Brevet FR2138324A1 — publié le 19730105

La présente invention concerne les composants électroniques discrets à semi conducteurs et spécialement ceux d'entre eux employés dans les circuits hybrides fonctionnant à très hautes frequences. On a coutume d'employer dans les circuits hybrides adaptés aux très hautes fréquences. en particulier aux fréquences dépassant le giganertz, des composants semiconducteurs discrets : diodes, transistors, cellules ... qui se présentent cu une forme extérisure de faible volume, généralement enrobée dans un matériau dti olement. Le volume du composant, bien que faible,est encore considérable si on le compare au volume effectivement occupé par les régions réellement actives du composant. Cette disposition est, dans la plupart des cas, la conséquence d'exigences externes au composant et indépendantes de son fonctionnement. La commodité de manipulation et d'insertion sont les principales de ces exigences.Un composant hyperfréquence, diode ou transistor,par exemple dans lequel les régions actives sont toutes entières comprises par exemple dans une pastille de silicium de faibles dimensions dite "puce", de 200 x 200 microns carrés sur 50 microns d'épaisseur (ltépaisseur d'un cheveu humain),munie de ses connexions est d'une manipulation et d'une insertion difficiles. Aussi, on transforme généralement la puce en un composant de 1/2 millimètre carré sur un millimètre d'épaisseur pour faciliter son insertion dans un circuit hybride pour microondes, du type désigné habituellement par le terme anglais "microstrip". La technologie usuelle consiste à souder la puce cristalline active sur un substrat quelconque généralement métallique afin de communiquer à l'ensemble des dimensions rendant son insertion et sa manipulation aisées.Il ne reste plus ensuite qu'à procéder à l'enrobage du tout pour assurer la fiabilité des caractéristiques du composant en exceptant les extrémités des connexions qui doivent prendre contact par soudage entre deux travées conductrices du microstrip. Dans une autre technique couramment désignée par le terme anglais "beam-lead" la puce cristalline qui présente une structure à jonctions auto-protégées de type nplanar" et des connexions semi-rigides affleurant dans un plan parallèle à une face, ne nécessite pas d'enrobage isolant.Par conception, la structure est telle que les attaches des connexions sont prises sur une même face de la puce. les connexions sont ensuite réalisées par dépôt d'une couche conductrice sur le cristal, suivi d'une dissolution du semiconducteur sous-jacent à la couche dans les zones prédéterminées pour établir ces connexions. les connexions ainsi établies e présentent sous une forme semi-rigide et sont dirigées à partir de la puce dans un plan parallèle à l'une de ses faces, ce qui permet l'insertion aisée du composant à la façon d'un pont,entre les deux branches d'une ligne micro-onde. Un certain nombre d'inconvénients demeurent liés à ces techniques. En plus de leur charge dimensionnelle, le principal inconvénient des composants enrobés C~L;t l'introduction d'une résistance et d'une capacité inhérente à la présence du substrat. D'autre part, la réalisation d'un composant construit en "beam-lead" requiert une étude de structure spéciale pour chaque composant à exécuter. Ce qui revient à dire qu'une structure courante classique ne peut être exécutée telle que sous forme de "beam-lead".Inversement, une structure commune classique montée sous enrobage ne peut pas aisément remplacer une structure "beam-lead", car son insertion dans un circuit est rendue délicate par le fait qu'elle comporte des connexions de sortie fréquemment en prolongement les unes des autres ou encore orientées de façon impraticables pour le branchement en pont entre les deux branches d'une ligne micro-onde. Pour remédier à ces inconvénients,la présente invention prévoit un micro-composant discret pour hyperfréquences limité à un corps semiconducteur cristallin (dont le volume peut rester inférieur à un millième de millimètre cube) comportant au moins deux régions de résistivité différentes, muni de connexions multiples coopérant chacune avec l'une au moins desdites régions et enrobé dans un matériau isolant électrique tout en laissant libres les extrémités desdites connexions destinées à assurer les liaisons au circuit extérieur, dans lequel lesdites connexions sont faites d'un matériau souple, et sont attachées au corps semiconducteur par l'intermédiaire d'une soudure sur une couche métallique épaisse prédéposée sur ledit orps semiconducteur en un emplacement prédéterminé de la région dudit corps avec lequel la connexion doit coopérer, le