la face supérieure 17.12 de la première portion 17.1 du circuit imprimé 17. Comme visible en figure 5, le module de communication 19 est, ici, noyé dans le corps 11. L'assemblage 1 est, ici, relié à la face supérieure 17.22 de la deuxième portion

17.2 du circuit imprimé 17 et une première portion 7.1 du premier substrat 3 s'étend depuis la deuxième portion

17.2 du circuit imprimé 17 jusqu'au conduit 13 de manière à ce qu'une première extrémité 7.11 de la portion 7.1 du premier substrat 3 vienne en contact avec la surface intérieure 13.3 de la chemise 13. Selon sa longueur et ou son inclinaison vis-à-vis de l'axe longitudinal Oy, la première extrémité 7.11 de la portion 7.1 du premier substrat 3 exerce un effort élastique plus ou moins important sur la chemise 12.

Des pistes conductrices non représentées portées par le circuit imprimé 17 relient l'assemblage 1, le microprocesseur 18 et l'unité de communication 19 à un premier port de sortie 20. Un connecteur 21 représentée en pointillés permet de relier le dispositif 10 à une unité de traitement non représentée.

La souplesse du premier substrat 3 et son montage particulier permet d'améliorer les performances du dispositif 10 en ce qui concerne la résistance aux vibrations et aux efforts thermomécaniques.

Les éléments identiques ou analogues à ceux précédemment décrits porteront une référence numérique identique à ceux-ci dans la description qui suit des deuxième, troisième, quatrième et cinquième modes de réalisation.

En référence à la figure 6, et selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la première portion 7.1 du premier substrat 3 qui est en contact avec la chemise 12 est courbée et exerce un effort élastique.

En référence à la figure 7, et selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le premier substrat 3 comprend une première portion 7.1 courbée et qui est en contact avec la surface intérieure 13.3 de la chemise 13 ainsi qu'une deuxième portion 7.2 s'étendant sensiblement transversalement dans la cavité 12. Le premier substrat 3 comprend également une troisième portion 7.3 courbée qui est en contact avec la surface intérieure 13.3 de la chemise 13. Avantageusement, la deuxième portion 7.2 comprend dix orifices 8 qui sont destinés à laisser passer le fluide 14. En référence à la figure 8, et selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, le dispositif 10 est dépourvu de deuxième substrat 17 et le premier substrat 3 s'étend au travers de la paroi 16. Le premier substrat 3 porte alors l'assemblage lainsi que le microprocesseur 18, le module 19 et le port de sortie 20.

En référence à la figure 9, et selon un cinquième mode de réalisation de l'invention, le premier substrat 3 est conformé pour réaliser une spirale d'axe longitudinal Oy. Le premier substrat 3 est relié au deuxième substrat 17 et le port de communication 20 est, selon ce cinquième mode de réalisation, noyé dans le corps 11. Une broche 22 s'étend depuis le port de communication 20 au travers du corps 11 pour venir en saillie du corps 11 et accueillir en son extrémité le connecteur 21. La forme en spirale du premier substrat 3 permet à la première portion 7.1 du premier substrat 3 et à la troisième portion 7.3 du premier substrat 3, qui sont diamétralement opposées, d' exercer un effort élastique sur la chemise 13 à la façon d'un ressort en spirale.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications.

En particulier,

- bien que l'assemblage électronique soit obtenu à l'aide d'un procédé comprenant une sélection particulière du couple premier substrat/composant et un assemblage par apport de chaleur, le dispositif 10 peut intégrer un assemblage électronique obtenu à l'aide d'un autre procédé que celui de l'invention comme par exemple un assemblage d'un composant sur un substrat flexible obtenu par collage, ou encore un assemblage d'un composant sur un substrat dans lequel le _; substrat possède un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui du composant électronique ;

- bien qu' ici la température de service maximale de l'assemblage soit de l'ordre de deux cents degrés centigrades, l'invention s'applique également à d'autres valeurs de température maximale de service comme par exemple des températures de service comprises entre zéro et deux cents degrés centigrades, des températures négatives ou supérieures à deux cents degrés centigrades ;

- bien qu' ici le composant soit un microsystème électromécanique piezorésistif de mesure de pression, l'invention s'applique également à d'autres types de composants comme par exemple des microsystèmes ou des nanosystèmes électromécaniques pouvant être capacitifs ou inductifs et ayant pour fonction de mesurer une pression, une température, ou d'assurer une fonction logique, de calcul ou de communication ;

