Brevet FR2404921A1 — publié le 19790427

L'invention concerne un système d'encapsulation de composants électroniques d l'état solide, et un oscillateur à très haute fréquence utilisant un tel système ; l'invention est applicable notamment aux sources d'ondes millimétriques dissipant une quantité appréciable d'énergie thermique. Les composants électroniques à l'état solide notamment les diodes et transistors S semiconducteurs, ne peuvent être utilisés sans risque de détérioration qu'à condition d'être protégés contre les accidents provenant de manipulations, d'agressions climatiques, et en outre contre les effets de leur propre dissipation athermique. Cette protection est réalisée notamment par encapsulation en boitier étanche comportant fréquemment un dissipateur thermique. Or, aux très hautes fréquences, notamment en ondes millimétriques, une encapsulation comportant une partie isolante intégrée dans un boitier présente, surtout lorsque l'isolant est constitué par un anneau d'alumine entourant le composant et inséré entre deux parties métalliques, un premier inconvénient. En effet, il 'apparait une capacité parasite relativement importante entre les deux parties métalliques constituant généralement deux pôles de tension alternative aux bornes du composant électronique. On démontre facilement par le calcul que cet inconvénient devient particulièrement gênant dans le cas des ondes millimétriques, compte-tenu des dimensions usuelles des composants et des boitiers dans ce dernier cas. On a cherché à remédier à cet inconvénient en remplaçant l'anneau d'alumine par un anneau de verre du type quartz" (silice fondue). Le premier inconvénient est en effet atténué en raison du fait que la capacité est divisée par un facteur de l'ordre de 3 par suite de la valeur beaucoup plus faible de la constante diélectrique de ce type de verre par rapport à l'alumine.Malheureusement, avec ce type de verre il apparait un deuxième inconvénient provenant de la différence importante des coefficients de dilatation, de O,5.1O6/0C dans ce cas, avec celui des métaux (cuivre : 18.10-6/OC ; or : 10'6/OC) même lorsque le métal est un alliage de fer, de cobalt et de nickel (kovar : 6.îo 6/oC) adapté aux verres usuels et non à la silice fondue. Dans ces conditions, si l'on soude directement un anneau de quartz sur un dissipateur thermique métallique, l'anneau se brise pendant le refroidissement, sous l'effet des contraintes mécaniques dues à la différence des coefficients de dilatation et l'étanchéité du boitier est difinitivement compromise. L'invention tend d remédier simultanément S ces deux inconvénients. Le système selon l'invention est applicable à tout système d'encapsulation comportant un dissipateur thermique, par exemple métallique, S coefficient de dilatation relativement élevé, et un élément métallique, relié d une électrode du composant électronique d encapsuler, dès lors qu'un matériau isolant à faible coefficient de dilatation est inséré entre le dissipateur et l'élément métallique. Il est caractérisé en ce qu'il comporte le choix d'un isolant à faible constante diélectrique et l'insertion d'un jeu d'au moins deux éléments métalliques (rondelles dans le cas d'un anneau isolant) entre le dissioateur et le matériau isolant.Ce jeu d'éléments comprend au moins un élément métallique à coefficient de dilatation aussi Broche que possible de celui de l'isolant, et au moins un élément en métal mou à coefficient de dilatation intermédiaire entre celui du dissipateur et celui de l'isolant. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaitront au moyen de la description qui. suit, en se rapportant aux dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels la figure 1 représente en coupe un exemple de système d'encapsulation connu à boiter contenant une diode entourée d'un anneau isolant ; la figure 2 représente un mode de réalisation selon l'invention d'un boitier assez proche de celui qui est représenté figure 1, mais dans lequel on n'a pas représenté le composant électronique. Figure 1, on a représenté un boitier 10 de type connu, comportant un support 1 en cuivre à tige de fixation filetée 11, une bague 2 en alumine, un disque 3 en alliage de fer, nickel et cobalt du type 'tKOVAR" (marque déposée). Une diode 6 a été montée dans le boitier. Par thermocompression on a soudé son électrode inférieure (non représentée) sur un disque 5 en or, lui-même soudé sur la plateforme saillante 12 du support 1. Un ruban 7 en or relie l'électrode supérieure de la diode (non représentée) au disque 3 par pincement de ses deux extrémités entre disque 3 et bague 2. On vérifie facilement le résultat annoncé ci-avant en ce qui concerne l'effet de la capacité parasite entre disque 3 et segment 1 en ondes millimétriques. Dans ce dernier cas on a couramment les données suivantes pour la bague d'alumine diamètre extérieur : 1,3 mm ; diamètre intérieur : 0,8 mm ; constante diélectrique relative : 9. Le calcul donne une capacité électrostatique de 0,13 pF. Or, l'inductance de connexion associée en parallèle à cette capacité est au minimum de 0,15.PO 9 H. La fréquence de résonance du circuit ainsi constitué est de l'ordre de 35 à 40 GHz. Il en résulte une gêne de fonctionnement à partir de ces fréquences. Au contraire, dans le cas de l'invention, on remplace l'alumine par exemple par un