Brevet FR2119863A1 — publié le 19720811

-i - 2119863 La présente invention concerne ues circuits hybrides hyper-fréquence constitués à partir de dépôts d'or adhérents effectués sur un substrat consistant en une plaquette de céramique possé-danfc uo bonnes caractéristiques diélectriques aux fréquences de travai l Jesdits circuits, coopérant avec des composants passifs et actifs déposés ou rapportés sur ledit substrat. On sait que de tels circuits nybrides sunt généralement réalisés sur des substrats constitués, par exemple, par une rainee plaquette û'une céramique à base d'oxyde d'aluminium (alumine) ou à base ;•'oxyde de béryllium (glycine). Selon les modes de réalisation déj^ connus, un circuit hybride ■ hyper fréquence de ce «renre est, après un contrôle approprié de ses ca rac ter i s tiques, e-if f-rmé dans un boîtier dont les dimensions sont grandes vis-à-vis de celles de la plaquette substrat en vue d'assurer audit circuit les protections mécanique, et, éventuellement, climatique qu'il requiert et le iiunir des éléments de connexion, tels que ues fiches coaxiales, nécessaires pour assurer son raccordement avec son alimentation et avec les autres circuits, avec lesquels il coopère. Lorsque les composants semiconducteurs actifs utilisés sont eux-mêmes contenus dans une petite enceinte étanene, le boîtier précité assure seulement la protection mécanique du circuit et il n'est pas nécessaire qu'il ..soit étanché ; lorsque les composants semiconducteurs actifs ne sont ps~ encapsulés, ce qui facilite la miniaturisation du. circuit hybride hyperfréquence, il faut de plus que le boîtier contenant l'ensemble du circuit soit parfaitement étanene pour protéger les cristaux semiconiuc-" teurs de l'action néfaste de la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère, ce qui contribue k rendre un tel boîtier particulièrement onéreux. De toute façon, qu'il soit étanene ou qu'il ne le soit pas, un tel boîtier est coûteux, lourd et encombrant, et ne permet pas de bénéficier pleinement des possibilités dn miniaturisation permises par ailleurs pnr les technologie;: connues de réalisation de circuits bri.les hyperfréquence. Un ues buts de l'invention est l'obtention de circuits hybrides hyperfréquence miniaturises et dont les composants rapportés sont protégés tant du point de vue de l'atmosphère ambiante que du point de vue mécanique. Un autre but de l'invention est de procurer les facilités 70 47222 —c— 2119863 10 20 30 35 nécessaires d'établissement des liaisons d'interconnexion du circuit hybride hyperfréquence sans porter atteinte de façon prohibitive à la miniaturisation du circuit. L'invention est basée sur la considération que par la mise en oeuvre conjointe de tecnniques améliorées de réalisation de aépôts conducteurs à haute connuetibilité suscei-tioxes de résister h des températures relative-nent élevées et d'une technique nouvelle de scellement à 1'aide de verres de scellement dits "courts", il est possible d'effectuer des encapsuiations étan-ches au niveau du circuit hybride Lui-même.- Suivant l'invention, les circuits hybrides hyperfréquence constitués à partir de dépôts d'or adhérents sur un substrat consistant en une rlaquette de céramique possédant de bonnes caractéristiques diélectriques aux fréquences de travail desdits circuits, coopérant avec des composants actifs et passifs déposes ou rapportés sur ledit substrat, sont notamment remarquables en ce que le matériau d'au moins un scellement d'un des éléments assurant la protection mécanique et climatique u'au moins une partie ces composants actifs et passifs desdits circuits est constitué par un verre dont la composition centésimale pondérale du mélange vitrifiabie, comportant des oxydes et des carbonates, est comprise dans la gamme suivante : Si og B2 °3 Al2 O3 Li„ 0 Zn 0 CO, Ca + CO, Sr + CO, Ba 3 3 3 oxyaes est située dans la gamme suivante : Si 02 "2 °3 ai2o3 Li - zn 0 Ca 0 + Sr C + 5a 0 (oxydes alealino-terreux le rapport molaire Lio 0 + Zn JaO-t Si û2 + Bp + Al^ 0- ci 16 % 18 à 41 % 0 à 7 % 45 à - 10 % 33 à 60 7° 0 Ci Ôr % du verre, en 4 ri 20 20 r: 43 P u s /° 5 ri 10 7° à 55 P 0 3a 0 cl 10 ?» étant égal ou supérieur à 1. 