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FR2489592A1 - Micro-boitier ceramique d'encapsulation de circuit electronique - Google Patents

Micro-boitier ceramique d'encapsulation de circuit electronique Download PDF

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FR2489592A1
FR2489592A1 FR8018927A FR8018927A FR2489592A1 FR 2489592 A1 FR2489592 A1 FR 2489592A1 FR 8018927 A FR8018927 A FR 8018927A FR 8018927 A FR8018927 A FR 8018927A FR 2489592 A1 FR2489592 A1 FR 2489592A1
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capacitor
box
electronic circuit
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Thomson CSF SA
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Publication date
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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MICRO-BOITIER D'ENCAPSULATION POUR CIRCUIT ELECTRONIQUE, ET PLUS PARTICULIEREMENT SON EMBASE EN MATERIAU CERAMIQUE. LES CIRCUITS ELECTRONIQUES COMPRENNENT FREQUEMMENT DES CONDENSATEURS DE LIAISON OU DE DECOUPLAGE, QUI NE SONT PAS INTEGRABLES SUR UNE PASTILLE SEMI-CONDUCTRICE, ET QUI, DE CE FAIT, OCCUPENT UNE SURFACE SUPERIEURE A CELLE D'UN CIRCUIT INTEGRE. EN VUE D'AUGMENTER LA DENSITE DES COMPOSANTS, L'INVENTION PREVOIT QUE L'EMBASE MONOLITHIQUE DU MICRO-BOITIER D'ENCAPSULATION EST REALISEE DANS UN MATERIAU CERAMIQUE A FAIBLE CONSTANTE DIELECTRIQUE, TEL QUE L'ALUMINE, CE QUI PERMET D'EN FAIRE LE DIELECTRIQUE D'AU MOINS UN CONDENSATEUR. DE PLUS, LA MATRICE DE CE MATERIAU PERMET D'Y DEPOSER LES CONNEXIONS DE SORTIES, SANS CAPACITES PARASITES. APPLICATION AUX CIRCUITS HYBRIDES.

Description

L'invention concerne un micro-boitier céramique d'encapsulation de circuits électroniques, dont l'embase, réalisée dans un matériau à faible constante diélectrique, intègre dans une seule pièce au moins un condensateur de liaison et les métallisations de connexions du circuit électronique.
L'intérêt de ce boitier d'encapsulation est de réaliser un gain de place important dans la réalisation de circuits hybrides, puisque les condensateurs de liaison ou de découplage, qui figurent ordinafrement sur les schémas de cablage à l'entrée et à la sortie des étages du circuit électronique, et qui sont ordinairement disposés sur le circuit hybride à coté des autres composants constituant le circuit électronique, sont désormais intégrés dans son boitier de protection. Le circuit hybride, comme le nom l'indique utilise en partie des composants intégrés tels que les circuits intégrés, sous forme de pastille, et des composants discrets tels que des condensateurs ou des résistances.
Les dimensions des condensateurs de liaison ou de découplage d'un circuit intégré sont telles que les condensateurs de liaison ou de découplage ont un volume à peu près égal, pour chacun, au volume du circuit intégré encapsulé, et occupent à la surface du substrat du circuit hybride une surface égale à celle du circuit intégré. C'est donc un grand intérêt dans le sens de la densité d'intégration que de pouvoir supprimer au moins les condensateurs de liaison des circuits électroniques en les intégrant dans le boitier d'encapsulation de ces circuits.
Dans la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 7911852, la société demanderesse décrit un micro-boitier d'encapsulation dans l'embase duquel un condensateur au moins est incorporé. Cependant, ce condensateur est réalisé dans un matériau à forte constante diélectrique, ce qui rend obligatoire, dans les applications, que le condensateur soit entouré par un cadre, lui même réalisé dans un matériau diélectrique, et qui supporte les connexions externes du circuit électronique. S'il n'y avait pas ce cadre, il y aurait formation de condensateurs parasites entre les connexions, prises deux à deux, et le matériau constituant l'embase. Le ou les condensateurs de l'embase sont donc incrustés dans un cadre de nature différente, et il n'est pas possible de dire que l'embase du micro-boitier est monolithique.
