FR2466103A1

FR2466103A1 - Procede de realisation d'un reseau d'interconnexion de composants electroniques a conducteurs en aluminium et isolant en alumine et reseau d'interconnexion obtenu par ce procede

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Publication number: FR2466103A1
Application number: FR7923204A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1981-03-27
Also published as: FR2466103B1

Abstract

PROCEDE DE REALISATION D'UN RESEAU D'INTERCONNEXION DE COMPOSANTS ELECTRONIQUES. SELON CE PROCEDE, ON PART D'UN SUPPORT DE BASE, PAR EXEMPLE EN ALUMINIUM, ON DEPOSE SUR CE SUPPORT UNE COUCHE D'ALUMINE ET ON REALISE ENSUITE UN EMPILEMENT DE PLAN D'INTERCONNEXION PAR DEPOTS SUCCESSIFS DE COUCHES D'ALUMINIUM EN GRAIN ET OXYDATIONS ANODIQUES SELECTIVES. LE RESEAU OBTENU EST UN EMPILEMENT DE CONDUCTEURS EN ALUMINIUM NOYES DANS DE L'ALUMINE. APPLICATION EN ELECTRONIQUE.

Description

La présente invention a pour objet un procécé de réalisation d'un réseau d'interconnexion de composants électroniques à conducteurs en aluminium et isolant en alumine et un réseau d'interconnexion obtenu par ce procédé. Elle trouve une application en électronique.

Les réseaux d'interconnexion de composants électroniques sont principalemend réalisés a. l'aide de circuits imprimés obtenus à partir d'un substrat isolant sur lequel est réalisé, par méthode soustractive, semi-additive ou additive, un réseau d'interconnexion en cuivre. Suivant le ty- pe de réseau à réaliser, différents types de circuits imprimés sont utilisés. Ils peuvent etre rigides, semi-rigides ou souples, simple face ou double face, ou encore multicouches.

Les liaisons entre faces ou entre couches sont généralement réalisées à l'aide de trous métallisés en cuivre. Les composants actifs et/ou passifs sont ensuite rapportés par brasure tendre.

l'intégration de plus en plus poussée de composants électroniques a conduit à développer une autre technologie : celle des circuits hybrides.

Un circuit hybride est obtenu à partir d'un sup- port isolant d'origine minérale sur lequel sont déposé une ou plusieurs couches de liaisons conductric-# ainsi. que des composants essentiellement passifs : résistances, inductan- ces, condensateurs ; les composants actifs, semi-conduc- teurs et circuits intégrés, sont reliés par soudure ou bra- sure tendre. Deux techniques sont utilisées pour réaliser les circuits hybrides : l'évaporation de couches minces, la sérigraphie de couches épaisses. Cette dernière tend chaque jour à prendre une place plus importante.Les liaisons @@@- ductrices et les composants passifs y sont realisés par dé- pôts sérigraphiés de pâtes adaptées suivis de séchages et d'une cuisson au four.

Quelle que soit la technologie employée, circuits imprimés ou circuits hybrides, le support de base utilisé est un isolant électrique : papier phénolique, papier époxy, verre époxy, polyimide pour la première, verre céramique ou alumine pour la seconde.

Tous ces supports sont en général de mauvais conducteurs thermiques. Or, la recherche d'une intégration de plus en plus poussée pose fatalement un problème d'évacuation thermique.

Pour bénéficier d'une meilleure dissipation thermique, on peut utiliser des supports isolants de faible -épaisseur rapportés et disposés sur un substrat de base métallique, par exemple en cuivre, en acier ou en aluminium.

Différents supports d'interconnexion de ce type ont vu le jour : circuit à drain thermique collé, à âme métallique (tôle émaillée, tôle époxy, etc...). Mais quel que soit le type de support retenu, le produit final est réalisé par l'association de plusieurs matériaux de base de natures très différentes, comme le verre, l'époxy, le cuivre, l'alumine, l'acier, les émaux, etc..., ce qui pose de nombreux problèmes technologiques.