70 47222 2119863 L'utilisation d'un verre de scellerasnt dont la composition est située dans les limites indiquées ci-dessus permet la réalisation facile d'un scellement solide et étanche sur une plaquette de céramique, munie d'éléments conducteurs plats constitués par 5 des dépôts d'or adhérents, par un chauffage d'une durée de l'ordre d'une dizaine de minutes à une température n'excédant pas 800°C. Les aépôts d'or adhérents à partir desquels sont élaborés les éléments conducteurs plats peuvent être obtenus par la mise en 10 oeuvre du brevet français 1 588 506 concernant un procédé de dépôt d'une couche mince d'or sur un substrat, ce procédé permettant l'obtention de conducteurs conservant une bonne adhérence assurant des scellements étanches après un séjour de dix à quinze minutes à une température de l'ordre de 800°C. 15 La réalisation d'une encapsulation étanche au niveau du cir cuit hybride lui-même et de la plaquette de céramique constituant le substrat supportant ledit circuit hybride permet d'aboutir à des dimensions minimales correspondant à un degré de miniaturisation élevé, y compris pour les éléments d'interconnexion et de 20 raccordement du circuit hybride hyperfréquence avec les circuits auxiliaires d'alimentation et les circuits utilisant les signaux générés par le circuit hyperfréquence. Les liaisons plus directes et plus courtes ainsi obtenues ainsi obtenues, ne comportant qu'un minimum d'éléments intermédiaires, contribuent à réduire 25 les variations des impédances caractéristiques des éléments de transmission utilisés et les défauts d'adaptation. L'utilisation de conducteurs plats en or de largeur adaptable aux besoins des circuits mis en jeu, permet d'adapter au mieux l'impédance caractéristique des lignes plates (ou strip lines) 30 utilisées pour les circuits et facilite les adaptations d'impédances par la mise en oeuvre de conducteurs dont la largeur varie entre deux points donnés d'une ligne plate déterminée. La finesse et la précision avec lesquelles la très faible distance séparant deux conducteurs parallèles situés dans un même 35 plan peut être déterminée, jointe avec la netteté du profil des bords obtenue par la mise en oeuvre des moyens décrits dans la demande de brevet français déposée le 18 Mars 1970 Pa^ la société anonyme dite : R.T.C. LA RADIOTECHNIQUE-COMPELEC pour "Perfectionnements aux dispositifs utilisés pour la gravure par pulvérisa-40 tion cathodique" et enregistrée sous le numéro d'enregistrement 70 47222 2119863 national 70 09 665, permettent la réalisation de lignes de transmission du genre dit "à fente" ou slot line. La description qui va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien com-5 prendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins annexés sont constitués par : - la Fig. 1, qui est une vue en élévation et en coupe partielle de l'ensemble d'un circuit hybride conforme à l'invention. - la Fig. 2, qui est une vue par-dessus de l'ensemble du cir-10 cuit encapsulé représenté en élévation et en coupe partielle sur la Fig. 1. - la Fig. 33 qui est une vue en élévation de l'ensemble d'un circuit hybride conforme à l'invention. - la Fig. 4, qui est une vue par-dessus de