- bien qu' ici le composant comprenne deux connecteurs, l'invention s'applique également à d'autres type de composant comme par exemple des composants comprenant un unique connecteur ou plus de deux ;

- bien qu'ici le substrat ait une épaisseur de quatre-vingt microns, l'invention s'applique également à d' autres types de substrat comme par exemple un substrat dont l'épaisseur est comprise entre un et quatre-vingt microns, ou d'une épaisseur supérieure à quatre-vingt microns, préférentiellement inférieure à cent microns ;

bien qu'ici, les pistes conductrices soient obtenues par métallisation sélective d'une première face du premier substrat sur une épaisseur de dix microns, l'invention s'applique également à d'autres moyens de raccordement électrique pouvant comprendre par exemple des fils conducteurs et/ou des pistes conductrices internes et/ou des pistes conductrices imprimées ou obtenues par insolation sélective du substrat, l'épaisseur des pistes pouvant être inférieure à dix microns ou supérieures à onze microns, idéalement inférieure à quinze microns et les pistes pouvant s'étendre sur les deux faces du substrat;

bien qu'ici, l'unité de traitement soit un microprocesseur, l'invention s'applique également à d' autres moyens de traitement comme par exemple un microcontrôleur, un FPGA ou une unité intégrée de type ASIC (de l'anglais « Application Spécifie Integrated

Unité ») ;

-bien qu'ici l'assemblage soit recouvert d'une couche de parylène de cinq microns, l'invention s'applique également à d'autres types de couches de protection comme par exemple une couche de parylène inférieure à cinq microns ou supérieure à six microns, préférentiellement inférieure à dix microns, une couche de silicone, d'acrylique ou de polyuréthane ;

- bien qu' ici le dispositif comprenne une chemise en acier inoxydable qui définit une cavité du dispositif, l'invention s'applique également à d'autres moyens de définir une cavité comme par exemple une chemise définissant partiellement avec le corps la cavité ou une cavité intégralement définie par le corps du dispositif et dépourvue de chemise ;

- bien qu' ici la chemise soit en acier inoxydable, l'invention s'applique également à des chemises en d'autres matériaux comme par exemple une chemise en métal non ferreux tel que le cuivre ou le bronze, ou une chemise en matière synthétique (polyamide par exemple) ou en fibre de verre ou de carbone ;

- bien qu'ici le corps du dispositif soit en polyamide, l'invention s'applique également à d'autres types de matériaux thermoplastiques comme par exemple le polyéthylène basse ou haute densité et le PVC, ou des matériaux thermodurcissables comme le formaldéhyde ou le polyester ;

- bien qu'ici la cavité du dispositif soit en forme de cylindre droit, l'invention s'applique également à d'autres types de cavité comme par exemple des cavités de forme sphérique, conique ou quelconque ;

- bien qu' ici le deuxième substrat soit en résine époxy, l'invention s'applique également à d'autres types de deuxième substrat comme par exemple un substrat flexible en polymères à cristaux liquides ou un substrat rigide en polyimide ;

- bien qu' ici le module de communication soit porté par la face supérieure du deuxième substrat tout en étant noyé dans le corps du dispositif, l'invention s'applique également à d'autres implantation du module de communication comme par exemple un module de communication porté par une face inférieure du deuxième substrat, un module de communication s'étendant totalement ou partiellement dans la cavité, un module partiellement noyé dans le corps, un module de communication situé à l'extérieur du corps ;

bien qu' ici les mesures de pression soient transmises à un circuit de communication extérieur via un connecteur filaire, l'invention s'applique également à d'autres moyens de communication comme par exemple des moyens de communication sans fil de type Bluetooth, Wi-Fi ou radio ;

- bien qu'ici le composant soit relié au premier substrat par brasage à l'étain, l'invention s'applique également à d' autres méthodes d' assemblage avec apport de chaleur comme par exemple le brasage à l'argent, à l'or, le frittage d'argent, ou encore une méthode comprenant la réalisation de connections par billes d' or ;

bien qu' ici le composant soit un composant simple, l'invention s'applique également à un composant comprenant un empilement de puces, dit « stack chip » ;

- bien qu' ici le premier substrat comprenne dix orifices pour laisser passer le fluide dont la pression est à mesurer, l'invention s'applique également à un premier substrat comprenant un nombre différent d' orifices comme par exemple entre un et neuf orifices ou plus de dix ;

- bien qu'ici les composants et le substrat aient été sélectionnés en regard de leurs températures de fusion, il sera idéalement fait usage de la température de transition vitreuse lorsque les matériaux sont des matériaux inorganiques.