Brevet FR2140191A1 — publié le 19730112

La présente invention concerne un circuit électrique à couches épaisses constitué par un substrat, sur lequel sont déposés suivant la technique des couches épaisses, des pistes conductrices et des composants électriques ainsi qu'un organe de commutation qui est relié de façon conductrice avec les pistes conductrices, et un procédé de fdbrication d'un organe de commutation de ce type dans un circuit électrique à couche paicses. On connait déjà par le brevet américain N 3.241.009 des organes de commutation possédant deux états stables et cor-sti- tués par des corps semiconducteurs en verre. Sn plus des systemes de verre indiqués dans ce brevet, qui sont constitués par l'arse!;;ic, le tellure et l'indium ou par l'arsenic, le tellure et le sélénium ou par l'arsenic, le tellure et le brome, ou par l'arsenic, le thalium et le sélénium, ou par le vanadium, l'oxygène et le phosphore, ou par le vanadium, l'oxygène, le phosphore et le plomb, ou par le vanadium, l'oxygène, le phosphore et le baryum ainsi que par le sodium, le bore, le titane et l'oxygène, il a été découvert toute une série d'autres verres qui, suivant le procédé de faori- cation et les éléments utilisés, forment des semiconducteurs amorphes élémentaires et des semiconducteurs sous la forme de liaisons covalentes et de liaisons ioniques.Ces organes de commutation bistables peuvent être utilisés soit sous la forme de corps en verre massifs soit sous la forme de couches minces, qui peuvent être fabriquées par exemple par pulvérisation cathodique de verres correspondants ou par vaporisation du matériau en verre et par condensation consécutive sur des substrats. Des organes de commutation de ce type peuvent par conséquent être utilisés soit sous la forme de composarrts discrets,soit sous la forme de circuits à couches minces. La présente invention concerne au contraire un circuit dénommé circuit à couches épaisses. Lors de 1 fabrication de circuits suivant la technique à couches épaisses des pistes conductrices, constituées par des pâtes conductrices, sont fabriquées suivant le procédé de sérigraphie sur un substrat, qui peut être par exemple constitué par un corps en céramique ou en verre. De façon semblable des composants électriques tels que des résistances ou condensateurs peuvent être déposés sur le substrat à l'aide de la technique de sérigraphie.On a déjà également traité suivant la technique des couches épaisses des pâtes de verre en vue du revêtement des pistes conductrices ou également pour la réalisation de diélectriques de condensateurs.Ces couches non conductrices déposées à partir de pâtes de verre de ce type sont alors soumises à un traitement par fusion ou par frittage, à des températures comprises dans r gamme qui s'étend approximativement de 500 à 1.000 C, à la @ duquel le liant contenu dans la pâte de verre s'évapore et le verre fonc' ou former une couche homogène ou, dans le cas de co@stituées o@@ de la vitrocéramique (verre dévitrifié), est @@@@@ sé par frittage sous la forme d'une couche polycristalline, Par contre jusqu'à présent il était impossibl de fabriquer à l'aide de la technique des couches épaisses des @@g@@@@ de commutation et des éléments de mémoire. Des commutateurs @@@@@@@ éléments de mémoire discrets devaient être insérés dans le ci@ à couche épaisse qui avait déjà été fabriqué par ailleurs. La présente invention a pour objet de réalise circuit éectriQJe à couches épaisses qui comporte un organe commutation pouvant être fabriqué également suivant la techr des couches épaisses. Le résultat est obtenu conformément à l'invention grâce à un @i@@@it éle@trique à couches épaisses du type cité récédemment, l'organe de comm@tation étant constitué conformém@ l'invention @@@@@ du verre semic@@du@taur déposé suivant la technique des c@uches épais@es. L@ @e@@@e @emicondu@teur peut être constitué par des verres semicondu@teurs connus appatenant aux groupes IV @@@. du iahleau périodique des éléments. Ainsi, par exemple sont c priés des semiconducteurs amorphes élémentaires ainsi que des semi- conducteurs amorphes qui comportent des liaisons covalentes et ioniques. Il est surprenant que l'on réussisse de cette maniè- re à fabriquer des organes de commutation suivant la technique des couches épaisses, étant donné que l'on ne pouvait notamment pas s'attendre à pouvoir traiter les verres semiconducteurs connus suivant le procédé de la technique des couches épaisses. L'invention concerne de plus un procédé de fabrica- tion d'un organe de commutation dans un circuit électrique à cou@hes épaisses dans lequel, conformément à l'invention, un verre semic@n- ducteur est réduit en morceaux par broyage, un liant organique est additionné à ce verre, et l'ensemble est traité afin d'être mis sous la forme