l'ensemble du cir-15 cuit encapsulé représenté en élévation sur la Fig. 3. Le circuit hybride hyperfréquence représenté sur les figures 1 et 2 est réalisé sur une plaquette de céramique 12 supportée par une pièce métallique centrale 13 permettant la fixation de l'ensemble sur une pièce de métal ayant un rôle de radiateur 20 dissipant le flux calorifique amené par la pièce 13. La plaquette 12 est avantageusement faite en une céramique d'alumine de haute pureté, d'une teneur en comprise, par exemple, entre 99,5 % et 99s9 % ou bien encore en une céramique d'oxyde de béryllium de qualité équivalente. La pièce métallique centrale 13 comporte, 25 dans le cas de cet exemple, une collerette 14 et une tête 15. La tête 15 est engagée dans un trou ménagé dans la plaquette 12 à laquelle elle est scellée par utilisation d'une couche 33 d'un verre dont les proportions des composants sont situées à l'intérieur des limites précédemment indiquées. La pièce 13 est faite 30 d'un métal consistant en un alliage ternaire de fer, de nickel et de cobalt tel que les alliages à faible coefficient de dilatation connus sous les appellations commerciales K0VAR, DILVER P et FERNICO. La partie inférieure de la pièce 13 est filetée de façon à faciliter sa fixation sur un radiateur et il peut être avanta-35 geux de dorer cette pièce pour diminuer sa résistance électrique aux courants de haute fréquence. La face inférieure de la plaquette 12 est revêtue d'une couche 16 d'or adhérent dont l'épaisseur est, par exemple, d'environ 10 microns et qui est en contact électrique étroit avec la pièce 40 métallique 13, par exemple par l'intermédiaire d'un anneau de 70 47222 2119863 brasure 17 à base d'un alliage eutectique or-germanium ou or-silicium. Des conducteurs localisés, repérés par les référènces 18 et 19, constitués par de minces bandes d'or adhérant très fortement 5 sur la plaquette 12, sont aménagés sur la face supérieure de ladite plaquette. Le conducteur 18 forme, avec la couche d'or 16 et le diélectrique constitué par la plaquette 12, une courte ligne de propagation. Le conducteur 19, de largeur variable, constitue, en liaison avec la couche 16, une autre courte ligne plate de pro-10 pagation à impédance caractéristique variant progressivement entre son extrémité externe, reliée à une prise coaxiale miniature 20, et sa partie interne. La prise coaxiale miniature 20 est composée d'une pièce centrale axiale 21 et d'un corps cylindrique extérieur 22. Le corps 15 extérieur 22 correspond à la "masse" du circuit hyperfréquence et il est électriquement connecté à la couche d'or adhérent 16 par une patte plane 23 brasée ou soudée sur ladite couche. Le corps extérieur 22 est également muni de deux pattes latérales 24, visibles sur la Fig. 2, scellées sur le bord droit de la plaquet-20 te par une pellicule 34 d'un verre dont la composition est située à l'intérieur des limites précédemment indiquées. La pièce centrale 21 est prolongée par une partie 25 comportant un méplat permettant de la souder ou de la braser sur le conducteur 19. Une rondelle isolante 26 est utilisée pour assurer 25 un centrage correct de la pièce 21 par rapport au corps 22. La pièce centrale 21 et le corps 22 sont en un des alliages ternaires fer-nickel-cobalt déjà cités, et sont dorés afin de leur assurer une bonne conductibilité superficielle en haute fréquence. Un anneau 27, fait en une céramique de même nature que le ma-30 tériau de la plaquette 12, est scellé sur la face supérieure de ladite plaquette, et sur les conducteurs 18 et 19 qu'elle supporte, par un anneau de verre de scellement selon l'invention repéré par la référence 28. Le verre de scellement utilisé peut, par