Ces problèmes seraient considérablement réduits si l'on pouvait réaliser des circuits présentant l'ensemble des qualités souhaitées tant sur le plan électrique, mécanique que thermique, à l'aide d'un matériau de base unique qui permettrait à la fois la réalisation de conducteurs d'environ 100 zm de largeur minimum et de couches isolantes.

Un matériau semble devoir jouer un rôle important dans ce domaine : c'est l'aluminium. En effet, ce métal est un bon conducteur électrique, sa résistivité étant de 2,84 -Q cm, soit 62% de celle du cuivre, et à l'état d'oxyde (A1203), il peut être un très bon isolant. En combinant l'une et l'autre de ces propriétés par des techniques appropriées, il est possible de réaliser des réseaux d'interconnexion simple couche ou multicouches pouvant recevoir des composants électroniques actifs et/ou passifs rapportés selon les méthodes classiques indiquées plus haut.

La présente invention a justement pour objet un procédé de réalisation d'un réseau d'interconnexion qui est de ce type.

De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un réseau d'interconnexion de composants électroniques, caractérisé en ce que : - on part d'un support de base métallique, - on dépose sur au moins une des faces de ce support une
couche d'isolement en alumine, sur tout ou partie de la
face, - sur cette couche, on réalise un empilement de plans d'in
terconnexion, chaque plan étant obtenu en déposant d'abord
sur toute la surface de la couche qui précède une couche
d'aluminium en grain, puis en réalisant une oxydation ano
dique sélective de certaines zones de cette couche à tra
vers un masque approprié, cette oxydation sélective lais
sant subsister des zones conductrices en aluminium qui
forment les conducteurs du réseau d'interconnexion et don
nant naissance à des zones isolantes en alumine qui iso
lent ces conducteurs les uns des autres.

De préférence, pour déposer la couche d'isolement en alumine, on dépose sur le substrat métallique une couche d'aluminium à structure en grain, puis on effectue une oxydation anodique de ladite couche.

Le dépôt de la couche d'aluminium en grain sur le substrat métallique peut s'effectuer par exemple, à l'aide d'un plasma d'arc.

De préférence encore, le support de base est en aluminium ou en alliage d'aluminium corroyé.

L'invention a également pour objet un réseau d'interconnexion obtenu par le procédé qui vient d'être défini et qui est caractérisé en ce qu'il comprend successivement : - un support de base métallique recouvert d'une couche
d'isolement en alumine, - une couche d'aluminium à structure en grain, - un empilement de plans d'interconnexion constitués chacun
par des conducteurs en aluminium noyés dans de l'alumine, - une surface isolante externe sur laquelle affleurent des
plots d'aluminium de raccordement électrique.

De préférence, le support de base est en aluminium ou en alliage d'aluminium corroyé.

Une fois le réseau d'interconnexion réalisé, les composants électroniques sont rapportés par brasure tendre, soudure ou au besoin hybridés sur la face supérieure du réseau où apparaissent des zones conductrices servant de plots de raccordement.

La technologie conforme à l'invention permet de travailler aussi bien sur de petites surfaces (quelques cm2) que sur des grandes (plusieurs dm2).

La largeur des conducteurs peut être faible (1001un) ou atteindre des valeurs plus grandes, quelques mm selon les besoins.

L'épaisseur des conducteurs se situe avantageusement entre 10 et 50 '#ixn selon le type de réseau, la densité de courant, les chutes de tension tolérées, etc... L'épaisseur de la couche d'alumine destinée à réaliser l'isolement électrique entre le support de base et les plans d'interconnexion est en général inférieure à 10 xm.

De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre- explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un exemple de réseau d'interconnexion conforme à l'invention (en vue de dessus (a), et en coupe (b)) ;
- la figure 2 illustre les différentes étapes du procédé permettant de réaliser le#réseau de la figure précédente ; cette figure 2 se subdivise en 28 sous-figures numérotées 2-1 à 2-28, chacune de ces sous-figures illustrant une étape du procédé de fabrication t
- la figure 3 illustre un exemple de réalisation d'un réseau d'interconnexion muni de piliers de raccordement thermique
- la figure 4 montre un exemple de réalisation d'un dispositif à plusieurs réseaux répartis sur différentes faces d'un support parallélépipédique.

