Brevet FR2133494A1 — publié le 19721201

On connaît sous le nom de varactors des diodes à jonction dans lesquelles on cherche essentiellement à tirer rarti des variations de la capacité de jonction en fonction de la tension inverse appliquée aux bornes de la diode . Les varactors sont principaLement utilisés dans le domaine des ondes d'hyperfréquence ainsi que pour certaines applications particulières comme les amplificateurs paramétriques et les multiplicateurs de fréquence . On connaît par ailleurs L'intérêt qu'il peut y avoir dans certains montages à utiliser deux diodes varactors en série . En effet, l'impédance équivalente d'un varactor peut se schématiser par un circuit R C en série dont la fréquence de coupure est donnée par la formule F = 1/2 # RC c Si l'on monte deux varactors identiques en série, le schéma électrique équivalent de l'ensemble est celui d'une résistance de valeur 2 Fx en sens avec une capacité de valeur C e Il an résulte donc que la fréquence de coupure d'un ensemble se deux varactors en serie est la même que la frequen ce de coupure de chacun d'entre eux isolément . Le me.le raisonnement est d'ailleurs valable pour un nombre quelconque n de varactors montés électriquement en série o Cette remarque est particulièrement intéressante dans le cas où l'on réalise à l'aide de varactors des appareils multiplicateurs de fréquence Dans de tels appareils en effet, on sait que le rendement en énergie varie comme l'expression exp (-KF ). L'invariance de la fréquence de coupure Fc lorsqu'on utilise plusieurs varactors en série conduit à l'invariance du rendement et permet donc ler emploi facile dans un appareil de ce genre De plus7 la puissance que l'on peut mettre en jeu dans un varactor est proportionnelle au produit C V2 0 Si on utilise de varactors en série au lieu d'un seul, on peut appliquer aux bornes une tension globale V deux fois plus éle ée car la tension de claquage est alors multipliée par deux, d' où ne puissance multipliée par quatre ç f Ceci est en fait théorique cal les difficultés dues à l'augmentation d' échauffe- trient ne permettraient pas Lina augmentation de la puissance de plus d'un facteur de 2 à 3 La figure 1 et la figure 2 représentent schématiquement le montage respectivement de deux et trois varactors en série selon une méthode classique, appartenant d l'art connu Dans le schéma de la figure 1 , on voit les varactors 1 et 2 situés dans les domaines 3 et 4 délimités par les supports conducteurs 5 et 7, maintenus espacés, pour former les domaines 3 et 4, par les entretoises 8 et 9 . Dans ltexemple décrit les supports conducteurs 5, 6 et 7 sont en cuivre et les entretoises 8 et 9 en oxyde de beryllium BeO qui a la propriété d'être on conducteur de la chaleur tout en étant isolant électriquement > Le support conducteur 5 est mis en communication avec la masse thermique 10 par laquelle sont évacuées les calories produites lors du fonctionnement des varactors . Lorsque ces derniers fonctionnent leur impédance comporte toujours un élément résistif non nul qui peut conduire à un dégagement de chaleur important .Pour s'évacuer, le flux de chaleur produit par chacune des diodes 1 et 2 suit respectivement les trajets Il et 12 sur la figure 1 e On voit que le trajet il comporte une traversée de silicium dans la diode 1 elle-même et que le trajet 12 comporte une traversée de silicium dans la diode 2 et une traversée d'entretoise céramique dans l'entretoise 8 0 Pour fixer les idées, on peut admettra, comme ordre de grandeur, un échauffement de 200 P. par Watt dans le silicium et de 100C par Watt transmis dans l'oxyde de béryllium e On voit donc que les préoccupations dues à l'échauffement sont loin d'être négligeables et ce d'autant plus que dans un montage de ce genre l'éva- cation des calories ne peut se faire généralement, comme le cas dans la figure 1 que d'un seul côté, à savoir celui de la masse thermique 10 O Sur la figure 2 on a représenté un empilement de varactors en série d'un type en soi connu et de même nature que celui de la figure 1 mais où le nombre des varactors est de trois au Si.eu de deux e C'est ainsi que l'on voit sur la figure 2 les varactors 13, 14 et 15 situés respectivement dans les domaines 16, 17 et 13 délimités par les supports conducteurs 19, 20, 21 et 22 0 Le support 19 est en liaison directe avec la masse ther moque 10 0 On a représenté par les traits 23, 24 et 25 les trajets offerts au flux thermique pour se dissiper à travers l'ensemble de I'empilement vers la masse thermique e La situation des diodes 13 et 14 est à ce point de vue équivalente à celle des diodes 1 et 2 de la figure 1, mais la situation de la diode 15 est déjà beaucoup plus préoccupante car le flux de chaleur qu'elle émet doit se frayer un chemin à travers le silicium de la diode 15 elle-même et les deux entretoises en céramique 26 et 27 e Pour cette dernière diode l'échauffement est