Brevet FR2081126A1 — publié le 19711203

La présente invention concerne un atténuateur miniaturisé hybride à résistances et une charge résistive miniaturisée hybride, pour circuits miniaturisés à micro-ondes, ainsi qu'un procédé permettant la fabrication en série de ces composants. On counait des atténuateurs et charges résistives pour circuits miniaturisés à micro-ondes, mais qui sont frappés de diverses sortes de limitations. Certains utilisent des lignes résistives à constantes réparties du type à couches minces, par exemple de nitrure de tantale sur alumine. A ce sujet, on pourra se reporter à un article de MAISSEL intitulé nThin-film resistor materials and characteristics" de la revue "Solid-State Technology", 11-5, mai 1968, pages 27 à 32. Ces composants offrent une grande gamme de résistivités possibles, un faible coefficient de variation en fonction de la température, et permettent de monter jusqu'à des fréquences de l'ordre de 12 GHz. Mais ils ont une puissance dissipable relativement faible et sont relativement encombrants. Dans les transmissions par lignes coaxiales, on utilise couramment des atténuateurs à constantes localisées, lesquelles peuvent dtre constituas par des couches minces. A ce sujet, on pourra se reporter à un article d'ADAM intitulé "Precision thin film coaxial attenuator" de la revue nHewlett-Packard Journal", 18-10, juin 1967, pages 12 à t9. Mais de tels composants à éléments localisés en couches minces ne permettent guère de monter qutà des fréquences de l'ordre de 1 GHz. D'un autre coté, les évaporations ou pulvérisations sous vide nécessaires à la préparation des couches minces sont des techniques longues et délicates. Elles trouvent leur justification lorsque le circuit associé à l'atténuateur (en particulier la ligne de transmission) est lui-meme réalisé par évaporation ou pulvérisation. Elles deviennent impropres lorsque la métallisation conductrice a été faite par "sérigraphie" (lignes à rubans en couche épaisse) ou par dépôt dit "electroless" (sédimentation par réaction chimique en milieu humide) souvent utilisés en raison de ltéconomie, en temps et en moyens, de telles méthodes. La présente invention a pour but de présenter des atténuateurs à résistances localisées de type miniaturisé hybride et charges résistives de môme type, pour circuits à micro-ondes, ainsi nu'un procédé de fabrication en série de tels composants, en vue d'obtenir - dtune part un progrès technique en ce qui concerne les limitations afférentes à ces composants, à la fois dans les dondaines de la fréquence limite d'utilisation, de la puissanee dissipable, de l'encombrement, sans sacrifice pour cela sur l'inter-valle- des températures d'utilisation (-300C à +60po) - d'autre part un progrès économique en ce qui concerne le procédé de fabrication en série de tels composants par la possibilité d'utilisation de méthodes de métallisation moins coûteuses que celles des dépôts sous vide (sérigraphie, electroless, etc). Or, on connait, par le brevet français N0 1 553 Q83 du -29 novembre 1967 au nom des actuels demandeurs premier et second nommés et de Pierre CONRUYT, un-procédé de fabrication en-série de résistances électriques pour circuits miniaturisés hybrides, consiE- tant, en partant d'une plaque d'un matériau semi-conducteur, tel que silicium ou germanium convenablement dopé et de résistivité donnée, homogène et stable en température, à de faibles tolérances près (par exemple de + X,2 q6) et d'épaisseur également donnée, à suivre les étapes suivantes : (a) on calcule par excès les dimensions à donner à chaque plaquette élémentaire devant constituer un corps de résistance, pour obtenir la valeur ohmique voulue; (b) on découpe au diamant ladite plaque en plaquettes élémentaires ayant lesdites dimensions; (c) on prépare pour chaque plaquette deux connexions en tronçons de ruban mince, constitué par un matériau tel que nickel, kovar, dilver, etc, doré par métallisation;; (d) on soude les plaquettes disposées chacune en pont sur ses deux connexions, sous pression et au four4 à une température supérieure au point de formation de lteutectique orXsemi-conducteur, (e) on ajuste sous ohmmètre les dimensions de chaque plaquette par retrait de matière