Brevet FR2460565A1 — publié le 19810123

L'invention est relative aux résonateurs piézoélectriques et plus gé- néralement aux composants électroniques comportant au moins un tel résona- teur. La recherche de méthodes de production toujours plus rationnelles pour permettre la fabrication en masse et l'abaissement corrélatif des prix de revient a mené à la conception de résonateurs à quartz dits "mono- lithiques", c'est-à-dire o, comme décrit par exemple dans les demandes de brevets FR 78 33349 et FR 78 33350, l'élément résonant et son support ne constituent qu'une seule et même pièce. Dans ces résonateurs, l'élément ré- sonant est découpé dans une plaquette piézoélectrique mais sans en être détaché: au niveau des zones non-actives, l'élément résonant reste soli- daire de la plaquette qui forme ainsi un cadre-support. L'élément résonant est ensuite équipé d'électrodes par dépôt métallique, de même que son ca- dre reçoit des pistes métallisées destinées à la connexion électrique des électrodes avec l'extérieur ainsi qu'au montage final par soudage de cou- vercles sur chacune des faces du cadre, ce qui réalise un encapsulage ex- cellent. Cette technique a permis d'envisager la fabrication en masse d'élé- ments résonants associés à leurs supports et ayant une robustesse excel- lente. Mais ces éléments individuels doivent ensuite être séparés les uns des autres pour la réalisation de l'encapsulage et les méthodes de produc- tion en masse font alors place à un traitement pièce à pièce. En outre, il est à noter que les procédés de fabrication en masse n'étaient jusqu'à présent mis en oeuvre que pour des unités élémentaires simples et jamais pour des composants plus complexes pouvant comprendre plusieurs résonateurs et même d'autres composants électroniques qu'il pourrait être possible d'intégrer. Ces limitations, et notamment le fait que la reprise des résonateurs pièce par pièce pour les opérations de montage et de finition, n'apparais- se pas rationnelle et soit source de pertes de temps, ont suscité des ef- forts pour la mise au point de nouveaux composants utilisant des résona- teurs monolithiques et auxquels puissent être appliqués des procédés de fabrication permettant la production en masse, même pour des composants plus complexes comprenant plusieurs résonateurs et éventuellement d'autres éléments qu'il est possible d'intégrer sur la même plaquette que celle qui sert à l'obtention du résonateur, ce qui permet la réalisation de circuits hybrides. L'invention qui concerne donc des composants électroniques comprenant au moins un résonateur piézoélectrique monolithique et des procédés per- mettant leur obtention est exposée dans la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se rapportera aux dessins parmi lesquels La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un composant compre- nant un résonateur à diapason selon l'invention, non assemblé, La figure 2 montre le même composant après assemblage, et La figure 3 le composant terminé après la fixation des fils de con- nexion, La figure 4 illustre le procédé d'obtention en masse de composants tels que celui de la figure 3, Les figures 5 et 6 représentent la constitution en vue éclatée et sous forme de produit fini d'un composant selon l'invention comprenant deux ré- sonateurs, Les figures 7 et 8 illustrent le cas d'un nombre quelconque de résona- teurs pour une utilisation comme filtre multicanaux, La figure 9 représente un composant selon l'invention, comportant un résonateur et d'autres composants électroniques discrets, La figure 10 illustre le procédé d'obtention de composants comprenant deux résonateurs de typesdifférents et superposés, La figure 11 est une vue éclatée d'un tel composant et les figures 12 et 13 montrent le composant terminé avant et après fixation des conducteurs de connexion, Les figures 14 et 15 illustrent, dans le cadre de l'invention, un com- posant permettant la mise en oeuvre d'un procédé d'ajustement final de fré- quence par recharge de matière. Un premier exemple particulièrement simple de composant conforme à l'invention et ne comprenant qu'un résonateur est représenté à la figure 1. Un élément résonant 1, figuré ici par un diapason - mais il pourrait s'agir de toute autre forme plane d'élément résonant, par exemple un barreau, et de tout mode de vibration compatible avec cette