Brevet FR2485262A1 — publié le 19811224

2485262' La présente invention concerne un boitier'd'en- capsulation plus particulièrement destiné aux circuits hybrides qui sont appelés à fonctionner sous de fortes pressions, uniformes et de type hydrostatique. Il est connu que dans le cas de mesures à faibles niveaux, l'électronique d'amplification doit se trouver le plus près possible du capteur de façon à transmettre un signal amplifié, moins perturbé par le bruit ou par des parasites locaux. Ce qui est facilement réalisable à des pressions proches de la pression atmosphérique devient très délicat lorsque la pression du milieu dans lequel'doit fonctionner le circuit est élevée et dépasse par exemple 100 bars. En effet, les composants des circuits hybrides ne sont pas réalisés pour fonctionner normalement sous de fortes pressions, et les pastilles de circuits inté- grés ou de semiconducteurs, les condensateurs et résis- tances rapportées sur un substrat de circuit hybride cassent au-delà de quelques bars ainsi que le substrat lui-même. Des exemples, non limitatifs, de circuits fonction- nant-sous de fortes pressions sont donnés par les cir- cuits immergés par deux ou trois milles mètres de fond, ou par les circuits introduits à l'intérieur d'instal- lations industrielles sous pression, de façon à mesurer. des débits ou pressions.par exemple. La solution généralement adoptée consiste à enfermer le circuit électronique dans un boîtier métallique, souvent de forme ronde ou cylindrique, prévu pour résis- ter à la pression externe. Un doigt de gant qui pénètre dans une installation industrielle en est un exemple, mais qui n'est pas applicable à un circuit immergé sous plusieurs milliers de mètres d'eau. Dans ce cas, la liEaison par cAble nécessite alors que le boîtier métallique soit muni de passages dits "verre/métal", c'est-à-dire de connexiona métalliques scellées dans le bottier par des perles de verre. Ce type de scelle- ment et ses passages sont éminemment fragiles. L'invention apporte une solution à ce double problème du fonctionnement d'un circuit hybride sous forte pression et à ses connexions électriques avec l'extérieur, en proposant un boîtier hermétique cons- titué par un substrat plan,-:mince, sur lequel le circuit hybride est réalisé sur l'une ou les deux faces, et sur lequel sont rapportés deux couvercles enveloppants de forme bombée dépourvue d'angles vifs, disposés face à face de façon à pincer le substrat. En outre, le substrat déborde le périmètre des couvercles, ce qui permet d'y fixer des broches de connexions externes, lesquelles sont reliées électrique- ment au circuit hybride à l'intérieur du boîtier par des pistes métalliques de faible épaisseur, déposées sur le substrat, lesquelles pistes passent entre substrat et couvercle dans l'épaisseur du joint de fermeture. Le scellement des deux couvercles sur le substrat est assuré par tout moyen connu de -l'homme de l'art: un collage par une colle du type époxy sur pièce en alumine donne d'excellents résultats. De façon plus précise, l'invention concerne un boîtier d'encapsulation résistant à de fortes pressions externes, pour circuit hybride réalisé sur substrat (10) plan en matériau de type céramique, caractérisé - dJune part en ce qu'il est constitué par deux de- mi-coquilles identiques (13 et 14), en un matériau rigi- de et isolant électrique, de forme bombée dépourvue d'an- gles vifs et présentant une concavité interne de dimen- sions adaptées au circuit à protéger (15), ces demi-co- quilles étant disposées symétriquement sur les deux fa- ces du substrat du circuit hybride, créant ainsi à l'in- térieur du bottier une zone hors pression, de déformation nulle; - d'autre part, en ce que les liaisons électriques, entre le circuit hybride (15) et les broches de con- nexions extérieures (11) sont assurées par des conduc- teurs métalliques (12) plats et minces, déposés sur au moins une face du substrat (10), et qui traversent le boîtier d'encapsulation dans le plan du joint de scelle- ment d'une demi-coquille sur le substrat. L'invention sera mieux comprise par la description qui en suit laquelle s'appuie sur des figures d'exemples de réalisation qui concernent - figure 1: un boîtier de circuit hybride selon l'art connu, en céramique, adapté pour résister à une pression