au~jet de poudre abrasive, jusqu'à obtenir la valeur ohmique voulue à une tolérance acceptable. L'expérience a montré qu'il fallait en outre, pour bénéficier au maxinruin des avantages de ce procédé - que les plaques de départ soient choisies de façon que leurs impuretes dépendent de celles de l'or de revêtement des rubans de connexion, pour que les contacts correspondants soient de la meilleure qualité ohmique possible - que les plaques de départ soient soumises à un polissage d'une de leurs faces, pour que le mouillage de l'alliage réalisant les soudures de connexion sur plaquettes soit satisfaisant. On sait que de telles résistances n'introduisent pratiquement ni capacité ni inductance parasites dans les circuits où elles sont montées. L'expérience a montré en outre que ces résistances, bien que conçues à l'origine pour des circuits logiques de commutation dits "à réponse rapide", ctest-à-dire pour des circuits qui sont le siège de régimes transitoires, peuvent servir à la constitution d'atténuateurs et charges résistives qui, eux, fonctionnent en régime permanent à des fréquences élevées. Pour concrétiser les idées, des résistances ayant des dimensions de l'ordre de celles décrites dans le brevet français 1 553 083 précitë peuvént servir -à- fabriqué r des atténuateurs dJaffåiblissement notable-(tO où 20 décibels par exemple) donnant satisfaction jusqu-à 5 et mêmQ théoriquement jusqu'à 10 et 15 GHz. Conformément ad but poursuivi, un attënuateur miniaturisé hybride à résistances semi-conductrices, disposées en pi sur une plaquette en matériau isolant, métallisée en ligne à rubans, dont un plan de masse de verso et un ruban relativement étroit de recto se caractérise, suivant l'invention, en ce que la résistance centrale d pi est directement connectée en pont entre deux tron çons du ruban de recto et les résistances latérales du pi en ponts entre lesdits tronçons et des plages métallisées du recto, ellesmimes connectées audit plan de masse par des trous traversiers métallisés de la plaquette. De façon analogue, une charge résistive miniaturisée hybride à résistance semi-conduetrice disposée sur une plaquette en maté riau - isolant, métallisé, en ligne à rubans, dont un plan de masse de verso et un ruban relativement étroit de recto, se caractérise, suivant l'invention, on ce que la résistance est connectée en pont entre un tronçon du ruban de recto et une plage métallisée de recto, elle-mEme connectée audit plan de masse par un trou métallisé de la plaquette. Bien entendu, ce sont les dimensions données aux résistances, ainsi que celles des circuits associés, qui déterminent la fréquence limite de fonctionnement d'un atténuateur suivant l'invention. Si h est la longueur d'onde correspondant à cette fréquence limite, les dimensions des résistances, et plus particulièrement leurs longueurs, doivent être inférieures à h/30. L'expérience a en effet montré que les deux dimensions prin cipales qui interviennent, sont - la distance effective entre le plan de court-circuit avec le plan de masse, qui constitue'l'un des conducteurs de la ligne à ruban, et le plan de la résistance - la longueur de la résistance qui réagit sur la capacité parasite existant entre les deux plages de connexion de ladite résistance. I1 est évidemment impossible, pour des raisons technologiques, de diminuer indéfiniment la longueur des résistances pour augmenter les performances en fréquence des atténuateurs suivant l'invention. L'expérience montre et le calcul confirme que la-fréquence limite d'emploi desdits atténuateurs se situe vers 15 GHz. --Une- -trop grande diminution des dimensions des résistances entratnerait1 en effet, une augmentation des capacités parasites entre les plages métalliques affectées aux connexions des résistances par-soudure; il en résulterait une augmentation du taux d'ondoie stationnairoe aux accès d'entrée des atténuateurs-pour pour-la partié haute de la bande de fréquence d'utilisation. En conclusion, l'intérêt des atténuateurs de l'invention est qutil est possible de les réaliser avec des résistances parfaitement localisées pouvant entre rapportées facilement et économiquement sur un circuit à rubans-- pour micro-ondes et cepi quel que soit le mode de métallisation utilisé pour ledit circuit sérigraphie, procédé-dit eloctroless, évaporation, pulvérisation ...). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de divers exemples de réalisation en relation avec les dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 est un schéma d'atténuateur à résistances en pi connecté à une charge résistive - la Fig. 2 est une vue en perspective d'une plaquette métallisée en ligne à rubans - la Fig. 3 est'une vue côté recto d'une plaquette destinée à recto voir des résistances semi-conductrices pour réalisation d'un atténuateur suivant- l'invention - la Fig. 4--est une vue- analogue à celle-de la Fig. 3 relative à un atténuateur fini - la Fig. 4A est une vue analogue à celle de la Fig. 4 relative à un atténuateur fini amélioré - les Figs. 5, 6, 7 et 8 sont des graphes expérimentaux donnant chacun, pour un atténuateur donné suivant l'invention, les variations de l'affaiblissement et du taux d'ondes stationnaires, en fonction de la fréquence - les Figs. 9 et 10 sont des graphes expérimentaux donnant chacun pour une charge résistive donnée les variations en fonction de la fréquence du taux d'ondes stationnaires mesuré à l'entrée d'une ligne à rubans dont autre accès est fermé par une charge résis tivo suivant l'invention. La Fig. 1 rappelle la structure d'un atténuateur à résistances du type classique à une seule cellule symétriaue en pi Un réseau 1, à deux accès (11, 12), (13, 14), comprend une résistance 13, dite "bras horizontal", encadrée par deux résistances 11 et 12 d'égales valeurs, dites "bras verticaux", ayant un point commun (12, 14) à la terre. il est bien eonnu que les valeurs respectives R1, R2, R3 des résistances 11, 12, 13 doivent être prédéterminées pour que : a/ si llon connecte aux bornes de sortie de l'atténuateur, 13, 14 par exemple, une résistance 2 de valeur R donnée, et à l'autre c paire de bornes lil t2 une source alternative sinusoïdale, l'impé- dance de l'ensemble 1, 2 vue des bornes d'entrée 11, 12 soit réelle et égale à R0 b/ si ladite source alternative est de force électromotrice E et de résistance interne Rc, il apparaît aux bornes de la résistance réceptrice 2 une tension U2 correspondant à l'affaiblissement b que l'on désire, ledit affaiblissement étant défini par l'expression :: E b = 1n 2U2 (en nepers) (1) Pour qu'un atténuateur en pi satisfasse aux conditions cidessus, il faut que les valeurs des résistances 11 et 12 des bras verticaux soient R1 =R2 = R0%h b 2 - (2) et que celle de la résistance 13 du bras horizontal soit R2 = R sh b (3) c Par exemple, dans le cas où la resistance caractéristique R c est de 50 ohms, un affaiblissement b de 10 décibels (ou 3,15 nepers) nécessite R1 = R3 = 96 ohms R2 = 71 ohms et un affaiblissement b de 20 décibels (ou 6,30 nepers) Rt = R3 = 61 ohms R2 =247 ohms On soit que des résistances de telles valeurs sont réalisables en suivant le procédé décrit par le brevet français 1 553 083 précité. On se reportera maintenant à la Fig. 2 rappelant la forme d'un support comportant une ligne à rubans d'impédance voulue, support couramment utilisé pour y disposer un circuit miniaturisé à microondes. Cette plaquette 20, par exemple en alumine, a été découpée à la scie diamantée pour l'amener aux dimensions conditionnées par l'encombrement du circuit miniaturisé qu'elle doit porter. Le verso de la plaquette a été entièrement recouvert d'un dépôt d'or 21 en couche mince, constituant l'un des conducteurs dit flplan de masse" do la ligne à rubans a Le recto comporte suivant son axe longitudinal un autre dépôt d'or 22 en couche mince relativement étroite, constituant le second conducteur de la ligne. Dans le cas présent où ledit circuit miniaturisé est un circuit atténuateur, la largeur w du second ruban de la ligne dépend de l'impédance caractéristique R c que l'on désire donner à la ligne; celle-ci dépend en effet - du rapport w/h où h est l'épaisseur de la plaquette et - de l'impédance d'onde W égale à (/ & 2 ( où - OU g est la constante o diélectriaue et F la perméabilité magnétique de la substance constitutive de la plaquette 20. On se reportera maintènant aux Figs. 3 et 4 qui représentent respectivement une plaquette analogue à celle de la Fig. 2 