Le micro-boitier selon l'invention comporte une embase dont la nature est telle qu'elle permet d'intégrer dans une seule pièce au moins un condensateur et les métallisations de connexions, sans formation de condensateurs parasites. Ce résultat est obtenu par l'emploi d'un matériau unique à faible constante diélectrique, telle que l'alumine ou un mélange de titanate de calcium et de terres rares.
De façon plus précise, l'invention consiste en un micro-boitier céramique d'encapsulation de circuit électronique comportant au moins un condensateur de liaison, ce micro-boitier étant formé à partir d'une embase qui supporte le circuit et une pluralité de connexions extérieures, et étant caractérisé en ce que l'embase est constituée par une unique plaque d'un matériau céramique à faible constante diélectrique, dont la partie centrale forme, avec au moins deux métallisations, au moins un condensateur, et dont le périmètre supporte les connexions extérieures du circuit électronique.
L'invention sera mieux comprise grace à la description qui suit, laquelle s'appuit sur un exemple d'application et sur les figures annexes qui représentent:
figure 1 : une embase de micro-boitier suivant l'art connu
figure 2 : une embase de micro-boitier selon l'invention
figures 3 et 4: des embases de micro-boitier selon l'invention dans deux variantes d'application.
La figure 1 représente une embase de micro-boitier selon l'art connu tel que révélée par la demande de brevet français enregistrée sous le numéro 79 11 852, au nom de la société demanderesse.
Cette embase, qui n'est représentée que schématiquement sur la figure 1, et ne comporte que les éléments nécessaires à la compréhension, est essentiellement constituée par une plaque 1 d'un matériau céramique à forte constante diélectrique c 1 Cette plaque est métallisée sur ses deux faces principales par deux métallisations 2 et 3 qui constituent des armatures d'un condensateur.L'embase est complétée par un cadre 4 qui entoure la plaque du condensateur 1, cadre réalisé dans un matériau à faible constante diélectrique s2. il est complété par un second cadre 5 également réalisé par un matériau diélectrique à faible constante 2. L'ensemble des deux cadres 4 et 5 supportent les métallisations 6 qui constituent les connexions entre le circuit électronique encapsulé dans ce boitier et les liaisons extérieures. Le cadre 5 n'est pas indispensable mais le cadre 4 au moins est nécessaire pour éviter que des condensateurs parasites ne se forment entre les connexions 6 prises deux à deux et le matériau à forte constante diélectrique de la plaque 1.
Dans ce type de micro-boitier selon l'art connu, la pastille de circuit électronique est soudée sur l'armature 3 du condensateur; elle est reliée aux connexions extérieures par l'intermédiaire de fils métalliques soudés dune par sur les plots du circuit électronique, d'autre part sur l'extrémité des métallisations de connexions 6. Le micro-boitier est fermé par un couvercle, qui n'est pas représenté sur la figure 1, et qui prend appui sur un cadre 7, en matériau isolant, de façon à éviter que la plaque métallique qui constitue le couvercle ne court-circuite entre elles les connexions 6.
Sur cette figure 1, un seul condensateur constitué par les armatures 2 et 3 est représenté: cependant appartient au domaine de l'art connu le cas où deux condensateurs seraient constitués côte à côte sur la même plaque de diélectrique 1, par exemple un condensateur d'entrée et un condensateur de sortie pour assurer le découplage.
Le raisonnement qui a amené à la création de ce micro-boitier selon l'art connu consiste à utiliser la paroi de céramique du micro-boitier, bien souvent en titanate de barium, de la métalliser sur ces deux faces pour faire un condensateur. Il est alors nécessaire de rajouter au moins un cadre 4 dont le matériau soit différent pour éviter la formation de condensateurs parasites.