externe. - figure 2: un boîtier de circuit hybride selon l'art connu, métallique. - figure 3: une vue dans l'espace du boîtier de circuit hybride-selon l'invention, muni de ses couver- cles résistant aux hautes pressions. - figure 4: une vue en éclaté d'un circuit hybride selon l'invention avec ses deux couvercles. La figure i représente un boîtier de circuit hybri- de, vu dans l'espace, avec son adaptation pour résister à une pression externe. Le circuit hybride à proprement parler est déposé sur une plaquette de substrat 1 et est protégé par un premier couvercle 2 d'un côté de la plaquette de subs- trat et par un second couvercle 3, de l'autre côté de la plaquette de substrat, les couvercles 2 et 3 étant enop- position. Les connexions externes sont prises par des bro- ches d'un type connu 4. Les circuits hybrides les plus répandus sont de forme carrée ou rectangulaire, ce qui a amené tout naturellement à concevoir des couvercles 2 et 3 qui ont eux-mêmes une forme carrée ou rectangulaire a- daptée au circuit hybride. En fait, si ce type de microboitier, ou de protec- tion externe, convient pour de faibles pressions, il ne résiste pas lorsque les pressions s'élèvent et atteignent par exemple 100 bars, car alors il y a accumulation de contraintes dans les angles vifs 5 des couvercles qui sont disloqués et pulvérisés par la pression. La figure 2 représente un autre boîtier de circuit hybride dans une tentative qui a été faite pour trouver une solution aux problèmes de hautes pressions. Ce type de boîtier est inspiré des boîtiers de tran- sistors de puissance métalliques et il est constitué par deux demicoquilles 6 et 7 en un métal résistant tel qu' un acier inoxydable ou du titane, lesquelles demi-coquil- les sont soudées sur leur périphérie. L'une des demi-co- quilles, 6 sur la figure 2, correspond à l'embase d'un transistor de puissance: c'est dans sa partie centrale 8 qu'est soudé le circuit hybride, cache sur la figure puis- que celui-ci se trouve à l'intérieur du boîtier. L'autre demi-coquille, 7 sur la figure 2, correspond au couvercle du boîtier du transistor de puissance. Les connexions é- lectriques avec l'extérieur se font par l'intermédiaire de bornes de sortie qui sont isolées électriquement et scellées dans la demi-coquille 6 au moyen de perles de verre. Il s'agit là d'une adaptation de bottiers hybrides dans une encapsulation connue depuis longtemps, adaptation qui ne pose aucun problème pour des circuits hybrides qui doivent fonctionner à la pression atmosphérique, mais qui doivent par exemple être protégés de la corrosion par un boîtier étanche; par contre, cette adaptation pose de dé- licats problèmes de résistance des passages verre/métal, ou des perles de verre 9, lorsque les pressions sont éle- vées, 200 à 400 bars par exemple. En outre, cette adaptation d'un boîtier connu pré- sente industriellement l'inconvénient de nécessiter un u- sinage des demi-coquilles, un polissage des surfaces en contact pour la soudure et d'être réalisée dans des ma- tériaux et au moyen de procédés coûteux, ce qui en rend, dans bien des cas, le prix prohibitif, La figure 3 représente une vue dans l'espace du bo - tier d'encapsulation de circuit hybride selon l'invention. Le circuit hybride qui est destiné à fonctionner sous de fortes pressions, est réalisé sur une plaquette de substrat 10 conforme aux règles de l'art. Les plots de connexion du circuit hybride à proprement parler sont réunis aux broches de connexions externes Il par des moyens qui seront développés ultérieurement, lesquels moyens mettent en oeuvre des bandes métalliques déposées sur le substrat 10. Le boîtier d'encapsulation selon l'in- vention consiste, entre autre, à rapporter sur les deux faces principales du substrat 10, deux demi-coquilles ou couvercles identiques, 13 et 14, qui ont une forme bom- bée dépourvue d'angles vifs, ces couvercles étant fixés de part et d'autre du substrat, de telle façon que la pression exercée sur le substrat, au niveau du joint, par l'un des couvercles soit annulée par la pression exer- cée par l'autre couvercle, et que la partie centrale du substrat soit ainsi à l'intérieur du boîtier, hors zone de fortes pressions. La forme circulaire de chacun des couvercles 13 et 14 est celle qui est le mieux adaptée à la résistance à la