exemple, en un tel 35 cas, résulter d'une préparation effectuée à partir des matières premières précisées ci-dessus, mises en oeuvre selon les proportions pondérales indiquées : 70 47222 2119863 Si 02 7j8 % B2 03 34,9 % CO3 Li2 9,6 /S Zn 0 47,7 * 5 A titre d'exemple, on a représenté à l'intérieur de l'espace entouré par l'anneau 27 une diode auto-oseillatrice 29 soudée par thermocompression sur la face supérieure de la tête 15 et un conducteur 30 reliant le contact supérieur de la diode 29 au conducteur 19- 10 Le bord supérieur de l'anneau de céramique 27 est métallisé ou de préférence, revêtu d'une couche d'or adhérent d'une épaisseur de l'ordre de deux à trois microns. Un couvercle métallique 31, fait en mince disque d'alliage fer-nickel-cobalt doré, est soudé d'une manière étanche sur le bord supérieur de l'anneau 27} 15 par exemple à l'aide d'un anneau de soudure or-germanium 32. Le processus de fabrication d'un circuit-hybride hyperfréquence tel que celui représenté schématiquement sur la Fig. 1, et de son encapsulation, peut être précisé comme suit : - la couche d'or adhérent 16 peut avantageusement être obtenue 20 par le procédé décrit dans le brevet français 1.588.506 déjà cité et consistant à déposer d'abord sur la face inférieure de la plaquette 12, par pulvérisation cathodique, une sous-couche d'accrochage d'oxyde de cobalt d'une épaisseur d'environ 100 angstroms, complétée par une couche d'or d'une épaisseur de l'ordre de 1000 25 à 2000 angstroms. On procède ensuite à une recharge par élec-trolyse de la couche d'or adhérent ainsi déposée par pulvérisation cathodique de façon à accroître son épaisseur jusqu'à dix microns. Le début du procédé d'obtention des conducteurs 18 et 19 est 30 identique à celui de la couche d'or 16, par dépôt sur toute la face supérieure de la plaquette 12 d'une sous-couche d'accrochage d'oxyde de cobalt puis d'une mince couche d'or, obtenues toutes deux par pulvérisation cathodique; on constitue ensuite une "épargne" au moyen d'une couche de laque photosensible que l'on 35 expose ensuite à un rayonnement ultra-violet à travers un cliché représentant les tracés des conducteurs à aménager. Après dissolution de la laque exposée aux endroits correspondant aux conducteurs, les emplacements des conducteurs 18 et 19 sont rechargés en or par électrolyse jusqu'à l'obtention d'une épaisseur d'envi-40 ron dix microns. 70 47222 2119863 L'anlèvernent ou dépouillement de la laque photosensible devenue ou demeurée insoluble au moment de l'exposition au rayonnement uitre-viviot et .;éeapE-;-e ue la eur-'a^e ;e la plaquette située iieus: la laque Insoluble peuvent être effectués en deux ^ temps, j.ans un :i.ê::;e appar-ii • a je, er- phase ja^euse iunisée. Lo premier tempe est avsntaj. ousf-œ.it effectué en a tmospnèr-e .i 'o*y_ . ene sous une pression :ie l'ordre ;•'t,n centième de- millimètre de mercure, uans ur; plasma :e Lsss-i énerqie résultant le l'application d'une tension haute fréquence de valeur réduite eorrespon-10 uant, par exemple, à une densité je puissance de l'ordre Je 0,5*#b«£ Le second traj fce:nent consiste en une opération de gravure par-pulvérisation cathodique selon le procédé décrit dans la demande de brevet français du lb l'iars 197@> déjà citée, enregistrée sous le n° 70 CS- cô5,- cette opération étant effectuée après avoir re-1-3 fait le vile aans 1 'appareillage .le pulvérisation oatao.iique utilisé, et procédé m un fcalayarj* de i 'enceinte de Jéohsrce et pulvérisation par ie l'argon. Au cours ne cette opération, la mince couche d'or déposée par pulvérisation cathodique sur l'ensemble de la surface supérieure de la plaquette 12 est bombardée par les 20 ions A"1 on tous