forme plane est obtenu d'une seule pièce avec son support 2 par découpage dans une plaquette 3 de matériau piézoélectrique, par exemple de quartz monocristallin dont la taille définie par rapport aux directions. privilégiées a été choisie en fonction de l'application envisagée. La plaquette 3 forme donc autour de l'élément résonant 1 un cadre-support 2. L'élément résonant 1 porte des électrodes habituelles (non représentées) obtenues par métallisation selon toute technique appropriée connue. Le cadre 2 reçoit sur chacune de ses faces une piste métallisée à laquelle est connectée l'électrode correspon- dante et une couche d'alliage métallique à bas point de fusion qui servira pour l'assemblage ultérieur. Le résonateur est complété par deux couvercles supérieur et inférieur. Selon l'invention, ceux-ci sont constitués par deux plaquettes de matériau électriquement isolant et de mêmes dimensions que la plaquette 3, respec- tivement 4 et 5. De préférence ce matériau isolant sera optiquement trans- parent, permettant ainsi la traversée d'un faisceau laser ou d'un rayonne- ment calorifique. Le verre se prête bien à cette utilisation, mais pour des raisons de dilatation thermique, le quartz cristallin, de même coupe que la plaquette 3 se révèle bien plus avantageux. Pour dégager l'élément ré- sonant 1, dans les plaquettes-couvercles 4, 5 sont ménagées des cavités borgnes 6 de même contour que le cadre-support 2 de l'élément résonant. Une couche métallique d'alliage comme pour le cadre 2 est déposée autour de ces cavités de manière à former un cadre analogue 7. Afin de laisser ultérieurement dégagée une partie de la surface métallisée de chacune des faces de la plaquette 3, une échancrure 8 est ménagée dans chacune des plaquettes 4 et 5, et de préférence sur des bords opposés par rapport à l'axe médian du composant terminé. L'assemblage du composant, c'est-a-dire du résonateur, se fait ensui- te sous vide ou vide partiel en présence d'un gaz noble ou inerte en ame- nant en contact les trois couches constituées par les plaquettes 3, 4, 5 alignées de façon que les cadres soient en regard les uns des autres. Les plaquettes en contact sont chauffées au-dessus de la température de fusion de l'alliage métallique puis refroidies jusqu'à solidification de cet al- liage. De préférence cette opération se fait cependant en deux temps. Dans le premier, une seule plaquette terminale ou couvercle (4 ou 5) est fixée à la plaquette support 3 de l'élément résonant 1. Puis, par l'intermédiai- re de la plage de contact laissée libre par l'échancrure 8 et de la piste métallisée sur la face encore libre de la plaquette 3, l'élément résonant peut être excité et entretenu électriquement en oscillation, ce qui permet l'ajustement de la fréquence par enlèvement de matière sur la face libre, par exemple en utilisant un faisceau laser. Cette opération étant faite, il est procédé de la même manière que précédemment à la fixation de la se- conde plaquette terminale 5. L'ajustement final de fréquence et les épreu- ves habituelles de contrôle peuvent être alors menés à bien toujours en utilisant les plages de contact que les échancures 8 laissent dégagées. Sur le produit assemblé représenté en perspective à la figure 2 sont alors fixés les conducteurs de connexion électrique 9 pour donner le composant terminé représenté à la figure 3. Pour expliquer la conception du résonateur qui vient d'être décrit, on a considéré que les plaquettes, support de l'élément résonant 1 ou ter- minales 4, 5, étaient déjà mises à la dimension définitive et traitées a- vant l'assemblage. Or, cette conception même faisant appel à une structure multicouches. se prête particulièrement bien-à la production non plus pièce par pièce, mais en masse, par grandes séries. Cette fabrication en masse du résonateur précédent est illustrée par la figure 4, o les éléments in- dividuels portent les mêmes numéros de-référence que précédemment. Sur une plaquette 3 de matériau piézoélectrique sont découpés comme auparavant mais en série des éléments résonants 1, les électrodes sont dé- posées avec les connexions voulues avec les pistes métallisées formant ca- dre 2, et ceci sur les deux faces de la plaquette 3. Dans les plaquettes terminales 4 et 5, sur leur seule face interne, sont ménagées,selon le po- sitionnement et les dimensions correspondant