Le réseau d'interconnexion représenté schématiquement sur la figure 1 (en vue de dessus sur la partie a et en coupe suivant AA sur la partie b) comprend deux plans d'interconnexion, chaque plan comprenant trois conducteurs.

Les conducteurs 10 du premier plan sont croises avec ceux 12 du second, et chacun d'eux possède une extrémité qui sort sur la face supérieure par un plot de raccordement, respectivement 11 pour les conducteurs 10, et 1 pour les conducteurs 12. Les conducteurs du premier et du second plan sont raccordés entre eux deux à deux dans des zones 14. Tous les conducteurs sont en aluminium et sont isolés les uns des autres par de l'alumine 20. L'ensemble est déposé sur un substrat en aluminium 22.

On comprendra qu'un tel réseau est volontairement simplifié afin de rendre plus claire la description qui va suivre, mais que, dans la réalité, le réseau peut être beaucoup plus complexe.

La figure 2 illustre les différentes étapes de fabrication d'un tel réseau (figures 2-1 à 2-28). Toutes les figures en coupe correspondent à une section suivant la ligne AA marquée sur la figure la, à l'exception de la figure 2-15 et de la figure 2-19 qui sont des coupes suivant la ligne BB.

Les différentes étapes du procédé de fabrication de l'invention se présentent alors comme suit, dans le cas particulier envisagé.

1 - on part d'un support de base qui est une plaque d'alumi
nium 22 ou d'alliage d'aluminium (figure 2-1) ; au moins
une des faces de ce support présente un bon état de
surface, de préférence un poli optique ; les dimensions
de la plaque dépendent de l'importance du circuit à réa
liser (quelques cm2 à plusieurs dm2), son épaisseur peut
être, dans le cas particulier envisagé, de 0,8 à 2,5 mm.

2 - La plaque d'aluminium est nettoyée selon les règles de
l'art pour enlever les graisses et salissures ; elle
peut éventuellement être soumise à un léger traitement
chimique de décapage dans une solution de soude à
80 g/litre à une température de 60 à 700C pendant quinze
secondes, suivi d'une neutralisation ; ces traitements
préparatoires ont pour but de rendre la surface apte à
l'accrochage du dépôt qui va suivre 3 - L'opération suivante consiste à réaliser, sur la surface
ainsi préparée, une couche isolante d'alumine 24 de fai
ble épaisseur ( < 10 wn) (figure 2-2).Cette couche permet
d'isoler électriquement le support de base 22 du réseau
d'interconnexion tout en permettant une dissipation
thermique correcte au travers de cette couche. Plusieur-s
procédés peuvent être employés pour réaliser cette cou
che :
- soit à partir d'une couche d'aluminium à l'aide dtun
chalumeau à plasma d'arc,
- soit par pulvérisation cathodique magnétron,
- soit par dépôt d'aluminium à structure en grain à
l'aide d'un chalumeau à plasma d'arc, suivi d'une oxy
dation anodique comme décrit dans la demande de brevet
n0 79 15 398 du 15 juin 1979 intitulée "Support métal
lique pour réseau d'interconnexion de composants élec
troniques et procédé de fabrication de ce support".

Suivant le type de réseau d'interconnexion à réaliser,
ce dépôt peut être effectué sur toute la surface du sup
port de base ou seulement sur certaines zones (figure 2
3).