pression, puisque toutes les forces sont également ré- parties et perpendiculaires à la paroi du couvercle. Par ailleurs, le rayon du bombement de chacun des couvercles est adapté à la pression à supporter: ce bombement peut être assez léger pour des pressions par exemple de l'or- dre de 50 bars et atteindre une forme demi-sphérique pour des pressions beaucoup plus élevées. Le substrat d'un circuit hybride étant-classiquement en alumine ou en un matériau céramique, les deux couver- cles 13 et 14 sont également et avantageusement réalisés en alumine ou en une céramique homogène avec celle du substrat de façon à ce que les caractéristiques mécarni- ques et thermiques soient identiques, L'épaisseur de chacune des deux pièces qui servent de couvercles est adaptée à la pression à supporter: el- le est en tout cas suffisante sur le bord des couvercles qui entrent en contact avec le substrat 10 pour permettre un scellement, soit directement au moyen d'une colle, soit par l'intermédiaire d'un scellement par soudure, le- quel nécessite alors des joints isolants pour éviter que la soudure ne court-circuit entre elles les pistes de con- nexion 12. La forme ronde de chacun des couvercles appelle que le substrat soit carré. En fait, la forme carrée, qui est possible, n'est pas heureuse, car le substrat présente a- lors quatre triangles-curvilignes qui sont fragiles, c'est pourquoi il a été trouvé qu'une forme octogonale est par- ticulièrement avantageuse: d'une part, elle permet de fi- xer des broches de.sortie Il sur un à huit côtés si néces- saire, ces broches de sortie étant alignées sur chacun des côtés, ce qui correspond à l'implantation tradition- nelle des broches de sortie. D'autre part, la forme octo- gonale permet une réalisation plus aisée des substrats qui sont découpés, soit au laser, soit par rayage, sous forme.de carré, dans une plaque d'alumine, et dont les quatre coins sont ensuite redécoupés de façbn à donner des octogones. Cette forme octogonale est donc industriel- lement plus intéressante qu'une forme carrée ou ronde dé- licate à réaliser et l'octogone inscrit assez bien à l'in- térieur de ses côtés, la forme ronde des couvercles. La figure 4 représente une vue en éclaté du même cir- cuit hybride que celui de la figure 3 dans son bottier ré- sistant aux fortes pressions. Cette figure permet de mieux distinguer le substrat sur lequel la pastille de circuit hybride 15 est sou- dée selon la technologie habituelle et classique de tous les circuits hybrides aux broches de connexions extérieu- res Il par l'intermédiaire des bandes métalliques plates et minces 12 au moyen de fils de connexion 160 Les ban- des métalliques 12 sont représentées rectilignes, mais leur dessin peut être différent et adapté aux nécessités de la connexion du circuit hybride 15. De la même façon, on peut très bien concevoir que le circuit hybride 15 soit réuni aux broches Il et aux bornes métalliques 12 par un système de soudure collective du style TAB, c'est- à-dire par une soudure collective au moyen d'un film pour transfert automatique sur bande. La figure 4 a en outre, l'avantage de montrera, grâce à-une demi-coquille 13 qui est représentée en écorché, la forme des demi-coquilles qui servent de couvercles su- périeur et inférieur pour le bottier résistant aux fortes' pressions selon l'invention. La demi-coquille 13 met en évidence d'une part sa concavité interne, laquelle correspond au volume du cir- cuit hybride qu'il est nécessaire de protéger contre la pression, et d'autre part, l'épaisseur du bord de cette demi-coquille. En effet, l'épaisseur de chaque demi-co- quille 13 et 14 a une double fonction dans l'invention. En premier lieu, le scellement des demi-coquilles 13 et 14 sur le substrat 10 se fait par le bord des demi-coquil- les et l'étanchéité est assurée grâce à un joint d'une certaine surface de colle, surface nécessaire pour que la colle puisse résister à l'effet de la pression exté- rieure. D'autre part, les deux demi-coquilles travaillent en opposition de force de part et d'autre du substrat et, si elles étaient trop minces, il pourrait y avoir, par exemple à la suite d'un mauvais collage de deux demi-co- quilles qui ne seraient pas exactement eh opposition,.ef- fet de cisaillement et cassure du substrat. En outre, si - les demi-coquilles