aux cadres 2 de la plaquette 3, des cavités borgnes 6. Une piste métallisée formant cadre 7 d'alliage métallique à bas point de fusion entoure-ces cavités 6. Des perforations 8 sont ensuite pratiquées dans le bord de chaque cadre 7 des plaquettes ter- minales 4 et 5. Celles-ci sont destinées à dégager l'accès aux pistes mé- tallisées associées aux éléments résonants l -de la plaquette 3. Les per- forations 8 dans chaque plaquette terminale 4, 5 sont disposées de préfé- rence de manière à ne pas se trouver en regard de celles de l'autre pla- quette, comme pour les échancrures 8 évoquées plus haut. Ceci étant fait, l'assemblage des plaquettes 3, 4, 5 porteuses de tous leurs éléments individuels se fait de la même manière que dans le cas du résonateur des figures 1 à 3.-Ce n'est qu'après l'ajustement de fré- quence final, en utilisant les plages de la plaquette 3 dégagées par les perforations 8 pour l'entretien électrique, que les résonateurs indivi- duels sont séparés les uns des autres par sciage des plaquettes assemblées, ce qui donne des composants identiques à celui de la figure 2. On passe alors à un traitement pièce par pièce pour l'obtention de produits termi- nés avec leurs pattes de connexion 9 comme celui représenté à la figure 3. Dans ce qui précède, le produit fini est un simple résonateur, mais la même technologie multicouchess'applique aussi bien à la réalisation de composants électroniques comprenant deux résonateurs associés de même fré- quence ou plusieurs (m) résonateurs de fréquences différentes pour une u- tilisation comme filtres multicanaux, ou encore de composants comprenant au moins un résonateur associé à d'autres composants électroniques dis- crets dans le même encapsulage. Des exemples de telles réalisations indi- viduelles et pouvant être obtenues par le procédé de fabrication en masse exposé ci-dessus sont illustrés par les figures 5, 6, 7, 8 et 9. Pour ces exemples d'exécution généralisés à plusieurs résonateurs ou composants individuels dans le même composant d'ensemble, tout ce qui a été dit précédemment pour le cas élémentaire s'applique par simple analo- gie, ainsi n'est-il pas nécessaire ni même utile d'entrer dans trop de détails. A la figure 5, l'élément résonant 1 avec son cadre 2 est associé dans le même produit, donc sur la même plaquette 3, à un second élément réso- nant 1' avec son cadre 2'. Les deux cadres 2 et 2' sont séparés par une zone non métallisée, donc isolante. Dans les plaquettes terminales corres- pondantes 4 et 5, les cavités 6 sont doublées 6' de même que leurs cadres 7, 7' et séparées par une piste isolante. Il en est de même des échancru- res 8, 8' dégageant des plages métallisées des cadres 2, 2' de la plaquet- te 3. L'assemblage se fait comme précédemment, pour obtenir le produit fini représenté à la figure 6. Il est clair que le procédé de fabrication en lasse exposé pour les résonateurs simples s'applique sans modification fondamentale à ce cas. Cette application est particulièrement intéressan- te pour des composants comportant deux résonateurs de même fréquence mais de rapports dimensionnels différents leur conférant des températures d'in- version décalées, ce décalage étant mis a profit pour la compensation thermique. Le cas des composants à deux résonateurs peut également se générali- ser sans difficulté à un nombre quelconque de résonateurs disposés côte à côte comme représenté aux figures 7 et 8. Dans ce cas cependant, pour la réalisation des connexions extérieures (les connexions croisées intérieu- res sont facilement réalisables par les procédés bien connus d'isolation par évaporation de SiO2, "sputtering" de SiO2, A1203, ou TA205, ou encore déposition en phase gazeuse de composés appropriés sur la plaquette 3), la plaquette terminale supérieure 4 sera un peu moins large que les deux autres 3, 5 de manière à dégager l'extrémité des pistes métallisées de la plaquette 3, ce qui est un équivalent des échancrures 8 des cas précé- dents. Le produit fini a alors l'aspect représenté à la figure 8. Ce com- posant trouve une utilisation intéressante comme filtre multicanaux. A la figure 9 est représentée en plan la plaquette 3 relative à un autre type de composant selon l'invention. Celui-ci comprend au moins un résonateur 1, mais sur la surface encore libre de la plaquette 3 sont fi- xés, selon toute