4 - On dépose une couche 26 d'aluminium à structure en
grain, de quelques dizaines de m sur toute la surface,
par exemple à l'aide d'un plasma (figure 2-4). La couche
26 doit être d'épaisseur suffisante pour que l'oxydation
anodique qui va suivre n'atteigne pas la couche d'alumi
ne 24 sous-jacente afin de ménager des amenées de cou
rant par dessous en tous les points de la surface, évi
tant ainsi la création de zones fermées ou "ilots"
impossibles à oxyder ultérieurement.La figure 2-5 mon
tre de tels ilots 28 qu'il n'est plus possible d'oxyder
par une amenée de courant par le dessous et la figure 2
6 des zones 29 qui, au contraire, peuvent faire l'objet
d'une oxydation anodique 5 - Il faut ensuite masquer partiellement la surface en
fonction de la forme des conducteurs à réaliser de ma
nière à ne laisser apparentes que les zones devant être
isolées. Le masque peut être appliqué directement sur la
couche d'aluminium 26 précédemment déposée ou après
avoir fait subir à celle-ci une préoxydation aboutissant
à une couche 30 de quelques microns d'épaisseur (figure
2-7). Cette préoxydation a pour but de limiter la diffu
sion de l'oxydation sous la couche de réserve. Avant ces
opérations, la couche d'aluminium peut recevoir un éven
tuel avivage.Le masque est réalisé à l'aide d'un pro
duit photosensible liquide ou d'un film sec exposé à un
rayonnement ultraviolet au travers d'un masque photogra
phique conforme au réseau à réaliser (figures 2-8 et 2
9). Ce masque 32 comprend des ouvertures 34 correspon
dant aux zones à oxyder. Tout autre type de masquage
peut être utilisé sous réserve qu'il permette une pro
tection efficace de la couche d'aluminium aux endroits
voulus et qu'il résiste à l'opération d'oxydation anodi
que ; 6 - La plaque ainsi préparée est soumise à une oxydation
anodique (création d'alumine A12O3). Seules les parties
de l'aluminium qui sont apparentes seront oxydées et
transformées en isolant. Cette oxydation est réalisée
par l'un des procédés classiques d'oxydation anodique de
l'aluminium corroyé (bain sulfurique, chromique, oxali
que, etc...).Pour cette oxydation anodique, le masque
de réserve devra comprendre une zone 33 destinée à lais
ser subsister une zone conductrice permettant d'effec
tuer un contact électrique, directement sur la couche
d'aluminium à oxyder. Cette oxydation partielle de la
surface au travers d'un masque est appelé par la suite
"oxydation sélective". A ce stade de fabrication,
l'épaisseur d'isolant doit se situer entre 5 et 10 .m ;
le temps d'oxydation est déterminé en conséquence.La
structure obtenue avec son dépôt d'isolant 36 est repré
sentée sur la figure 2-10 7 - Après oxydation sélective, le masque de réserve 32 est
enlevé selon les règles de l'art, par exemple par disso
lut ion dans un solvant (figure 2-11) 8 - Si la couche d'aluminium 26 a reçu une préoxydation 30
ou si l'on veut supprimer la surépaisseur 39 (figure 2
11) de la couche d'alumine (celle-ci est plus épaisse
que le métal qui lui a donné naissance), on traite le
support par une solution d'attaque de l'alumine consti
tuée par
- de l'acide phosphorique PO4H5 à 80% 35 ml/litre,
- de- l'acide chromique cristallisé Cr03 20 g/litre,
- de l'eau distillée en complément à un litre,
- la température de travail étant située entre 60 et
1000C.