étaient minces, le ruban de colle par lequel elles adhèrent sur le substrat ne serait pas suf- fisant pour résister à la pression externe qui s'exerce sur le joint de colle. Toutefois, les bandes métalliques conductrices 12 étant minces, une très faible épaisseur de colle est suffisante pour assurer l'étanchéité et le collage des demi-coquilles sur le substrat et une épais- seur de quelques dizaines de microns est largement suf- fisante et résiste aux essais en pression. Les bornes de connexion extérieures il représentées sur les figures 3 et 4 sont des broches métalliques d'un modèle connu fréquent dans les circuits hybrides. Cepen- dant, elles sortent du domaine de l'invention à propre- ment parler et elles peuvent être remplacées par tout au- tre système convenant à l'usage demandé pour le circuit hybride tel qu'une liaison par fil directement soudé sur les bandes métalliques 12, ou par une prise par connec- teur. multiple. La figure 4 ne laisse voir qu'un seul circuit hybri- de monté sur une face du substrat 10. Cependant, si le nombre de connexions externes le permet et si cela est nécessaire, deux circuits hybrides peuvent être montés respectivement sur chacune des faces du substrat, et les broches externes sont partagées entre celles qui sont réu- nies à un premier circuit hybride sur une première face du substrat, par l'intermédiaire d'un certain nombre de bandes métalliques 12 sur cette première face du substrat et celles qui sont réunies à un second circuit hybride sur la seconde face du substrat par l'intermédiaire d'au- tres bandes métalliques 12 situées sur l'autre face du substrat. L'invention ne se limite pas à la description qui en a été faite en s'appuyant sur un exemple de réalisa- tion, mais d'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Boîtier d'encapsulation résistant à de fortes pressions externes, pour circuit hybride réalisé sur substrat (10) plan en matériau de type céramique, carac- térisé: - d'une part en ce qu'il est constitué par deux de- mi-coquilles identiques (13 et 14), en un matériau rigide et isolant électrique, de forme bombée dépourvue d'angles vifs et présentant une concavité interne de dimensions a- daptées au circuit à protéger (15), ces demi-coquilles é- tant disposées symétriquement sur les deux faces -du subs- trat du circuit hybride, créant ainsi à l'intérieur du boîtier une zone hors pression, de déformation nulle; - d'autre part en ce que les liaisons électriques, entre le circuit hybride (15) et les broches de connexions extérieures (11) sont assurées par des conducteurs métal- liques (12) plats et minces, déposés sur au moins une fa- ce du substrat (10), et qui traversent le boîtier d'encap- sulation dans le plan du joint de scellement d'une demi- coquilles sur le substrat. 2. Boîtier d'encapsulation selon la-revendication 1, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles (13 et 14) sont de forme ciraulaire bombée. 3. Boîtier d'-encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles (13 et 14'4) sont de forme ovale bombée.. 4. Boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles (13 et 14), de même diamètre, étant de dimensions plus petites que le substrat (10), celui-ci est partagé en deux zones une zone intérieure au boîtier, hors pression, qui supporte le circuit hybride et la partie interne des con- ducteurs métalliques (12).; - une zone extérieure au boîtier, soumise à la pres- sion, qui supporte sur son pourtour des broches de con- nexions (11) et la partie externe des conducteurs métal- liques (12). 5. Boîtier d'encapsulation selon la revendication i, caractérisé en ce que les caractéristiques mécaniques et thermiques du substrat (10) et des deux demi-coquilles (13 et i4) sont identiques, substrat et bottier-étant réalisés en un même matériau rigide et isolant électrique, tel que l'alumine. 6. Boîtier d'encapsulation selon la revendicatien 1, caractérisé en ce que l'épaisseur et le bombement des deux demi-coquilles (13 et 14) sont adaptés à la pression externe. 7. Boîtier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en que les deux demi-coquilles (13 et 14) sont assemblées sur le substrat (10) par collage au moyen d'u- ne colle du type époxy, isolante électriquement, laquel- le assure l'étanchéité au niveau des conducteurs métal- liques (12).