Avantages de cette méthode

Ainsi, malgré l’utilisation de composant chimique dangereux, cette méthode est très efficace et peu coûteuse lorsqu’il s’agit de venir déposer du cuivre en surface d’un matériau non conducteur. Ces performances lui ont permis de connaître un essor considérable dans les milieux industriels à la fin du siècle dernier.

Dans notre cas, elle vient remplacer la laque argent qui nécessitait plusieurs dépôts et recuits pour arriver à une conductivité relativement faible de 3 S.µm-1. Les caractérisations faites sur les dépôts autocatalytiques de cuivre montrent une conductivité très légèrement supérieure de 5 S.µm-1. Bien que présentant un résultat finalement proche de la laque argent, la métallisation electroless permet de réaliser un dépôt homogène sur toute la surface de la pièce (attention toutefois au rapport diamètre/épaisseur des vias qui peut rendre la métallisation compliquée). De plus, une fois cette couche de cuivre appliquée, il est possible d’effectuer un « flash » d’or de quelques centaines de nanomètres afin de protéger la pièce de l’oxydation de ces surfaces.

Figure 70 : Pièces obtenues après un dépôt autocatalytique de cuivre. Les tranches des substrats découpés en amont présentent bien une métallisation de cuivre.

Assemblage par microbilles d’étain

L’assemblage des différentes couches faisait l’objet de nombreuses interrogations lors des premières étapes de prototypage. En effet, l’assemblage doit permettre localement un contact métallique pour permettre une continuité de masse puis diélectrique afin de permettre la propagation du champ.

L’utilisation de colle diélectrique ou métallique étant exclue nous nous sommes tournés vers une méthode de soudure locale.

Nous avons ainsi utilisé une machine de « pick-and-place¹⁹ » LPKF Protoplace S [documentation en ligne]. Cette machine permet de déposer de manière très localisée des microbilles d’étain à travers une seringue par un système de mise en surpression. La Figure 71 montre un dépôt de microbilles sur la partie métallisée à gauche du circuit. Les différentes parties métalliques en regard sont alors recouvertes et assemblées. Une fois les différentes couches assemblées l’ensemble est passé sur une durée très courte dans un four allant jusqu’à 235 °C. Les microbilles sont alors fondues, les différentes couches sont soudées et viennent garantir l’assemblage de la pièce. En fonction de la géométrie de la pièce, il peut être

19 De l’anglais « saisir et placer ».

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 94

Licence CC BY-NC-ND 3.0

nécessaire de venir appliquer une pression lors de cette étape de montée en température afin d’assurer une bonne jonction des différentes couches.

Figure 71 : Vue à travers le microscope en temps réel de la machine pick-and-place.

Assemblage : guide d’alignement

Lors des phases d’empilement, il est nécessaire de pouvoir garantir un maintien de l’alignement des différentes couches. Pour ce faire, des vias d’alignement ont été ajoutés aux différentes couches des dispositifs. Ces vias sont situés à l’extérieur de la structure et minimisés au maximum. Leurs diamètres sont dépendants des normes mécaniques qui imposent les diamètres standards des vis et des piges ; les diamètres que nous avons généralement sélectionnés sont de 1,6 mm et 2 mm. Afin d’empêcher une quelconque influence de ces vias sur les différents résonateurs, ils sont généralement isolés du reste de la structure par des vias de plus petite dimension qui viennent assurer une isolation électrique.

Gravure des pièces

Au cours de ce projet, le laboratoire XLIM s’est doté d’une machine de gravure performante : une LPKF ProtoMat S63 [documentation en ligne20].. La résolution avancée par la machine est de 0,5 µm ce qui permet d’assurer une fidélité de reproduction entre la simulation et le circuit réalisé. La Figure 72 présente un zoom effectué sur une zone gravée après les différentes étapes de métallisation.

Figure 72 : Vue au microscope numérique d’une gravure réalisée pour l’implantation d’une puce d’amplification faible bruit.

Le procédé utilisé par la machine pour maintenir les pièces pendant la gravure est un système d’aspiration qui vient coller la plaque de substrat sur le plan de travail. Cette méthode est suffisante lorsque l’on usine une plaque entière de substrat mais très peu fiable lorsqu’il s’agit des dimensions que possèdent certaines de nos pièces.

Afin de résoudre ce problème, dans les premières étapes de prototypage, les pièces étaient maintenues à l’aide d’un adhésif double face après les étapes de métallisation. Cependant, la force d’adhésion était telle qu’elle venait parfois arracher la métallisation obtenue lors du dépôt autocatalytique de cuivre.

Figure 73 : Pièce gravée incluse dans une empreinte créée en substrat bas coût (FR-4).

La solution finalement retenue consiste à venir percer une empreinte des pièces à graver dans un substrat à bas coût et donc sacrifiable (ici du FR-4). Ce substrat qui possède une empreinte du circuit à graver est ensuite fixé à la table. Durant la création de l’empreinte, l’enlèvement de matière se fait à l’intérieur du contour et nous prenons une marge de sécurité d’une centaine

Johann Sence | Thèse de doctorat | Université de Limoges | 2019 96

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de microns afin d’éviter tout problème d’emboitement. De plus, des trous sont rajoutés aux coins de la pièce afin de permettre son extraction facilement.

La Figure 73 expose un exemple de circuit gravé alors qu’il est inclus dans une empreinte réalisée par découpage dans un autre substrat moins coûteux.