matériau d'enrobage étant doué de propriétés d'isolement à l'égard de l'atmosphère ambiante3 d'une constante diélectrique voisine de celle du semiconducteur et ne comportant que des pertes HF faibles. Selon une autre caractéristique, l'invention a encore pour objet de prévoir un micro-composant qui, sans avoir la structure spéciale d'un composant "beam-lead" proprement dit, - peut être inséré de la même façon qu'un composant "beam-lead" dans un circuit "microstrip" pour hyperfréquences. Selon une autre caractéristique, l'invention a encore pour objet de prévoir un micro-composant discret,multiple, pour hyperfréquences, présentant une structure empilable se prêtant particulièrement bien au groupement de plusieurs unités, par montage série ou parallèle, incluse dans un enrobage unique et qui peut être insérée dans un circuit hyperfréquentiel à la façon d'un composant "beam-lead". Selon une autre caractéristique de l1invention,le matériau souple à l'aide duquel sont faites les connexions et la couche métallique épaisse est choisi parmi les métaux nobles tel i or, l'argent, le platine ou leurs alliages. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite couche métallique est réalisée indifféremment par dépôt électrolytique, par déplacement chimique, ou encore par pulvérisation cathodique ou dépôt sous vide, ou bien encore par addition de deux ou plusieurs de-ces procédés. Selon un mode avantageux de réalisation, le matériau d'enrobage peut être choisi parmi les résines époxydes thenno-durcissables, telles les résines connues sous le nom commercial dtEPIKDTE". Selon une autre caractéristique de l'invention, ledit matériau d'enrobage comporte l'adJonction d'un matériau inerte à titre de charge pour apporter un facteur de correction à la constante diélectrique dudit matériau et l'ajuster à la valeur de la constante diélectrique du semiconducteur. Enfin, l'invention vise également le procédé de fabrication dudit microcomposant,ce procédé consistant en la séqlence opérationnelle suivante - dépôt d'une couche métallique épaisse fait d'un métal noble localisée sur le semiconducteur aux emplacements prédéterminés pour réaliser l'attache de l'une des extrémités des connexions - attache desdites extrémités de connexions souples,faites d'un métal noble, tel l'or, sur ladite couche métallique épaisse - enrobage de l'ensemble formé par le semiconducteur cristallin, porteur de ses connexions attachées dans un matériau isolant offrant des propriétés d'isolement tant électrique que d'ambiance, de faibles pertes hyperfréquences et une constante diélectri#que voisine de celle du semiconducteur. - traitement thermique à une température inférieure à 3500C suivi d'un retour à la température ambiante pour compléter éventuellement l'opération d'enrobage. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre. Bien entendu cette description ainsi que les dessins qui l'illustrent ne sont donnés qu'à titre indicatif nullement limitatif de l'in- vention. Parmi ces dessins, La figure 1 représente une structure semiconductrice à trois régions vue selon une coupe transversale, La figure 2 représente une structure multiple comportant l'association de plusieurs structures semiconductrices telles celles de la figure 1. La figure 3 montre une vue en coupe transversale schématisant l'insertion comparée d'un composant conforme à la figure 1 et d'un composant " beam-lead" dans un circuit pour micro-onde du type micro-strip. La figure 1 représente un microcomposant à trois régions 1, 2 et 7 comprises dans une parnelle de cristal semiconducteur unique dont les dimensions totales sont extrêmement réduites. Par exemple, ici,le cristal ou puce a pour dimensions 200 x 200 microns et 50 microns d'épaisseur. La région 1 est en silicium peu dopé à haute résistivité de type nn#t ;une région 2 de type "p" a été crée par un processus classique ; la limite entre les régions 1 et 2 est la jonction 3 qui les sépare. La région de base 7 de la puce a été enrichie en impuretés n, elle est désignée par n ; la ligne pointillé 12 sépare les régions 1 et 7 de même type mais de résistivité très différente.Sur la structure ainsi faite les contacts sont à prendre de façon classique, l'un sur la région 2 de la face supérieure de la puce réservée à l'intérieur du contour d'une fenêtre ouverte dans la couche de silice 5, l'autre sur la face inférieure de la puce sur la région 7. Pour faciliter l'attache des connexions aux emplacements prédéterminés sur lesdites régions 2 et 7,selon une technique avantageuse, on dépose d'abord une couche métallique sur le semiconducteur. Dans la technologie usuelle, on déposait sur chacune des