méthode appropriée, d'autres composants individuels dis- crets comme, par exemple, un circuit intégré J et des condensateurs Cl et C2. La plaquette 3 est ainsi utilisée comme substrat pourvudesconducteurs électriques nécessaires en couche mince avec leur plages de connexion. Il est évident que le procédé de fabrication en masse exposé en réfé- rence aux résonateurs isolés s'applique également sans modification signi- ficative aux autres exemples qui viennent d'être évoqués et illustrés par les figures 5 à 9. Dans tout ce qui a été exposé ci-dessus, il est à noter que par l'u- tilisation de la même plaquette 3 de matériau piézoélectrique, par exemple de quartz monocristallin, les résonateurs monolithiques obtenus et renfer- més dans le même composant électronique final sont nécessairement de la même coupe, par exemple la coupe X, Z, AT, etc... de la plaquette 3 elle- même. Or, la même technique peut, sans difficultés technologiques particu- lières, être généralisée à des composants pouvant comprendre des résona- teurs de coupe différente en faisant cette fois appel à plusieurs plaquet- tes piézoélectriques taillées selon les coupes désirées et superposées en étant isolées les unes des autres par des plaquettes intermédiaires, l'em- pilement s'achevant de part et d'autre par une plaquette-couvercle termi- nale. Ainsi, avec n (entier:e 1) plaquettes piézoélectriques dans chacune desquelles est découpé au moins un élément résonant, on pourra avoir dans le même composant final m résonateurs monolithiques (n:> n 1), les plaquettes piézoélectriques étant séparées par n-l plaquettes isolantes intermédiaires, le tout étant pris entre deux plaquettes isolantes termi- nales. La figure 10 illustre un tel assemblage à cinq couches auquel est ap- pliqué le procédé de fabrication en masse déjà évoqué dans le cas de réso- nateurs simples, le composant individuel apparaît en vue éclatée à la fi- gure 11, et après sciage de l'empilement des plaquettes à la figure 12, la figure 13 représentant le produit terminé après fixation des conducteurs de connexion. Dans l'exemple représenté, afin de dégager par le haut et par le bas, sur chaque plaquette piézoélectrique 3, 3', un accès à une plage métallisée pour l'excitation électrique des résonateurs, puis plus tard la fixation définitive de conducteurs (figure 13), les plaquettes in- termédiaires 10 et terminales 4 et 5 portent chacune deux perforations dans le bord de leur cadre, par exemple, comme représenté, aux extrémités d'une diagonale pour la plaquette intermédiaire 10 et aux extrémités d'un grand côté, qui n'est pas le même dans les deux cas, pour les plaquettes terminales 4, 5. Les plaquettes piézoélectriques portent, elles, une seule perforation dans un angle du cadre, la perforation de l'une étant dans l'angle opposé du cadre de l'autre. Chacune des plaquettes piézoélectriques est donc ainsi accessible par le haut et par le bas. L'assemblage et l'ajustement à la fréquence ne posent pas de problème particulier par rapport à ce qui a été dit dans le cas simple. L'utilisa- tion des composants ainsi obtenus peut s'appliquer de façon intéressante aux techniques de thermocompensation. La technologie de la conception multicouches du composant selon l'in- vention permeten plus de ce qui a été déjà exposé, l'application d'un procédé par recharge de matière pour l'ajustement final de fréquence, com- me alternative au procédé par enlèvement de matière. Un exemple d'une tel- le application est illustré par les figures 14 et 15 pour un composant in- dividuel, mais ceci vaut évidemment toujours pour la fabrication en grande série.Comme auparavant, la plaquette piézoélectrique 3 avec son élément résonant est prise entre deux plaquettes terminales 4 et 5. Celles-ci sont optiquement transparentes et leur cavité est revêtue d'une couche 11, Il' de métal évaporable dont la tension de vapeur est élevée. Entre ces pla- quettes terminales 4, 5 et la plaquette piézoélectrique 3 sont interposées deux plaquettes isolantes 12, 12' pourvues chacune d'une cavité borgne 13 du côté de l'élément résonant afin de dégager celui-ci et du cadre d'al- liage métallique habituel sur leurs deux faces. Dans ces cavités sont mé- nagées des ouvertures calibrées 14 débouchant sur une partie au moins de la zone active de l'élément résonant. Ces ouvertures 14 font donc