Le temps d'immersion dans cette solution est de quelques
dizaines de secondes et dépend de l'épaisseur d'alumine
à enlever. On obtient alors le support de la figure 2
12 ; 9 - L'opération suivante consiste à déposer une nouvelle
couche 38 d'aluminium sur l'ensemble de la surface (fi
gure 2-13). A ce stade, la pièce retrouve l'aspect exté
rieur qu'elle avait au stade de la figure 2-4 ; 10- Un deuxième masque 40 présentant des ouvertures 42 ap
propriées (figure 2-14) est déposé sur la couche d'alu
minium 38 (figure 2-15 correspondant à une coupe selon
la ligne CC indiquée sur la figure 2-14) 11- Une nouvelle oxydation anodique d'épaisseur moyenne 5 à
10 m est effectuée à travers ce second masque (figure
2-16).Cette oxydation isole le premier plan de con
nexion du second au niveau du croisement des conducteurs
tout en fixant l'épaisseur du conducteur du premier
plan. De plus, elle laisse l'aluminium apparent au ni
veau des zones où doivent être réalisés des contacts
électriques entre le premier et le second plans (zone 14
sur la figure 2-17) 12- Après élimination du masque 40, un troisième masque 45
est mis en place (figure 2-18). Au travers de ce masque,
on effectue une oxydation de plus forte épaisseur, jus
qu'au niveau de la première oxydation du premier dépôt
(figure 2-19 qui correspond à une coupe BB de la figure
1).Cette oxydation permet de poursuivre l'oxydation
précédente, donc l'isolement, entre les conducteurs du
premier plan, mais ceci simplement au droit de l'empla
cement des conducteurs du deuxième plan d'interconnexion
(figure 2-20) ; 13- On enlève le dernier masque ; on traite la surface comme
décrit au stade 8 ; 14- On procède au dépôt d'une troisième couche d'aluminium
44 sur toute la surface (figure 2-21) 15- On met en place un quatrième masque 46 sur cette couche
44 (figure 2-22) ; 16- On effectue une nouvelle oxydation sélective de faible
profondeur qui sert à délimiter les conducteurs du
deuxième plan de connexion (figure 2-23) ; 17- Après suppression du masque précédent, on met en place
un cinquième masque 48.On effectue une oxydation anodi
que sélective de profondeur suffisante pour atteindre la
couche d'isolement entre les conducteurs du premier et
du deuxième plan de connexion (figure 2-25). Cette opé
ration permet d'isoler partiellement les conducteurs du
deuxième plan entre eux et de poursuivre l'isolement des
conducteurs du premier ; 18- Après élimination du masque précédent, on place un
sixième et dernier masque 50 (figure 2-26). On effectue
une oxydation très profonde jusqu'à la première couche
d'isolement 24 du support de base et on termine l'isole
ment des différents conducteurs entre eux (figure 2-27).

Seuls des plots de raccordement 13 (figures 2-27 et 2
28) en aluminium apparaissent à la surface du réseau, le
reste de la surface étant en alumine à l'exception tou
tefois d'une plage 53 réservée au contact électrique
pour les différentes oxydations, cette plage ayant été
ménagée par des ouvertures 33, 41, 43, 47, 49 et 51 dans
les différents masques utilisés 32, 40, 45, 46, 48 et
50. Cette dernière zone peut être éliminée si besoin
est, par découpe (axe de la découpe 54) d'une bande cor
respondant à la largeur du contact. Dans certains cas,
et notamment chaque fois que des liaisons directes sont
à effectuer entre la face supérieure du réseau et le
support de base, le premier dépôt d'aluminium 26 qui
sert principalement d'amenée de courant pour les oxyda
tions peut être supprimé ; c'est le support de base qui
le remplace.Dans le cas de réseaux d'interconnexion à
plusieurs plans de conducteurs, présentant une épaisseur
supérieure à 80 im, au-delà de laquelle les oxydations
profondes sont difficiles à réaliser, on procède en ter
minant à un stade intermédiaire les isolements entre
conducteurs par une oxydation profonde. On dispose en
suite une nouvelle couche d'aluminium qui sert d'amenée
de courant et l'on poursuit la construction du réseau de
manière identique à celle qui a été décrite ci-dessus.

La description qui précède correspond à un exemple de mise en oeuvre, mais il est naturellement possible d'utiliser d'autres combinaisons de masques, d'oxydations de faible et de forte épaisseurs pour aboutir à un résultat semblable. De même, si les figures 1 et 2 décrivent la mise en oeuvre du procédé de l'invention dans le cas d'un réseau à deux plans de conducteurs, il va de soi qu'un tel procédé permet de réaliser des réseaux de tracés beaucoup plus complexes comportant plusieurs plans de conducteurs.