pré- parée pour recevoir les résistances d'un atténuateur, et un atténuateur fini. L'atténuateur proprement dit est inséré entre deux tronçons de ligne à rubans, appelés à constituer les deux accès. A cet effet, le conducteur 22 de la Fig. 2 a été interrompu, en son milieu, en deux tronçons 22t, 222, séparés par une distance d13 dont la valeur dépend de la longueur L13 de la résistance 13 qui connectera entre eux les deux tronçons 221, 222. D'un autre côté, des plages rectangulaires conductrices 231 232 ont été constituées par des dépôts d'or en couche mince analogues aux précédents, de fagon que - ces plages aient un c8té parallèle chacune au bord- du tronçon de ruban adjacent, à des distances respectives d111 d12 égales dont la valeur dépend de la longueur commune L11 (ou L12) des résistances 11, 12 qui connecteront les tronçons 221 222 aux plages 231 232 respectivement. - ces plages aient leurs côtés adjacents de l'une à l'autre parallèles et écartés d'une distance sensiblement égale à celle d13 précitée. Deux trous 24riz 242 traversent la plaquette 2 de part en part, 2 et ont leurs parois métallisées afin d'assurer une connexion électrique entre les plages 231, 232 et le plan de masse 21. L'atténuateur fini (voir Fig. 4) ne diffère de la plaquette préparée comme il vient d'ôte dit (Fig. 3) que par l'adjonction en ponts entre les plages 231, 232 et les tronçons de rubans 201, 202 respectivement d'une part, entre lesdits tronçons eux~sUmes d'autre part, de résistances semi-conductrices du type de celles du brevet français 1 553 083 précité et de valeurs convenables. Le procédé suivant-l'invention de fabrication dtun tel atté- nuateur peut se dérouler de la façon suivante. On part de plaquettes, par exemple d'alumine, dont les dimensions correspondent à celles des résistances qu'elles doivent supporter. On les métallise à l'or par sérigraphie, procédé bien connu, permettant de réaliser des couches métalliques d'épaisseur suffisante et uniforme et de configuration bien définie. Le verso des plaquettesile faisant pas problème, on recouvre le recto d'une trame métallique formant pochoir et on dépose sur cette trame une pate à sérigraphie constituée par de l'or en suspension dans un liant de façon que l'épaisseur du dépôt fini soit de l'ordre de 5 à 10 pm. Il convient de noter àce stade que, les impuretés alliées à l'or de cette pâte étant de type N, il convient, pour que les contacts soient de la meilleure qualité ohmique possible, que celles du semi-conducteur utilisé d'autre part pour la fabrication des résistances 11, 12, 13 soient du môme type. On opère une fixation stabilisante des dépôts d'or ainsi réalisés par un-simple recuit ou traitement thermique, réalisé en faisant séjourner les plaquettes dans un four durant 35 minutes dont 15 minutes de montée en température, 10 minutes de maintien à 8500C et 15 minutes de retombée de température, les plaquettes étant ensuite abandonnées au refroidissement jusqu'à l'ambiante. En partant d'une plaque de silicium du type N et de résistivité donnée, homogène et stable en température à de faibles tolérances près, par exemple à - 0,2 %, et d'épaisseur également donnée, ayant une de ses faces d'un beau poli, on a découpé d'autre part à la scie diamantée ladite plaque en résistances brutes dont les dimensions ont été calculées pour que ces résistances aient les valeurs ohmiques voulues par léger excès. On dispose sur le recto de chaque plaquette des résistances au silicium 11, 12, 13 ainsi préparées, aux emplacements voulus en s'aidant d'un micromètre oculaire, pour centrer au mieux ces'résistances dans les régions qui leur sont affectées. On pousse ensuite avec précaution les plaquettes ainsi garnies sur la sole d'un four-tunnel, de façon à les porter---à'une température voisine de 450 C,-supérieure à celle de formation de l'alliage eutectique or/semi--conducteur, durant environ 10-minutes, les plaquettes étant ensuite abandonnées à nouveau au refroidissement jusqu'à l'ambiante. On ajuste individuellement les valeurs ohmiques des trois résistances 11, 12, 13 de chaque plaquette par enlèvement de matière au moyen d'un jet de poudrejabrasive, par exemple d'alumine, en opérant sous ohmmètre en courant continu. On