donc de 200C îoac -- 100C = 400C par Watt transmis .Dans la plupart des cas, cet inconvénient est rédhibitoire malgré l'intérêt que lton peut trouver dans le cas du montage de la figure 2 à multiplier par trois la tension de claquage que l'on peut appliquer à l'ensemble du montage La présente invention a précisément pour objet un empilement de n diodes varactors montées électriquement en série qui permet de s'affranchir des inconvénients rappelés ci-dessus d'une manière simple et efficace Cet empilement est essentiellement caractérisé en ce que la nième diode varactor située dans le nième compartiment opposé à la masse thermique est soudée au (n + 1)sème support par sa face active Cette façon de procéder à la réalisation d'un empilement est avantageuse au point de vue du flux thermique, perce que la résistance thermique du silicium est en moyenne de 2 à 3 fois supérieure à la résistance de la céramique utilisée, et l'on supprime ainsi précisément l'échauffement dû au passage du flux thermique à travers le silicium du dernier varactor De toute façon l'invention sera mieux comprise à la lecture de deux exemples de mise en oeuvre de l'empilement objet de l'invention, exemples dont la description sera faite en se référant aux figures 3 et 4 sur lesquelles - la figure 3 est un exemple d'empilement de deux aractors montés électriquement en série et pour lequel la comparaison se fait avec l'empilement en soi connu de la figure 1 - la figure 4 est un empilement de trois varactors montés électriquement en série et pour lequel la comparaison se fait par rapport à ltempilement d'un tyoe en soi connu de la figure 2 Sur la figure 3, on a représenté avec les mêmes chiffres de référence les éléments correspondants de la figure t Conformément à l'invention, dans ltempilement de la figure 3, levaractor 2 a été soudé par sa face. active directement sur la paroi du support conducteur 7 . Ses connexions électriques 29 sont de ce fait fixées à sa face inférieure et soudées au support conducteur 6 ~ De ce fait, le flux de chaleur émis par la joncç on lors de son fonctionnement en hyperfréquences suit le trajet 12' qui comporte essentiellement la traversée de deux entretoises en matière céramique 9 et 8 .Si on fait maintenant le bilan thermique de l'empilement de la figure 3 par rapport à celui de la figure 1, on trouve le résultat suivant - Pour la diode ND 1 les deux montages sont équivalents; - Pour la diode NO 2, dans le montage de la figure 1, l'échauffement était de 200C ( dans le silicium de la diode 2) plus 100C ( dans l'entretoise B) soit 300C par Watt au total; pour la diode 2 de la figure 3, l'échauffement est égal à 100C dans l'entretoise 9, + 100C dans l'entretoise 10 = 200C par Watt au total On décrira maintenant l'empilement de la figure 4, qui. comporte, comme celui de la figure 2, trois varactors en série Q Sur la figure 4, les mêmes références que sur la figure 2 ont été utilisées o Selon l'inventio^, le troisième varactor 15 a été fixé directement par sa face active à la surface du support conducteur 22 et ses connexions électriques 30 ont été soudées sur sa face arrière et le mettent en contact elec- trique direct avec le support conducteur 21 0 Dans cas conditions le flux thermique émis par la jonction du varactor 15 au cours de son fonctionnement s'écoule vers la masse thermique 10 selon le trajet 25' qui met en évidence la suppression d'une résistance thermique due au silicium dans la jonction 15 ellemême et son remplacement par la résistance thermique de lten- tretoise en matière céramique 28 . il est évident que les conditions thermiques des varactors 13 et 14 sont les mêmes dans le cas de la figure 2 et de la figure 4; en ce qui concerna au contraire le varactor 15, il est facile de voir que son échauffement maximal, qui é-ait dans le cas de la figure 2 égal à 200C ( dans le varactor 15 lui-meme) + 10 C ( dans l'entretoise 27 ) + 10 C ( dans l'entretoise 26 ) = 400C par Watt n'est plus, dans l'exemple de la figure 4 que de 3 x 100C ( dans les entretoises 26, 27 et 28 ) = 300C par Watt REVENDICATIONS 1 / Empilement de n diodes varactors montées électriquement en série, du genre de ceux comprenant un empilement de n domaines délimité chacun par l'espace compris entre deux supports conducteurs maintenus espacés par des entretoises en une matière céramique isolante électrique et bonne conductrice de la chaleur, chaque domaine comportant une diode varactor et le premier support relié à une source froide constituant la mise à la masse thermique de l'ensemble, caractérisé en ce que la diode varactor située dans le nie me compartiment opposé à o masse thermique est soudée au dernier et in + 1)sème support par sa face active 20/ Empilement selon la revendication 1, dans lequel le nombre n de diodes varactor est égal à 2 30J Empilement selon la revendication 1 dans lequel le nombre n de diodes varactors est égal à 3