Brevet FR2525391A1 — publié le 19831021

SUBSTRAT POUR CIRCUIT ELECTRONIQUE FONCTIONNANT DANS LA GAMME DES HYPERFREQUENCES, ET PROCEDE DE CONSOLIDATION ET DE METALLISATION DE CE SUBSTRAT L'invention concerne un substrat en nitrure de bore, métallisé, destiné aux circuits électroniques fonctionnant dans les hyperfréquences Elle concerne également le procédé de métallisation du nitrure de bore. Le nitrure de bore est un matériau intéressant pour la réalisation des substrats de circuits électroniques fonctionnant jusqu'à la bande X c'està- dire 12 G Hz, et même au delà, car c'est un isolant, il a une constante diélectrique c faible et une tangente de l'angle de perte tg S faible. Par ses qualités, le nitrure de bore est comparable au quartz, lequel a cependant deux types de défauts. le quartz ne permet de réaliser que des substrats de petites dimen- sions, les caractéristiques thermiques du quartz le rendent fragile aux chocs thermiques, et il a l'inconvénient d'avoir un coefficient de dilatation linéaire très faible par rapport aux autres matériaux connus, ce qui rend son utilisation très délicate et même impossible dans certains cas De plus sa conductibilité thermique est très mauvaise en comparaison de celle de l'oxyde de béryllium ou de l'alumine. Au contraire, le nitrure de bore est intéressant car: on sait en fritter des plaques de grandes dimensions, ce qui permet de réaliser des substrats ayant, à titre d'exemple, 300 x 125 mm de côté, ce qui est inconcevable avec le quartz, ses caractéristiques diélectriques permettent de réaliser des lignes d'impédance élevée ou d'obtenir des pertes entre conducteurs plus faibles pour une impédance donnée, ses caractéristiques thermiques sont comparables à celles des maté- riaux en conjugaison desquels il est utilisé. Cependant, le nitrure de bore n'est pas métallisable par des moyens classiques, tels que les dépôts en couche épaisse (argent, argent pal- ladium, or platine), en couches minces déposées sous vide ou par un procédé chimique En effet le nitrure de bore est trop mou en surface et trop friable La cohésion des grains en surface d'une plaque de nitrure de bore n'est pas suffisante, et est comparable à celle d'une surface de plâtre par exemple. L'utilisation du nitrure de bore comme substrat métallisé est rendu possible grâce à l'invention, qui prévoit de donner au nitrure de bore une surface dure et non friable en déposant un matériau, sous une épaisseur de l'ordre de 10 à 15 microns, qui assure la cohésion des grains, sans détériorer les caractéristiques diélectriques et thermiques du nitrure de bore Un verre, choisi pour avoir une constante diélectrique c voisine de 3,7, et adapté en coefficient de dilatation, convient parfaitement La surface enverrée est alors métallisable par des moyens classiques. De façon plus précise l'invention concerne un substrat pour circuits électroniques fonctionnant dans la gamme des hyperfréquences, constitué par une plaque d'un matériau électriquement isolant, thermiquement bon conducteur, et ayant une constante diélectrique voisine de 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par du nitrure de bore, de composition 42 % B, 53,5 % N 2, contenant entre 1,5 et 2,5 % 02 ' et 1,3 % Ca, et en ce que l'une au moins des deux faces principales de la plaque de substrat est rendue non friable par dépôt d'une couche de verre, sur une épaisseur comprise entre 10 et 15 microns, ladite couche, permettant la métallisation en sur- face de ce substrat en assurant la cohésion des grains de nitrure de bore. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple de réalisation de substrats de grandes dimensions pour circuits hyperfréquences. Parmi les différents types de nitrure de bore, puisque ce produit, comme les céramiques, n'a pas une composition fixe, celui qui correspond à une composition comprenant 42 % de bore, 53,5 % d'azote, et parmi dif- férentes impuretés de 1,5 à 2,5 % d'oxygène et 1,5 % de calcium, a les caractéristiques suivantes lorsqu'il est fritté en plaque: constante diélectrique c = 4,11 facteur de pertes tg S = 10 3 à 1 M Hz coefficient de dilation linéaire 7 10-6, dans le sens parallèle, c'est-à- dire dans le sens des grandes dimensions d'un substrat, par opposition au sens perpendiculaire qui correspond à l'épaisseur du substrat conductibilité thermique = 0,15 cal /cm 2 /sec /PC /cm. Ce nitrure de bore est intéressant pour réaliser des substrats bien que sa constante diélectrique 4,11 soit légèrement différente de celle du quartz qui est égale à 3,7 Mais, comme cela a été dit, il est trop mou et trop friable en surface pour qu'une métallisation adhère parfaitement. Les caractéristiques thermiques et diélectriques d'un tel matériau ne sont pas altérées, mais au contraire sa surface est rendue dure et non friable par le dépôt qu'une couche de verre que l'on choisit parmi ceux qui ont une constante diélectrique voisine de 3,7 c'est-à-dire la constante diélectrique du quartz. Le verre choisi est d'autant plus proche de la silice pure Si O 2 que les caractéristiques requises pour le