d'une pâte, cette pâte étant ensuite déposée par un procédé sérigraphique sur un substrat destiné à recevoir un circuit et le substrat ainsi imprimé étant ensuite porté, en présence d'une atmosphère neutre, à une température comprise dans une gamme comprise entre 400 et 500 C. Au cours du traitement,connu jusqu'à présent, des pâtes de verre suivant la technique desérigraphie,les couches fabriquées à partir de la pâte de verre étaient chauffées jusqu'à la fusion ou jusqu'au frittage (dans le cas delavitrocéramique)du verre.Cela semblait exclure l'application de verres semiconducteurs à l'aide de la technique de sérigra - phie étant donné que les caractéristiques électriques souhaitées pour les verres disparaissaient lorsqu'ils étaient traités de façon usuelle.Ona établi de façon surprenante que l'on pouvait par chauffage à une température comprise dans lagamme comprise entre 400 -5CO9C, et en présence d'une atmosphère d'argon, transformer les couches déposées à partir de verres semiconducteurs en organes de commutation bistables. Pour la fabrication des pâtes on utilise avantageusement, en tant que liant, une solution d'éthlcellulose dans du terpineol ou de nitrocellulose dans de l'acétate de butylcarbitol. On obtient des résultats particulièrement favorables lorsque le chauffage,après le dépôt des pâtes,est effectué jusqu'à une température comprise dans l'intervalle de 430 à 4500 C. Le chauffage a lieu en présence d'une atmosphère qui peut ne pas être oxydante.De façon avantageuse il est effectué en présence d'une atmosphère d'argon.Après l'application des pâtes de verre le matériau actif peut être recouvert par une résine polyester ou par une résine époxy. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 1 représente une vue de dessus d'un organe de commutation fabriqué suivant la technique des circuits à couches épaisses. La figure 2 représente l'organe de commutation en coupe suivant II - II de la figure i. La figure 3 représente la caractéristique couranttension d'un organe de commutation de ce type. Tout d'abord un verre semiconducteur est fabriqué de la façon suivante à partir du silicium, du germanium, de l'arsenic, et du tellure dont les pourcentages en atomes sont respectivement égaux à 12 %, 10 %, 30 % et 48 %. Les divers constituants sont broyés mécaniquement, mélangés, et introduits dans un petit tube en quartz qui est scellé sous un vide approximativement égal à lO 4 torr. Le petit tube en quartz est disposé à l'intérieur d'un tube également en quartz de plus grand volume en vue de le protéger contre des explosions éventuelles et est chauffé dans un four, jusqu'à une température approximativement égale à 1.2000 C. La vitesse d'augmentation de la température n'est pas critique, mais une pose doit avoir lieu à une température comprise entre 620 et 6400 C environ, à laquelle l'arsenic exerce une pression de vapeur égale à- 1 atmosphère. Ensuite la température est portée à 1.200 C. Cette température est maintenue quelques secondes en déplaçant fréquemment l'enceinte réactionnelle. Des températures élevées et une pose relativement longue sont nécessaires afin d'obtenir une fusion homogène et une dissolution du silicium dans la masse fondue. Le matériau fondu est ensuite refroidi rapidement par transfert direct du petit tube en quartz hors du four dans l'eau froide. L'état vitreux de la substance obtenue peut être reconnu entre autres aux surfaces de rupture en forme de coquillages. Le verre semiconducteur possède, dans cet état, une résistivité élevée. Pour fabriquer une pâte apte à la sérigraphie, le verre est d'abord broyé, par exemple dans un broyeur à boulets, de sorte qu'il se forme de préférence des petits grains de dimension inférieure à 2p . Un liant organique est ajouté à cette poudre, celui-ci étant par exemple constitué par 8 parties en poids d'éthylcellulose et 92 parties en poids de terpinéol. La poudre et le liant sont homogénéisés pour former une pâte présentant des caractéristiques rhéologiques appropriées à la technique d'impression.Cette pâte doit présenter pour la sérigraphie usuelle suivant la technique des couches épaisses une viscosité approximativement égale à 20.C30 cP dans le cas d'un gradient de vitesse de cisaillement égal à 500 sec'l. La pâte obtenue est déposée de façon usuel- le par impression par exemple sur un substrat en oxyde d'aluminium. Un traitement thermique succède au processus d'impression et au séchage de la couche. A cet effet les substrats imprimés sont ortés, en présence d'une atmosphère dépourvue d'oxy ,jène d'un four, par exemple une atmosphère d'argon, à une température comprise entre 430 et 4500 C. Le matériau actif est recouvert par une résine polyester ou par une résine époxy ou par une autre matière synthétique appropriée afin d'être protégé