les en-iroits qui ne sont pas protégés par les conducteurs en or adhérent épais, et elle est détruite ainsi que ia souc-coucne d'accrochage en oxyde de cobalt. La surface libre de la plaquette oe céramique 12 est ainsi parfaitement nettoyée. D'autre part, au cours de cette opération de "gravure", les 25 bords des conducteurs tels que le et 19, auxquels 1a reenar^e par éleotroli'S-î uonne un profil qui a tendance à être légèrement "en champignon", avec une largeur au sommet supérieure -1 la largeur la oase, sont rectifiés par la gravure ionique et rendus perpendiculaires au plan de la face supérieure ue.la plaquette 30 12. La préparation du scellement de l'anneau 27 peut notamment être faite oe 1a manière suivante, le verre de scellement ayant été réduit en une poudre 1 grains fins par un broyage préalable approprié : constitue une pâte fluide 1- partir de la poudre de verre et l'un liqul-.e organique tel qu 'un hy Irocarcure de volatilité appropriée, un alcool, :.n acétate l'éthyle ou e.'a::îyie, etc... a iûitionné éventuelle!;, ent d'un liant tel que l'acide stéarique ou un ecllodion ; on dépose ensuite une couche mince et uniforme de cette pâte sur un ces "ocras de l'anneau 2J et, après évapora-40 tien ju solvant, on fait passer 1 ' anneau 27 aans un four, à une f 1 1 1 1 BAD ORK3ÏNN* 70 47222 -8- 2119863 température de l'ordre de 1000°C pendant un temps de l'ordre de dix minutes de façon à provoquer la fusion des grains de verre et le "nappage" de l'anneau de verre 28. On réalise ainsi, par réaction du verre et de l'alumine, une couche vitreuse très adhérente. 5 Postérieurement au dépôt de l'anneau de verre 28 et à son nap page sur l'anneau de céramique 27, il est avantageux de procéder au dépôt d'une couche d'or adhérent sur l'autre extrémité de l'anneau 27s par exemple selon la méthode exposée pour l'obtention de la couche d'or 16, par le dépôt par pulvérisation cathodique d'une 10 sous-couche d'accrochage d'oxyde de cobalt, puis d'une mince couche d'or renforcée ensuite par électrolyse de façon à atteindre une épaisseur de l'ordre de deux à trois microns. Il est ensuite possible de procéder au scellement de l'anneau 27 sur la plaquette 12 et les conducteurs en or adhérent par pas-15 sage dans un four à une température de l'ordre de 780°C pendant un temps de l'ordre de dix minutes. Lorsque l'anneau 27 est scellé, on peut mettre en place les éléments actifs ou passifs du circuit hybride et souder ensuite le couvercle 31 sur le bord supérieur doré de l'anneau 27 à une 20 température comprise, par exemple, entre 280°C et 300°C. Le circuit hybride hyperfréquence représenté sur les figures 3 et 4 est réalisé sur une plaquette de céramique 4l supportée par une pièce métallique 42 permettant la fixation de l'ensemble sur une pièce de métal ayant un rôle de radiateur. La pièce 25 42 est munie d'une large tête plate 43 permettant le scellement de la plaquette 41 sur la pièce 42. Le scellement de la plaquette 41 et de la tête plate 43 peut notamment être effectué en même temps que le scellement d'un anneau de céramique 44 sur la face supérieure de ladite plaquette et par utilisation d'un verre de 30 scellement de même composition. Dans le cas de cet exemple, la forme de la plaquette 4l est celle d'un hexagone régulier, ainsi qu'il est visible sur la Pig. 4; il est bien évident que cette forme n'est pas limitative et que la plaquette 4l pourrait avoir une forme polygonale régulière ou irrégulière, ou bien encore une 35 forme circulaire. La face inférieure de la plaquette 4l est munie d'une couche d'or adhérent 45, d'une épaisseur de l'ordre de dix microns, couvrant une partie de la surface de ladite face et constituant