régions qui doivent recevoir une connexion,une couche métallique peu épaisse.Il s'agissait le plus souvent d'une couche d'or de quelques dixièmes de micron d'épaisseur ; cette couche pouvait être déposée sur le silicium en particulier, soit par évaporation sous vide, soit par électrolyse, soit par tout autre moyen, tel le déplacement chimique, la pulvérisation etc. Après quoi, les prises de contact se faisaient par pression ou soudage d'attaches d'électrodessur les surfaces revêtues de la couche d'or prédéposée. Selon l'invention, on recherche la réalisation d'une couche épaisse d'un métal noble, tel l'or,sur le silicium. les couches usuelles d'or, réputées peu épaisses,ont quelques dixièmes de micron d'épaisseur. ainsi qu'il a déjà été dit ; les couches épaisses peuvent etre plus de 10 fois plus épaisses. Elles facilitent grandement l'attache des connexions par soudage. Pour réaliser de telles couches épaisses bien adhérentes, on opère préférablement en deux temps. On a obtenu de bons résultats en élaborant,au cours d'un premier temps, un premier dépôt par évaporation d'or sous vide sur les deux faces supérieure et inférieure de la structure d'une puce de silicium telle que celle de la figure 1. Cette opération peut être faite sur les deux faces opposées,exposées dans leur totalité à l'évaporation.Mais la couche ainsi obtenue est une couche mince. Aussi pour obtenir une couche d'or plus épaisse, au cours d'une seconde étape, on renforce l'épaisseur de la sous-couche d'or par un nouvel apport d'or soit par voie électrolytique,soit par déplacement chimique,soit encore par tout autre moyen connu en soi. On a obtenu de très bons résultats en particulier en renforçant ltépaisseur de la couche évaporée par un dépôt ultérieur par voie électrolytique. On porte l'épaisseur d'une couche évaporée de moins de 2/10e de micron d'épaisseur à une épaisseur globale de 5 microns sans difficulté , c'est-à-dire à une épaisseur égale à vingt cinq fois celle de la couche initiale.Comme en fabrication, on traite une plaquette de silicium portant jusqu'a plusieurs milliers de structures unitaires semblables à celles de la figure 1, il est avantageux d'appliquer globalement les traitements de dépôt par évaporation et de dépôt par électrolyse globalement sur la totalité des surfaces supérieures et inférieures des structures. Sur les couches épaises ainsi réalisées, on définit et on réserve par des procédés de masquage, de photolithogravure, connus en eux-me#mes, la couche épaisse 4 localisée sur la région 2, tandis qu'on met à nu la couche isolante d'oxyde 5 qui l'environne sur la face supérieure du cristal. La couche d'or 8 sur la face inférieure de la structure subsiste totalement. La couche épaisse ainsi obtenue est adhérente et présente les qualités souhaitées pour faciliter la prise de contact par connexions soudées. In effet, on a par ailleurs, remarqué que llohmivité des contacts d'or sur silicium requiert une prise de soudure sur une couche d'or adhérente au silicum d'environ 5 microns d'épaisseur minimale.Ta juxtaposition de deux traitements de dépôt : évaporation et électrolyse,permet de réaliser une couche correspondant aux meilleures conditions d'obtention de connexions à faible résistance de contact. On présente ensuite les connexions 6 et 9 faites d'un ruban d'or mince - environ 20 microns - très souple, sur les couches 4 et 8. On opère la soudure or or-silicium par thermocompression, par ultra-sons, ou un autre moyen connu procurant l'attache des connexions sur la puce critalline 11 de la figure 1. #suite ,la puce portant ses connexions soudées est placée sous un matériau d'enrobage isolant électrique choisi parmi les matériaux tels les verres,les résines, les céramiques, les matériaux plastiques. L'opération d'enrobage se fait pour la mise en place du matériau d'enrobage par trempage, coulage, pulvérisation etc.., suivi d'un traitement thermique : cuisson, fusion, polymérisation, réticu lation... etc pour la "prise" de ltenrobage selon les cas et en correspondance avec chaque catégorie de matériau d'enrobage employé, tous ces processus de mise en oeuvre de matériaux d'enrobage étant connus en relation avec les matériaux auxquels -ils s'appliquent. Dans l'exemple considéré, on a employé avec succès un matériau d'enrobage constitué- par un mélange de résine époxyde et d'esters glycidiques d'acides synthétiques , l'adjonction d'esters glycidiques étant fait pour plastifier la résine. Ainsi, le mélange de 80 de résine époxyde de la qualité connue soz-s le nom NEPIKCrE 834" avec 206 d'esters glycidiques d'acides de type connu sous le nom de tVERSAMID 825" + durcisseur fournit un mélange