Le micro-boitier selon l'invention procède d'un raisonnement inverse et partant d'un condensateur, de préférence un condensateur multi-couches, le modifie et l'adapte pour en faire l'embase d'un micro-boitier d'encapsulation.
La figure 2 représente une vue en coupe d'une embase d'un micro boitier selon l'invention.
L'embase de ce micro-boitier est constituée par un condensateur, représenté sur cette figure 2 sous la forme d'un condensateur multicouches, obtenu par l'empilement alterné d'électrodes 8 et d'électrodes 9 et de feuilles de céramique 10. Les séries d'électrodes 8 et 9, sont réunies entre elles de façon à obtenir deux bornes de connexions pour ce condensateur, l'une des bornes étant constituée par l'électrode supérieure du condensateur multicouches, sur laquelle est brasée ou soudée par tout autre moyen connu de l'homme de l'art, un circuit électronique Il. L'autre borne qui n'est pas représentée sur la figure est prise par l'intermédiaire, par exemple, de l'une des métallisations de connexions externes 13 du circuit hybride.
Le circuit électronique 11 est réuni aux métallisations de connexions 13 par l'intermédiaire de fils d'or, d'argent, ou d'aluminium 14. Les métallisations de connexions extérieures sont en fait et celà ressort sur la figure, déposées à la surface du bloc céramique qui constitue l'embase dans le fond de cannelures pratiquées sur les côtés du bloc, cannelures qui ont pour fonction d'éviter que ces métallisations ne soient rayées ou arrachées: c'est pourquoi les métallisations 13 semblent sur la figure passées à l'intérieur du bloc céramique.
Dans ce premier exemple de réalisation d'un micro-boitier selon l'invention, l'embase supporte en outre un cadre céramique 15 sur lequel sont déposées les métallisations 13 ; ce cadre a pour fonction de faciliter l'opération de raccordement par fils entre le circuit électronique 11 et les connexions externes 13.
Il comporte également un second cadre 16 déposé par dessus le premier cadre 15: ce second cadre, métallisé en 17 sur sa surface libre, a pour fonction de recevoir le couvercle de fermeture, qui est fréquemment une plaquette métallique soudée en 17, le matériau du cadre étant l'isolant qui empêche le couvercle et la métallisation 17 de court-circuiter les connexions externes 13.
L'embase à proprement parler du micro-boitier est ainsi constituée par un condensateur qui peut être un condensateur à deux électrodes ou de préférence, en raison de la faible constante diélectrique du matériau choisi, un condensateur multicouches. Si le condensateur est un condensateur à deux électrodes, son diélectrique s'étend à l'extérieur de la région du condensateur lui-même et constitue le support des connexions extérieures 13 : l'embase est bien monolithique. Si le condensateur est un condensateur multicouches, il est obtenu par empilement de feuilles crues de céramique métallisée sur une face, cet empilement donnant un condensateur multicouches, mais l'embase est néanmoins monolithique car l'empilement des feuilles crues donne un bloc monolithique après cuisson.
Le matériau céramique préférable dans une application de l'invention est l'alumine qui a une constante diélectrique de l'ordre de 9,4 à 9,7, c'est à dire peu élevée, et d'une façon générale inférieure à 15.
L'alumine présente l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation linéaire, 6 à 7.10 6 par degré, voisin de celui du silicium, ce qui évite les problèmes de dilatation entre pastille de circuit intégré et boitier, au cours de l'échauffement en fonctionnement. En outre l'alumine a une conduction thermique acceptable, dix fois moins élevée que pour l'oxyde de bérylium mais plus élevée que celle de diélectrique à base de titanate de baryum.