verre de type "quartz' à constante diélectrique de l'ordre de 3,5. La capacité est divisée par 2,85 et la fréquence de résonance du boitier (de même dimension que précédemment) est multipliée par 1,7 environ, ce qui repousse la fréquence de résonance dans le domaine de 60 à 70 0Hz. Figure 2, on a représenté, à titre d'exemple de l'invention, un boitier différant du boitier représenté figure 1 par le remplacement de la bague d'alumine par une bague en silice et par l'insertion de rondelles 21 et 22 entre le support 1 et la bague 2. Cette bague a été préalablement métallisée pour faciliter les opérations de soudure en cours de fabrication du boitier. La rondelle 21 est constituée par le même alliage (Kovar) que le disque 3. La rondelle 22 est en métal mou par exemple de l'or recuit qui présente en outre l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation inférieur à celui de l'argent et du cuivre tout en étant supérieur à celui de la silice.L'argent ou le cuivre sont en effet presque obligatoirement utilisés pour la constitution du support 1 en raison de leur excellente conductivité thermique, celle-ci étant rendue nécessaire par la grande quantité de chaleur à écouler ; en effet si l'on prend un composant électronique délivrant une puissance de 300 mW à 600 mW en très haute fréquence, la puissance thermique à écouler peut etre de l'ordre de 10 à 15 fois plus forte en raison des rendements relativement faibles en haute fréquence (6 à 10%). Les soudures des pièces 21 et 22 entre elles et avec le support sont effectuées de façon classique après interposition de préformes ou de couches minces de métaux ou d'alliages à point de fusion assez bas (50 à 400 C) tel que l'étain, l'alliage plomb-étain ou l'alliage or-étain. A titre de variante, le disque 3 et la rondelle 21 peuvent être réalisés en alliage de fer et de nickel à très faible coefficient de dilatation (1.10 6I0C) dit "invar". Les avantages du système d'encapsulation selon l'invention sont les suivants Le boitier qui vient d'être décrit et représenté peut être fabriqué par simple soudure des différentes pièces sur le support sans que l'on enregistre de taux appréciable de rebut imputable à la rupture de la partie relativement la plus fragile à savoir la bague de silice. En cours de fonctionnement, une puissance utile de l'ordre du watt peut être obtenue sans rupture de la bague (même à 3000 C) et sans atteindre une température dangereuse pour la vie du composant électronique, en dépit de la puissance thermique de l'ordre de plusieurs watts à dissiper par le support. L'invention est applicable à l'encapsulation de nombreux composants à semiconducteurs (silicium, arséniure de gallium, etc) destinés à fonctionner aux ondes millimétriques, tels que les diodes Gunn, les diodes à avalanche, les diodes et transistors du type à temps de transit. REVENDICATIONS 1. Système d'encapsulation d'un composant électronique à l'état solide, du type comportant un premier élément, destiné à jouer le rôle de dissipateur thermique, en métal présentant un premier coefficient de dilatation thermique, un deuxième élément, relié à une électrode dudit composant, en métal présentant un deuxième coefficient de dilatation beaucoup plus petit que le premier, et un troisième élément en matériau isolant à faible constante diélectrique et à coefficient de dilatation voisin de celui du deuxième élément, inséré entre le premier et le deuxième élément, caractérisé en ce qu'un quatrième élément et un cinquième élément sont insérés entre les premier et troisième éléments, le quatrième élément étant constitué par au moins une pièce en métal à coefficient de dilatation voisin de celui du deuxième élément et le cinquième élément étant constitué par au moins une pièce en métal mou à coefficient de dilatation intermédiaire entre les coefficients de dilatation des premier et troisième éléments. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ee que le premier et le deuxième élément comportent des surfaces planes, que le troisième élément a la forme d'une bague cylindrique, et que les quatrième et cinquième éléments sont constitués par au moins une rondelle de diamètre interne et externe égaux à ceux de ladite bague, lesdites rondelles et ladite bague formant un empilage inséré entre les surfaces planes des premier et deuxième éléments. 3. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième élément étant en silice fondue, les deuxième et quatrième éléments sont en alliage contenant au moins du nickel et du fer. 4. Système suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit alliage contient en outre du cobalt. 5. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cinquième élément est en or recuit. 6. Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément est un support en métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité comportant une plateorme saillante destinée à recevoir ledit composant électronique dont la masse électrique est soudée à ladite plateforme, ladite plateforme étant entourée d'une bague en verre de type "quartz" surmontée d'un disque en alliage à faible coefficient de dilatation thermique, lesdites rondelles étant insérées entre ladite bague et ledit support. 7. Oscillateur à très haute fréquence caractérisé en ce qu'il comporte un système suivant l'une des revendications 1 à 6.