fonctionnement en hyperfréquences sont plus sévères Un verre pratiquerr ent pur, c'est-à-dire Si O 2, de très bonne 1 S qualité hyperfréquence a une température de fusion voisine de 1300 ' Selon la destination du substrat, ou selon la fréquence de travail, il est possible d'utiliser également un verre légèrement dopé, dont la température de fusion est de l'ordre de 700 '. Le verre choisi peut être déposé en couches de l'ordre de 10 à 15 mi- crons seulement d'épaisseur par sérigraphie d'une pâte classique comprenant de la poudre de verre et des liants, agents organiques, cette couche étant ensuite cuite en four à une terr pérature au moir S égale à la iernpérature de fusion du verre, température à laquelle tous les solvants organiques sont évaporés Le verre peut également être déposé par pulvérisation cathodique radiofréquence, sous vide, selon la technologie dite des couches minces ou encore par un dépôt chimique en phase vapeur à basses pressions selon la technologie dite CVD abréviation dont l'origine est dans le therme anglais "chemical vapor deposition". Le verre choisi pour réaliser soit une couche mince soit une couche plus épaisse de l'ordre de 10 à 15 microns permet une bonne cohésion des grains de nitrure de bore en surface; il s'agit d'une vitrification de surface. Il est métallisable selon la technique des couches minces, c'est-à-dire que la surface du substrat en nitrure de bore supporte désormais le passage des écrans de métallisation en sérigraphie Sous une très faible épaisseur, il ne pénalise pas de manière sensible le dispositif fonctionnel sur le plan de la résistance thermique En outre il peut être choisi pour que son coefficient de dilatation linéaire soit très voisin de celui du bore, ce qui évite par la suite en cours de fonctionnement des arrachements ou délaminations entre la couche de nitrure de bore et la couche de "erre Quant à ces caracté- ristiques diélectriques, c et tg S, il est possible de les adapter à celles du nitrure de bore selon la nature des éléments de dopage ajoutés au verre, ce qui fait qu'il n'y a pas de discontinuité diélectrique dans le substrat de nitrure de bore ainsi perfectionné par l'adjonction d'une couche de verre en surface. L'invention a été décrite en s'appuyant sur l'exemple non limitatif d'un substrat de grandes dimensions, dimensions que ne peut pas atteindre un substrat de quartz Cependant l'invention garde toute sa valeur si elle est appliquée à un substrat de dimensions plus réduites, allant jusqu'à ce qu'il est convenu d'appeler un pavé isolant, de la taille d'environ une pastille de semiconducteur, ce pavé étant situé et soudé entre la pastille semi- conductrice hyperfréquence et un boitier d'encapsulation Le fait de pouvoir métalliser un tel substrat permet soit de déposer des métallisations pour soudures de pastilles semiconductrices, soit de déposer des bandes conduc- trices sur ce substrat, afin de réaliser des circuits fonctionnant en hyperfré- quences selon la technologie de bandes, dite "strip-line" en anglais. REVENDICATIONS 1 Substrat pour circuit hybride fonctionnant dans la gamme des hyperfréquences, constitué par une plaque d'un matériau électriquement isolant, thermiquement bon conducteur, et ayant une constante diélectrique voisine de 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par du nitrure de bore, de S composition 42 % B, 53,5 % N 2, contenant entre 1,5 et 2,5 % 02,et 1,5 % Ca, et en ce que l'une au moins des deux faces principales de la plaque de substrat est rendue non friable par dépôt d'une couche de verre, sur une épaisseur comprise entre 10 et 15 microns, ladite couche, permettant la métallisation en surface de ce substrat en assurant la cohésion des grains de nitrure de bore. 2 Substrat selon la revendication 1, caractérisé en ce que le verre déposé à la surface du nitrure de bore est choisi pour avoir une constante diélectrique proche de 3,7 et un coefficient de dilatation thermique linéaire égal à 7104 cm/cm/PC. 3 Procédé de consolidation et de métallisation en surface d'un subs- trat en nitrure de bore, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de métallisation est précédée d'une opération de durcissement de la surface, par dépôt d'une couche de verre en pâte sérigraphiée à la surface de la plaque de nitrure de bore et cuite en four entre 700 'C et 1300 C. 4 Procédé de consolidation et de métallisation en surface d'un substrat en nitrure de bore, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de métallisation est précédée d'une opération de durcissement de la surface, par dépôt sous vide d'une couche de verre déposée à la surface de la plaque de nitrure de bore par pulvérisation cathodique. 5 Procédé de consolidation et de métallisation en surface d'un subs- trat en nitrure de bore, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de métallisation est précédée d'une opération de durcissement de la surface, par dépôt d'une couche de verre déposée à la surface de la plaque de nitrure de bore par voie chimique, selon la technique dite de dépôt de vapeur chimique (CVD).