A titre d'illustration de l'invention, on sait actuellement réaliser des feuilles d'alumine crues d'épaisseur comprise entre 15 et 25 microns, sur lesquelles sont déposées des électrodes par métallisation épaisse de deux à trois microns. Pour un micro-boitier normalisé à quarante sorties distantes entre elles de 1,27 mm, on dispose en limitant la zone capacitive à la partie centrale du micro-boitier, de façon à éviter tout couplage capacitif entre les conducteurs et les électrodes, d'une surface utile permettant de constituer le condensateur dans une zone de 45 mm2.Etant donné la surface utile la constante diélectrique de l'alumine et l'épaisseur totale d'une couche diélectrique plus électrodes arrondie à 25 microns, la capacité correspondante à chaque couche est de 180 pF, ce qui permet pour rester dans les normes internationales d'épaisseur de l'embase du micro-boitier, un nombre de couches égal à 20 et une capacité totale de 3600 pF pour le condensateur intégré dans l'embase du micro-boitier.
Cette valeur de 3600 pF est en général suffisante pour assurer le découplage des circuits intégrés à grande échelle mais s'il est utile de l'accroître, il est possible:
- soit d'accroitre l'épaisseur de l'embase du micro-boitier, ce qui permet 7200 pF pour un millimètre d'épaisseur,
- soit d'accroitre la constante diélectrique, en remplaçant par exemple l'aluminè par un mélange de titanate de calcium et de terres rares de la constante diélectrique 15, ce qui permet encore de doubler la capacité du condensateur inclus dans l'embase du micro-boitier.
La pastille de circuit électronique 11 est représentée sur la figure 2 soudée sur une électrode du condensateur par l'intermédiaire d'une brasure 12. Cette brasure peut avantageusement être réalisée au moyen d'un eutectique or-silicium qui fond à 3700C. Cependant la pastille de circuit 11 peut avantageusement être fixée par d'autres procédés qu'une brasure directe, qui en rende sa face postérieure électriquement indépendante de l'électrode 8 du condensateur. Ceci peut avoir plusieurs avantages:
- laisser la face arrière de la pastille électriquement flottante et raccorder le condensateur par cablage filaire entre deux plots d'alimentation et de masse du circuit intégré,
- permettre un traitement spécial de métallisation supérieure de l'embase du micro-boitier de façon à assurer une fixation meilleure ou différente de la pastille sur le fond du boitier.
Les métallisations 13 des connexions de sortie, qui sont déposées sur les quatre faces latérales de l'embase de micro-boitier, sont constituées des matériaux habituellement utilisés, tels que le molybdène, le tungstène, le nickel ou l'or.
La disposition des bornes de sorties du condensateur, par rapport aux connexions de sortie du micro-boitier, est à définir en tenant compte de l'implantation du circuit électronique à l'intérieur du micro-boitier et des règles et possibilités de cablage habituelles.
Il a été dit qu'appartient au domaine de l'invention le cas où le condensateur intégré dans l'embase monolithique du micro-boitier est un condensateur à deux électrodes, mais appartient également au domaine de l'invention le cas où plus d'un seul condensateur serait intégré, c'est à dire au moins deux condensateurs côte à côte, que ces deux condensateurs soient à deux électrodes ou multicouches.
La figure 3 représente une embase de micro-boitier selon l'invention dans une première variante d'application.
Il a été dit, au sujet de la figure 2, que le cadre 15 qui entoure le circuit électronique a pour fonction essentielle de faciliter le cablage par des fils 14 entre les plots du circuit 11 et les métallisations de connexions 13, ceci en réalisant un cablage sensiblement sur le même plan.
La figure 3 montre qu'il est possible, et que c'est une simplification favorable à la réalisation industrielle, de supprimer ce premier cadre 15, ce qui oblige alors à souder les fils de connexion 14 entre le plan supérieur de la surface du circuit 11 et le plan supérieur de l'embase, sur laquelle sont directement déposées les métallisations 13. Cependant, la différence entre les deux niveaux sur lesquels sont effectuées les soudures des fils de connexion 14 est peu importante puisque le circuit électronique li est en général un circuit intégré sur une plaquette de silicium de faible épaisseur.