procède enfin à la métallisation des trous 231 232 de chaque plaquette, à froid, au moyen d'une pate à l'argent. On observera que cette métallisation ne peut entre faite plus tôt, car elle empêcherait de procéder à l'ajustage individuel des valeurs des résistances 11, 12, 13. il ne parait pas nécessaire de répéter en ce qui concerne les charges résistives la description qui précède (structure et procédé de fabrication) relative aux atténuateurs. il est à noter cependant que, suivant les cas, la charge résistive pourra être réalisée soit sur plaquette séparée, soit sur la mdme plaquette que l'atténuateur fermé par elle. Exemple On stest proposé dtétablir des atténuateurs d'affaiblissement égal à 10 décibels et de résistance caractéristique 50 ohms. On est parti de plaquettes d'alumine dont les dimensions étaient les suivantes : longueur 19 mm largeur 12 mm, épaisseur 0,7 mm. Comme le pouvoir inducteur spécifique de l'alumine est dtenvi- ron 9, on a pris, pour aboutir à une résistance caractéristique de 50 ohms une largeur w de ruban de recto d'environ 0,7 mm, les épaisseurs d'or étant toutes deux de 10 n. Les atténuateurs établis ont bien entendu des spécifications identiques en ce qui concerne les valeurs des résistances 11, 12, 13. Ils ne diffèrent les uns des autres que par les longueurs de ces résistances. Chaque atténuateur est caractérisé par deux courbes donnant respectivement en fonction de la fréquence (en GHz) l'une lsaffai- blissement b (en dB) l'autre le taux d'ondes stationnaires TOS (sans dimension) à l'accès d'entrée de l'atténuateur. Comme on le sait, le taux d'ondes stationnaires TOS rend compte du degré de désadaptation de l'impédance d'entrée de l'at atténuateur Lorsque cette impédance d'entrée prend une valeur Z a différente de l'impédance caractéristique Rc, la source ne fournit plus sa puissance maximale, mais la puissance réduite où E est la tension efficace de la source. i?ile module du coefficient de réflexion à l'entrée de l'atténa- tueur lui-meme défini par la relation et le module ITaI pouvant étre déterminé par la mesure du taux d'ondes stationnaires sachant que l'on a la relation TOS = 1 + |#| i -|#| A la Fig. 5, les courbes 51 et 52 donnent respectivement le taux d'ondes stationnaires et l'affaiblissement d'un atténuateur dont les résistances 11, 12, 13 ont des longueurs de 2,1 mm; la longueur totale du pi formé par les axes de ces résistances étant égale à 8,3 mm. On observe une résonance vers 7 GHz. On peut admettre que l'atténuateur est utilisable dans la bande de fréquen- coude O à 4 GHz. A la Fig. 6, les courbes 61 et 62 concernent un atténuateur dont les résistances li, 12, 13 ont des longueurs de 1,25 mm; la longueur totale du pi est de 4,75 mm. La résonance s'est déplacée vers 10,5 GHz et est devenue moins nette sur la courbe d'affaiblissement. On peut admettre que lwatténuateur est utilisable dans la bande de fréquences de O à 6 GHz. A la Fig. 7, les courbes 71, 72 ont trait à un atténuateur dont les résistances 11, 12, 13 ont des longueurs de 0,6 mm; la longueur totale du pi est de 2,4 mm. il n'y a pas de résonance dans la bande de fréquences où lton a effectué les mesures. L'atténuateur est utilisable dans la bande de fréquences de O à 10 GHz. A la Fig. 8, les courbes 81, 82 sont relatives à un atténuateur où les longueurs des résistances 11, 12, 13 ainsi que celle du pi sont les-mdmes que dans le cas de la Fig. 6, mais où les plages métalliques ont été échancrées, à la manière représentée à la Fig. 4A pour diminuer les capacités parasites. Ces dernières courbes, comparées à celles 61, 62 de la Fig. 6, montrent que les variations de l'afaiblissement et du taux d'ondes stationnaires sont beaucoup moins sensibles. Les Figs. 9 et 10 donnent les taux d'ondes stationnaires obtenus à l'accès d'entrée d'une ligne à rubans d'impédance caractéristique de 50 ohms, aboutissant à une resistance de charge de 50 ohms, dans les cas où cette résistance de charge a une longueur de 2 mm et 0,9 mm respectivement. On voit que, compte tenu de la bande de fréquence utilisable par une résistance de charge de 0,9 mms il est possible, en prenant des résistances encore plus courtes, d'atteindre des fréquences dXutilisation de l'ordre de 15 GHz. REVENDICATIONS 1-. Atténuateur miniaturisé hybride à résistanc semi- conductrices, disposées en pi sur une plaquette en'matériau isolant, métallisée en ligne à rubans, dont un plan de masse de verso et un ruban relativement étroit de recto, et caractérisé en ce que la résistance'centrale du pi est directement connectée en pont entre deux tronçons du ruban de recto et les résistances latérales du pi en ponts entre lesdits tronçons et des plages métallisées de recto, elles-mêmes connectées audit plan de masse par des trous traversiers métallisés de la plaquette. 