semi-fluide à la température ordinaire d'une consistance très favorable à la mise en place par trempage ou apport-h la goutte.En soumettant le mélange ainsi disposé sur la structure semiconductrice à une temoérature entre 600 et 2009 pendant un temps variable entre quelques dizaines d'heures pour les températures les Plus faibles @@@@@oixante minutes pour la température la plus élevée, on provoque la poly@érisation ou la réticulation. Enfin, un retour à la température ambiante complète la fabrication. La diode montée, enrobée dans le matériau polymérisé,se présente sous une forme extérieure quelconque comme on le voit dans le cas du microcomposant Il sous l'en- robage 10 de la figure 1. L'cnrobage 1C remplit plusieurs fonctions : isolement électrique, protection à l'égard de l'atmosphère ambiante, consolidation mécanique du microcomposant Le matériau employé doit avoir des propriétés spéciales 1 )-une constante diélectrique assortie à celle du semiconducteur -2 ) ne présenter que de faibles pertes dans la gamme hyperfréquences dans laquelle -n veut l'utiliser. Pour mieux satisfaire à ces deux dernières conditions, on peut avantageusement introduire une charge minérale ou organique dans la résine, ainsi que cela se pratique dans divers autres cas. Ainsi pour un microcomposant au silicium, on a préparé un matériau d'enrobage en ajoutant jusqu'à 10 G en poids de silice en poudre,à l'état de charge,à un mélange VERSABíID ?04 - EPIKOTE 834 70 % + durcisseur. les résultats obtenus donnent pleine satisfaction. L'excellent isolement électrique du microcomposant enrobé permet U1.' lnsert-n sous n'importe quelle incidence dans un circuit de lignes du type "microst-rJr". les performances obtenues permettent l'utilisation de tels microcomposants semiconducteurs discrets dans un domaine de fréquences qui peut atteindre la dizaine de gigahertz et même au-delà. La figure 2 dans laquelle les mêmes repères numériques désignent les mimes objets que dans la figure 1 montre une structure multiple formée par empilage de trois microcomposants (de même nature que celui représenté par la figure 1) inclus sous un enrobage unique. les trois microcomposants 11, 21, 31 sont groupés en série. La couche d'or 8 de la face arrière du premier composant 11 est soudée directement à la couche d'or 24 de la face supérieure du deuxième composant. La face inférieure 28, en or du deuxième composant est soudée à la couche d'or 34 du troisième composant.Une première connexion souple 6, également en or, est soudée à la couche d'or 4 du premier des composants,tandis qu'une seconde connexion 9 analogue à la première est soudée à la couche d'or 38 de la face arrière du dernier composant. L'enrobage général 10 de même nature que celui de la figure 1 est appliqué selon e même mode que celui décrit ci-dessus. Cet enrobage assure le maintien mécanique, l'isolement électrique et d'ambiance du composant multiple. La figure 3 - coté gauche - représente une vue en coupe transversale montrant l'insertion d'un microcomposant simple ou multiple,isolé par son enrobage entre deux extrémités de lignes telles que et 32. Comme on le voit sur cette souples figure,les connexions 6 et 9 peuvent entre coudées sous n'importe quel angle, une ou plusieurs fois. L'enrobage 1f étant isolant électriquement, il n'y a aucun risque de court-circuit entre lignes à craindre, même si le microcomposant 11 venait à prendre contact extérieurement sur lesdites lignes. Le côté droit de la même figure 3 illustre le mode d'insertion connu d'un composant "beam-lead" 30,utilisable dans le même domaine de fréquences que e microcomposant ll,entre les deux extrémités de lignes microondes 91' et 3-'. les connexions 36 et 39 se présentant toutes deux dans le plan voulu, 1 'insertion du composant "beam-lead" 30 ne soulève évidemment aucune difficulté. Le composant beam-lead ne nécessite pas d'enrobage, la possibilité de court-circ -- fortuit est quasi nulle puisque la position relative du composant et de ses connexions s'harmonise avec l'intervalle entre extrémités ~de lignes "microstrip".Ainsi que l'illustre la figure 3, bien que par construction le microcomposant selon l'invention soit quelconque, l'insertion devient aisée dans des conditions comparables à l'insertion d'un composant "beam-lead" authentique,tant au point de vue des dimensions hors-tout, compte tenu de l'absence de substrat, qu'au point de vue de l'adaptation des connexions à un intervalle entre deux extrémités de lignes pour pour hyperfréquences. La construction de la structure semiconductrice reste indifférente d'où une économie appréciable d'étude et de fabrication. Le microcomposant selon l'invention peut votre multiplié et donner lieu à association par montage série ou parallèle de composants unitaires simples sous un enrobage unique. La fabrication est simplifiée, elle s'accompagne d'un abaissement du prix de revient el d'un élargissement des possibilités techniques. On peut en effet prévoir des composants unitaires, passifs et/ou actifs, semblables ou différents dans un enrobage commun, montés à la manière du composant multiple de la figure 2. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident que ladite description est faite à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Microcomposant pour hyperfréquences dans lequel le corps semiconducteur cristallin comporte au moins deux régions de résistivité différentes, est muni de connexions multiples coopérant chacune avec l'une au moins desdites régions et est enrobé dans un matériau isolant électrique, caractérisé en ce que - lesdites régions sont situées sur au moins deux faces différentes du corps cristallin ; - lesdites connexions sont faites d'un matériau souple ;; - lesdites connexions sont attachées au corps semiconducteur, chacune par soudage à une couche métallique épaisse prédéposée sur ledit corps semiconducteur en un emplacement prédéterminé de la région dudit corps avec laquelle la connexion doit coopérer, - ledit matériau d'enrobage, d'une part est doué de propriétés d'isolement à l'égard de l'atmosphère ambiante, d'autre part a une constante diélectrique assortie à celle du semiconducteur et enfin ne comporte que de faibles pertes HF. 2. Microcomposant semiconducteur pour hyperfréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau souple est choisi parmi le groupe des métaux dits "nobles" tel l'or, le platine, l'argent ou leurs alliages. 3. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche métallique épaisse est faite d'un matériau métallique choisi parmi les métaux dits "nobles" tel l'or, le platine, l'argent ou leurs alliages. 4. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau d'enrobage est choisi parmi les verres dits" tendres", les résines, les céramiques, les matériaux plastiques,... ces matériaux étant utilisés avec ou sans charge. 5. Microcomposant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau d'enrobage est choisi dans le groupe des résines époxydes telles les résines connues sous le terme générique d'EPIKOTE et en ce qu'il lui est ajouté un durcisseur et, éventuellement, un plastifiant du type des résines polyamides comportant des groupes amines terminaux, tel que la résine VERSAMID. 6. Microcomposant selon la revendication 1, comportant un enrobage en résine époxyde conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que ladite résine EPIKOTE, en plus de son durcisseur, est additionnée d'une proportion de 0,1 à 20 % de VERSAMID, d'une part, et d'une proportion de 0,1 à 10 % d'une charge minérale, telle la silice, d'autre part. 7. Microcomposant semiconducteur multiple pour hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de microcomposants tant actifs -selon la revendication 1- que passifs, associés électriquement entre eux, et inclus dans un enrobage unique. 8. Procédé de fabrication d'un microcomposant semiconducteur pour byperfré- quences à partir d'une structure semiconductrice à plusieurs régions situées sur all moins deux faces différentes du corps cristallin, caractérisé en ce qu'il comporte 1 séquence opérationnelle suivante - on réalise sur le semiconducteur une couche métallique, épaisse de plus de cinq microns, par application d'un procédé tel l'évaporation sous vide, le dépôt électrolytique, le déplacement chimique... en une ou plusieurs opérations ou combinaisons d'opération, et ce aux emplacements prédéterminés pour attacher l'extrémité de connexions extérieures souples, - on réalise l'attache desdites extrémités de connexions par soudage sur ladite couche métallique épaisse, - on applique à l'ensemble formé par la structure semiconductrice et ses connexions soudées et de manière à 11 enrober, un matériau isolant électrique, isolant d'ambiance, à constante diélectrique voisine de celle du semiconducteur, ne présentant que de faibles pertes en haute fréquence, choisi parmi les verres, les résines, la céramique... - on soumet le matériau d'enrobage entourant la structure à un cycle thermique dont la température maximale reste inférieure à 3500C suivi d'un retour à la température ambiante. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau d'enrobage est constitué par un mélange EPIKCrE 834 : : 60 à 90 % VEUEUU(ED 125 : 30 à 9,5 % SILICE : 10 à 0,5 % (en poids) additionné au durcisseur classique de la résine EPIKOTE.