Ainsi le boitier selon l'invention tel que représenté sur la figure 3 est constitué par un nombre minimum de pièces, c'est à dire le ou les condensateurs de découplage qui constituent l'embase du boitier, un unique cadre céramique 16, métallisé en 17 sur sa face supérieure pour recevoir une plaquette métallique 18 qui sert de couvercle.
Dans cette forme d'application, un cadre 16 céramique est encore nécessaire de façon à éviter que la plaquette métallique 18 qui sert de couvercle ne court-circuite entre elles les connexions de sortie 13. Le cadre 16 apporte donc à la fois l'isolant entre les sorties et l'épaisseur nécessaire pour former un boitier.
La figure 4 représente une seconde variante d'application de l'embase du micro-boitier selon l'invention.
Comme la figure précédente, elle est schématisée et ne représente que ce qui est strictement nécessaire à la compréhension de l'invention.
La troisième forme de réalisation d'un boîtier, tel que représentée en figure 4, ne comporte plus trois niveaux, c'est à dire une embase et deux cadres 15 et 16, comme représenté en figure 2, ni deux niveaux, une embase et un cadre 16, comme représenté en figure 3: elle ne comporte exclusive ment qu'un seul niveau, c'est à dire le condensateur qui constitue l'embase et il n'y a plus aucun cadre pour former un boitier.
A partir des deux seuls éléments, circuit électronique 11 et condensateur de liaison ou de découplage qui constitue l'embase, un boitier complet de circuit hybride est formé par l'une des deux solutions représentées en pointillés sur cette figure 4.
Dans un premier cas, l'épaisseur nécessaire pour former un boitier à partir d'une embase est apportée par le couvercle du boîtier représenté en 19, ce couvercle n'étant pas comme dans les cas précédents une plaque métallique mais étant une pièce céramique ou plastique qui possède un fond et des bords. Ce couvercle céramique ou plastique peut être selon le cas brasé ou collé sur l'embase du micro-boitier.
Dans un second cas, et si les normes d'utilisation du circuit hybride le permettent, si ce circuit hybride est destiné par exemple à un usage grand public, la partie sensible du circuit hybride# Cest à dire essentiellement le circuit électronique 1 1 et les fils de liaison 14, peuvent être simplement protégés par coulée d'une résine ou d'un polymère durcissable qui constitue un deme de protection solide par dessus le circuit et par dessus l'embase sur lequel le dôme est directement fixé.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1. Micro-boitier céramique d'encapsulation de circuit électronique com portant au moins un condensateur de liaison, ce microboitier étant formé à partir d'une embase qui supporte le circuit (11) et une pluralité de connexions extérieures (13), et étant caractérisé en ce que l'embase est constituée par une unique plaque d'un matériau céramique (10) à faible constante diélectrique ( < 15), dont la partie centrale forme, avec au moins deux métallisations (8 et 9), au moins un condensateur, et dont le périmètre supporte les connexions extérieures (13) du circuit électronique (11).
  2. 2. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embase comporte au moins un condensateur multicouches (8 et 9).
  3. 3. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les connexions extérieures (13) sont réalisées par des métallisations déposées sur les parties extérieures de la plaque constituant l'embase.
  4. 4. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embase supporte un premier cadre (15), réalisé en matériau céramique à faible constante diélectrique ( < 15), qui porte la partie des connexions (13) sur lesquelles sont soudées les connexions intérieures (14) avec le circuit électronique (11).
  5. 5. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embase supporte un second cadre (16), réalisé en matériau céramique à faible constante diélectrique ( < 15), métallisé (en 17) sur la face supérieure, sur laquelle est fixé le couvercle (18) du micro-boitier.
  6. 6. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'embase est l'alumine A12 03.
  7. 7. Micro-boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'embase est un titanate de calcium et de terres rares.
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