un contact de masse. La face supérieure de la plaquette 4l est munie 40 de conducteurs en or adhérent repérés par les références 46, 473 70 1*7222 -9- 2119863 18, 19, 50. Les conducteurs 46, 47 et 50 constituent, en liaison avec la couche d'or adhérent 45 et la céramique de la plaquette 4l, de courtes lignes plates de transmission. Les conducteurs 48 et 49, 5 séparés par une étroite fente 51, constituent une ligne de transmission à fente (slot line) dont la réalisation est rendue possible par l'utilisation de la gravure ionique pour le décapage de la face supérieure de la plaquette 4l après le renforcement par électrolyse de l'épaisseur de l'or aux emplacements correspondant 10 aux conducteurs 46, 47, 48, 49 et 50. La rigueur et la netteté des bords des conducteurs 48 et 49 permettent d'avoir une fente d'une largeur régulière de dix microns, par exemple, compatible avec le fonctionnement en ligne à fente. L'anneau de céramique 44, déjà cité, est scellé sur la plaquet- 15 te 4l par l'intermédiaire d'un anneau de verre de. scellement 52 et le bord supérieur de l'anneau 44 est muni d'une couche d'or adhérent. Un couvercle 53, fait d'un alliage fer-nickel-eobalt doré, est soudé sur le bord supérieur de l'anneau 44 par l'intermédiaire d'un anneau 54 de soudure or-germanium. 20 Le verre de l'anneau 52 peut être, par "exemple, un verre ré-' sultant d'une préparation effectuée à partir des matières premières précisées ci-dessous et mises en oeuvre selon les proportions pondérales indiquées : Le processus général de fabrication indiqué pour le circuit hybride hyperfréquence représenté sur les Figs. 1 et 2 est va-30 lable pour la réalisation du circuit intégré représenté sur les Figs. 3 et 4, l'utilisation d'un verre de scellement légèrement différent n'entraînant que des modifications mineures : la préfusion et le nappage du verre de scellement sur la large tête plate 43 de la pièce 42 et sur le bord inférieur de l'anneau 44 peuvent 35 également être effectués par un séjour de dix minutes dans un four dont la température est réglée à 1000°C; le scellement des pièces susnommées peut être obtenu par passage dans un four à une température de 760°C pendant un temps de l'ordre de six minutes. 25 Si O2 b2 O3 C03 Li2 Zn 0 4 % 37,2 % 9,9 % 48,9 % 70 47222 -10- 2119863 REVENDICATIONS 1. Circuits hybrides hyperfréquence constitués à partir de dépôts d'or adlîérents effectués sur un substrat consistant en une plaquette de céramique possédant de bonnes caractéristiques diélectriques aux fréquences le travail desdits circuits, coopérant avec des composants passifs et actifs déposés ou rapportés sur ledit substrat, caractérisés en ce que le matériau d'au .-noins un scellement d'un des éléments assurant la protection mécanique et climatique d'au moins une partie des composants actifs et passifs desdits circuits est constitué par un verre dont la composition centésimale pondérale du mélange vitrifiable, comportant des oxydes et des carbonates., est comprise dans la gamine suivante : Si 02 B2 °3 AÎÛct co:lÏ2 3 à 1 b 18 à 41 0 à 4,5a 33 t 7° 7 % 1 r\ lu 60 /-> Zn 0 C0V- Ca + 00.A Sr CO-, Ba : 0 •> 25 de sorte que la composition centésimale molaire du verre, en oxydes, est située dans la gamme suivante : Si 0o : 4 ci 20 ^ 0 -o 3 : 20 tL 45 0/ 1° n i A : 0 5 % Li2 0 : 5 3 10 {'( Zn 0 : 30 55 f'! H Ca C + Sr C + Ea C- : 0 O 10 ai rannort molaire LigC-i- Zn G + Ca C + Sr 0 + 2a C étant égal Si o f -i- 0_. ou sur.erxeur a 14 2. Circuits Hybrides -:yperfréquence selon la revendication 1, caractérisés en ce que les ïsoyens de connexion nîiniaturisés sont scelles sur la plaquette de céramique supportant les éléments a+" actifs desdits circuits.