communi- quer le logement de l'élément résonant avec les cavités des plaques termi- nales 4 et 5. Le composant contenant l'élément résonant est assemblé comme dans les cas précédents et sa fréquence grossière est également ajustée selon les procédés déjà décrits. Un ajustement final de fréquence s'effectue ensuite en soumettant l'un ou les deux couvercles que sont les plaquettes termina- les 4, 5 à un rayonnement calorifique représenté schématiquement en 15 à la figure 15. Le rayonnement provoque la fusion et l'évaporation des char- ges 11, Il' de métal évaporable dans les plaquettes terminales 4, 5. La vapeur dont la tension est élevée va se déposer à travers les ouvertures 14 qui jouent le rôle de diaphragmes sur les zones actives de l'élément résonant. Le processus d'évaporation-déposition est évidemment commandé à partir de la mesure de fréquence selon une technique de régulation appro- priée. On a vu un certain nombre d'avantages que la technologie des résona- teurs monolithiques et de leur conception multicouches pouvait apporter, notamment pour la mise en oeuvre de procédés de fabrication en grande sé- rie. Les exemples décrits concernent quelques applications particulières, mais il est évident que bien d'autres combinaisons sont possibles sans 8 2460565 sortir du cadre de l'invention, en jouant sur le nombre d'éléments réso- nants par plaquette et par composant, sur les différentes coupes du maté- riau piezoélectrique et sur les composants électriques élémentaires qui peuvent être associés aux éléments résonants. REVENDICATIONS 1. Composant électronique comportant m (entier à, 1) résonateurs piézoélectriques, caractérisé par le fait qu'il est constitué par la superposition de a) n (entier tel que m > n.B 1) plaquettes de matériau piézoélectrique dans chacune desquelles est pratiquée au moins une découpure non fermée définissant une zone constituant un élément résonant et une zone formant un cadre-support auquel l'élément résonant reste relié, b) n-l plaquettes intermédiaires en matériau isolant séparant les précéden- tes les unes des autres et dans chacune desquelles est pratiquée au moins une ouverture formant cadre de mêmes dimensions que ceux des plaquettes piézoélectriques contiguës et avec lesquels elle correspond, c) deux plaquettes terminales en matériau isolant formant couvercles et dans l'épaisseur de chacune desquelles est ménagée au moins une cavité bor- gne formant cadre de mêmes dimensions que le cadre-support correspondant de la plaquette piézoélectrique contiguë, que les éléments résonants portent des électrodes reliées à des pistes mé- tallisées portées par leur cadre pour les connexions électriques, que la surface de chacun des cadres est revêtue d'une couche de métaux et/ ou d'alliage métallique, et que les plaquettes sont solidarisées les unes des autres par la soudure constituée par l'alliage. 2. Composant électronique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau constituant les plaquettes intermédiaires et ter- minales est optiquement transparent. 3. Composant électronique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le matériau est du verre. 4. Composant électronique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le matériau constituant toutes les plaquettes est du quartz monocristallin. 5. Composant électronique selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les plaquettes présentent toutes la même coupe pour que les coefficients de dilatation soient accordés. 6. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et pour lequel m = n = 1, caractérisé par le fait que dans chaque plaquette terminale est ménagée une échancrure donnant accès à la piste métallisée portée par le cadre de l'élément résonant, et dans laquelle est fixé un fil de connexion. 7. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour lequel m = 2 et n = 1, caractérisé par le fait que les deux ré- sonateurs ont même fréquence, mais des rapports dimensionnels différents, de sorte que leurs températures d'inversion soient décalées pour assurer une thermocompensation. 8. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour lequel n = 1 et comportant m Ad 2 résonateurs de fréquences différentes pour une utilisation comme filtre multicanaux. 9. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte outre le (les) résonateur(s) , au moins un autre composant électronique discret fixé sur la même plaquet- te que le(s) résonateur(s), laquelle porte les conducteurs électriques né- cessaires en couche mince. 10. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour lequel n >L 2, caractérisé par le fait que les plaquettes dans lesquelles sont découpés les résonateurs sont de coupes différentes. 11. Composant électronique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9 pour lequel n = 1, caractérisé par le fait qu'entre la plaquette dans laquelle est (sont) usiné(s) le(s) élément(s) résonant(s) et les pla- quettes terminales sont interposées des plaquettes munies de cadres dans lesquelles sont ménagées des cavités borgnes pour dégager les parties ac- tives du (des) élément(s) résonant(s) et des ouvertures formant masques au regard des électrodes, et que les cavités des plaquettes terminales sont revêtues d'une couche de métal évaporable. 12.Procédé de fabrication de composants électroniques tels que définis dans l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les résonateurs piézoélectriques sont usinés par découpage dans des plaquettes de matériaux piézoélectrique en restant reliés à ces plaquettes formant supports par des zones de liaison de manière à ne former qu'une seule pièce, que des électrodes et des pistes métallisées, les pistes étant en plus mu- nies d'un métal, de métaux ou d'alliage à bas point de fusion formant ca- dres sont déposées respectivement sur les éléments résonants et chaque fa- ce de ces plaquettes, que des pistes métalliques analogues sont déposées sur chaque face des pla- quettes intermédiaires et sur les faces internes des plaquettes terminales de manière à former un cadre autour respectivement de chaque ouverture et chaque cavité préalablement ménagées dans ces plaquettes, que sur les bords de chacun des cadres autres que ceux des éléments réso- nants sont pratiquées des ouvertures permettant l'accès depuis l'extérieur, il aux pistes métallisées reliées aux électrodes, qui définissent ainsi des plages de contact dégagées, que lesdiverses plaquettes sont assemblées sous vide ou vide partiel en présence d'un gaz noble ou inerte en les amenant en contact les unes avec les autres dans la position appropriée, que l'ensemble est porté à une température supérieure à la température de fusion de l'alliage puis refroidi jusqu'à solidification de cet alliage. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les résonateurs sont ajustés à leur fréquence par enlèvement de matière en utilisant les plages de contact dégagées pour-l'entretien électrique et la mesure, et les fils de connexion fixés ensuite sur ces plages. 14. Procédé selon la revendication 12 ou la revendication 13, carac- térisé par le fait qu'un ajustement préalable de fréquence est opéré pen- dant l'assemblage qui se décompose en un premier temps pendant lequel seu- le une plaquette terminale est fixée puis la fréquence ajustée par enlève- ment de matière au faisceau laser sur la face de l'élément résonant encore libre, et en un second temps pendant lequel la seconde plaque terminale est fixée. 15. Procédé selon la revendication 12 ou 13 pour la fabrication de composants selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'un ajus- teiient final de fréquence est effectué par recharge de matière sur les électrodes en soumettant les plaquettes terminales de chaque composant à un rayonnement calorifique qui provoque l'évaporation de métal déposé dans les cavités des plaquettes terminales et sa condensation sur les électro- des à travers les ouvertures formant masques. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, carac- térisé par le fait que dans chaque plaquette sont préparés des éléments identiques en grand nombre et selon une disposition telle qu'ils puissent ensuite être mis-en regard avec ceux des autres plaquettes, à savoir respectivement: des élé- ments résonants avec leurs électrodes et cadres dans les plaquettes corres- pondantes, des cadres et ouvertures d'accès dans les plaquettes intermé- diaires et des cavités avec leurs cadres et ouvertures d'accès dans les plaquettes terminales, que les plaquettes sont ensuite assemblées, et nue seulement ensuite les divers composants individuels sont séparés par sciage entre eux des plaquettes assemblées et qu'enfin les fils de con- nexion sont fixés.