2-. Charge résistive miniaturisée hybride à résistance semiconductrice disposée sur une plaquette en matériau isolant, métallisée en ligne à rubans, dont un plan de masse de verso et un ruban relativement étroit de recto, caractérisée en ce que la résistance est connectée en pont entre un tronçon du ruban de recto et une plage métallisée de recto, elle-meme connectée audit plan de masse par un trou métallisé de la plaquette. 3-. Procédé de fabrication en série d'un atténuateur minia- turisé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : (a) en fonction des données que sont la résistance caractéristique et lêffaiblissement de l'atténuateur à réaliser, des caractéristiques physiques d'un silicium de type N en plaque dont une face a été polie, et d'un matériau isolant également en plaque, on calcule les dimensions à donner d'une part aux résistances, d'autre part aux plaquette" support et au dessin de métallisation de leur recto ;; (b) on découpe les résistances et les plaquettes gux dimensions calculées, chaque plaquette étant également porcée de deux trous aux emplacements voulus (c) on métallise sur une épaisseur finie de 5 à 10 Fm les plaquettes à l'or par sérigraphie et on stabilise les dépôts ainsi réalisés en faisant séjourner les plaquettes dans un four durant 35 minutes, dont 15 minutes de montée en température, 10 minutes de maintien à 850ex et 15 minutes de retombée de température (d) on positionne les résistances sur le recto de chaque plaquette en s'aidant dsun micromètre oculaire pour les centrer au mieux sur les emplacements prévus et on pousse les plaquettes ainsi garnies sur la sole d'un four-tunnel, de façon à les porter à une tempéra ture voisine de 4500C, durant environ 10 minutes (e) on ajuste individuellement les valeurs ohmiques des trois résistances de chaque plaquette, par enlèvement de matière au moyen dtun jet de poudre abrasive, par exemple d'alumine, en opérant sous ohmmètre en courant continu (f) on procède enfin à la métallisation des trous de chaque plaquette à froid, au moyen d'une pate à l'argent. 4-. Procédé de fabrication en série d'une charge miniaturisée selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (a) en fonction de la donnée qu'est la résistance caractéristique de la charge à réaliser, des caractéristiques physiques d'un silicium de type N en plaque dont une face a été polie, et d'un matériau isolant également en plaque, on calcule les dimensions à donner dtune part aux résistances, d'autre part aux plaquettes support et au dessin de métallisation de leur recto (b) on découpe les résistances et les plaquettes aux dimensions calculées, chaque plaquette étant également percée d'un trou à ltemplacement voulu (c) on métallise sur une épaisseur finie de 5 à 10 pm les plaquettes à l'or par sérigraphie et on stabilise les dépôts ainsi réalisés en faisant séjourner les plaquettes dans un four durant 35 minutes, dont 15 minutes de montée en température, 10 minutes de maintien à 8500C et 15 minutes de retombée de température (d) on positionne la résistance sur le recto de chaque plaquette en s'aidant d'un micromètre oculaire- pour la centrer au mieux sur l'emplacement prévu et on pousse les plaquettes ainsi garnies sur la sole d'un four-tunnel, de façon à les porter à une température voisine de 4500C, durant environ 10 minutes (e) on ajuste la valeur ohmique de la résistance de chaque plaquette, par enlèvement de matière au moyen d'un jet de poudre abrasive, par exemple d'alumine, en opérant sous ohmmètre en courant continu (f) on procède enfin à la métallisation du trou de chaque plaquette à froid, au moyen d'une pate à l'argent.