Les réseaux d'interconnexion obtenus par le procédé de l'invention laissent apparaître sur leur face supé rieure des plots en aluminium : les uns sont destinés à re cevoir les connexions électriques des composants après qu'ils aient subi un traitement de surface approprié qui dépend du mode de raccordement de ces composants (soudure, brasure, dépôt sérigraphique) ; les autres peuvent assurer une liaison thermique efficace entre les composants et le support de base qui sert alors de dissipateur. Dans ce cas, on réalise une liaison métallique directe entre le plot de la surface supérieure et le support de base, au cours de la fabrication du réseau d'interconnexion et cela par des couches d'aluminium déposées successivement. C'est ce qui est illustré schématiquement sur la figure 3 qui représente un réseau 60 muni de contacts électriques 62 et de piliers 64 et 66 permettant un raccordement thermique direct avec le support de base 68.

Dans la description qui précède, une seule face du support de base reçoit un réseau d'interconnexion. Mais il est possible de réaliser le meme réseau ou des réseaux présentant des configurations différentes sur plusieurs faces d'un même support, celui-ci n'étant d'ailleurs pas nécessairement plan. C'est ce qui est représenté sur la figure 4 où l'on voit un support de base 70 de forme parallélépipédique, supporter une pluralité de réseaux d'interconnexion 72 répartis sur ses différentes faces.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de réalisation d'un réseau d'interconnexion de composants électroniques, caractérisé en ce que : - on part d'un support de base métallique, - on dépose sur au moins une des faces de ce support une

couche d'isolement en alumine, sur tout ou partie de la

face, - sur cette couche on réalise un empilement de plans d'in

terconnexion, chaque plan étant obtenu en déposant d'abord

sur toute la surface de la couche qui précède une couche

d'aluminium en grain, puis en réalisant une oxydation ano

dique sélective de certaines zones de cette couche à tra

vers un masque approprié, cette oxydation sélective lais

sant subsister des zones conductrices en aluminium qui

forment les conducteurs du réseau d'interconnexion et don

nant naissance à des zones isolantes en alumine qui iso

lent ces conducteurs les uns des autres.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour déposer la couche d'isolement en alumine, on dépose sur le substrat métallique une couche d'aluminium à structure en grain, puis on effectue une oxydation anodique de ladite couche.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dépôt de la couche d'aluminium en grain sur le substrat métallique s'effectue à l'aide d'un plasma d'arc.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support de base est en aluminium ou en alliage d'aluminium corroyé.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'oxydation sélective relative à l'un des plans d'interconnexion s'effectue jusqu'à une profondeur permettant d'atteindre des plans précédemment constitués.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'après formation d'un plan d'ïnterconnexion, on procède à la mise à niveau de la dernière couche d'alumine obtenue par attaque sélective chimique.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la dernière oxydation sélective effectuée réalise un isolement complet de l'ensemble des zones conductrices tout en laissant apparents, au niveau de la surface extérieure du réseau, des plots de raccordement électrique des composants aux conducteurs.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, grâce à une forme appropriée donnée aux masques utilisés, on laisse subsister à travers l'ensemble des plans d'interconnexion des piliers en aluminium reliés à leur base au substrat métallique et à leur sommet à des plots de connexion thermique répartis sur la surface externe du réseau.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on forme des plans d'interconnexion sur plusieurs faces du support.

10. Réseau d'interconnexion obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend successivement - un support de base métallique recouvert d'une couche

d'isolement en alumine, - une couche d'aluminium à structure en grain, - un empilement de plans d'interconnexion constitués chacun

par des conducteurs en aluminium noyés dans de l'alumine, - une surface isolante externe sur laquelle affleurent des

plots d'aluminium de raccordement électrique.

11. Réseau d'interconnexion selon la revendication 10, caractérisé en ce que le support de base est en aluminium ou en alliage d'aluminium corroyé.

12. Réseau d'interconnexion selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des plots de connexion thermique répartis à la surface externe du réseau et des piliers en aluminium qui relient ces plots au substrat métallique à travers les plans d'interconnexion.