contre les influences ambiantes. Les figures représentent l'organe de commutation qui a été fabriqué de cette manière. L'organe de commutation comporte des électrodes 2 disposées sur un substrat 1 qui peuvent par exemple être constituées par de l'or et qui sont imprimées à une distance l'une de l'autre pouvant être comprise entre 25 et 500 environ. Le matériau actif 3 est imprimé avec une épaisseur égale par exemple à 25 , au-dessus de la zone de largeur a La surface que ce matériau actif peut occuper n'est pas critique Dans le cas de géométries de faibles dimensions une surface de 150 x 150 par exemple est suffisante. Une couche 4, en résine époxy,destinée à réaliser le revêtement, est disposée par dessus. La figure 3 représente le comportement de l'organe réalisé de Cette anière dans le cas du fonctionnement en courant alternatif. L'organe fonctionne comme un commutateur et ce indépendamment de la polarité de la tension appliquée. En partant de l'origine des axe de coordonnées de la tension et du courant l'organe présente tout d'abord, pour une tension croissante, un comportement ohmique et est de forte valeur ohmique. Lorsqu'une tension de seuil Us est dépassée (laquelle est approximativement égale à 5 Volts pour l'organe considéré), la caractéristique courant-tension change brusquement, ce changement brusque étant causé par le saut de le valeur Je résistance de l'organe choisi à titre d'exemple d'une forte valeur à une faible valeur. Lorsque l'organe se trouve dans son état de faible valeur ohmique, il apparat pour une valeur donnée de la tension alternative, un courant élevé dont la valeur dépend du choix de la résistance de limitation du courant.Dans cet état on peut faire varier l'intensité du courant sans que la chute de tension aux bornes de l'organe de commutation en soit pour autant sensiblement influencée. Lorsque ie courant devient inférieur à un certain courant de maintien IH(égal approximativement à 3 mA dans le cas de l'organe décrit), l'organe retourne dans son état de forte valeur ohmique. L'organe présente le meme comportement dans le cas d'un changement de polarité. Lorsque l'organe passe de son ett de forte valeur ohmique à son état de faible valeur ohmique il traverse une zone de résistance négative, celle-ci pouvant être mise en évidence grâce à une résistance en série choisie de façon apprepriéeJc'est-à-dire présentant une valeur élevée en correspondance. L'organe peut également être utilisé comme mémoire pour une pulsation électrique appropriée. Lorsqu'une certaine tension de seuil est dépassée, l'organe saute de son état de forte valeur ohmique dans son état de faible valeur ohmique, et reste dans son état fortement conducteur, meme lorsque la tension appi quée passe par zéro. Par opposition à son comportement e@ commuts teur, l@ str@@@t@re du matériau est modifiée lorsque l'organe @@@ comporte comme une mém@ire. L'organe peut passer de l'état for@@@- ment conducteur à l'état faiblement conducteur par application d'une @@@@@@@on de @@@rant qui libère suffisamment d'énergie p@@ @m@ner le @@@é@@@sa de l'état @rdonné à l'état désordonné. REVENDICATION 1. Circuit électrique à couches épaisses constitué par un substrat, sur lequel sont déposés, suivant la technique des couches épaisses, des pistes conductrices et des composants électriques ainsi qu'un organe de commutation qui est relié de façon conductrice avec les pistes conductrices, caractérisé par le fait que l'organe de commutation est constitué par un verre semiconducteur déposé suivant la technique des couches épaisses. 2. Procédé de fabrication d'un organe de commutation dans un circuit électrique à couches énaisses caractérisé par le fait qu'un verre semiconducteur est réduit par broyage, qu'un liant organique est additionné à ce verre et que l'ensemble est traité afin d'être mis sous la forme d'une pâte qui est ensuite déposée par un procédé sérigraphique sur un substrat destiné à recevoir un circuitetquelesubstrat ainsi imprimé est ensuite porté, en présence d'une atmosphère neutre, à une température comprise dans une gamme comprise entre 4000 et 5000 C. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on utilise, en tant que liant, une solution d'éthylcellulose dans du terpineol ou de nitrocellulose dans de l'acétate de butylcarbitol. 4. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que le chauffage a lieu à une température comprise entre 430 et 4500 C. 5. Procédé suivant l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé par le fait que le chauffage a lieu en présence d'une atmosphère d'argon. 6. Procédé suivant l'une des revendications 2, 3, 4 ou 5, caractérisé par le fait que l'organe de commutation est recouvert par une couche de protection constituée par de la résine polyester ou par de la résine epoxy.