Brevet FR2524202A1 — publié le 19830930

MODULE PREADAPTE POUR DIODE HYPERFREQUENCE, ET PROCEDE DE REALISATION DE LA CONNEXION DE POLARISATION DE LA DIODE La présente invention concerne un procédé de montage de diode hyperfréquence en vue de réaliser un module préadapté, par utilisation des dimensions du boitier d'encapsulation de la diode Le type de montage selon l'invention s'applique aux diodes à avalanche, Gunn, Schottky et autres telles que varactors, varicap L'objet de l'invention est d'encapsuler une diode dans un boitier tel que l'on réalise un module préadapté, c'est-à-dire un module permettant d'adapter l'impédance faible de la diode à l'impédance élevée du milieu environnant, généralement l'air L'encapsulation est faite avec un anneau de diélectrique mince, le quartz convenant particulièrement bien, -donnant une faible capacité parasite, et une connexion de type faux beam- lead afin de minimiser l'inductance parasite La forme du beam-lead permet également de réduire la capacité parasite. L'adaptation d'impédance est nécessaire en hyperfréquence, par exemple dans la bande 94 G Hz, pour une diode qui doit rayonner dans l'espace qui l'entoure Cette adaptation est particulièrement intéressante sous une forme radiale car elle peut être obtenue grâce à un boitier ad hoc. Au niveau de la pastille de semi-conducteur, une diode dans le cas présent, l'impédance que présente celle-ci est du type R + j X, dans lequel R représente la partie réelle de la résistance de la diode et X la partie -20 ' imaginaire de cette résistance, j étant égal par définition àÉ 2 =-l et est représentatif des imaginaires R est négatif pour une diode à avalanche ou * une diode Gunn, et positif pour une diode Schottky ou d'un autre type La figure l aidera à mieux comprendre l'importance de l'adaptation d'impé- dance pour l'encapsulation d'une diode. Sur cette figure 1, soit A la diode dans laquelle la pastille de semicon- ducteur est soudée sur une embase métallique et comporte une connexion supérieure Soit diamètre du plot métallique sur lequel est soudée la diode A, O ediamètre de l'embase, c'est-à-dire également le diamètre inté- rieur de la cavité, soit B la distance qui sépare la connexion supérieure de l'embase et C l'épaisseur de la diode, ou encore la distance qui sépare la connexion supérieure du plot sur lequel est soudée la pastille La pastille de diode est entourée d'un diélectrique de constante donnée, ou de plusieurs diélectriques de constantes différentes qui donnent une cons- tante équivalente moyenne Selon les cas, le diélectrique qui entoure la pastille est soit de l'air soit un isolant sous forme de résine On démontre que l'impédance de l'espace entourant la diode ayant une valeur R + j Xe ramené à la périphérie, il existe un ensemble unique de valeurs de O, O es B, C tel qu'il y a adaptation d'impédance du dispositif semicon- ducteur, soit: Re ki R et X e= k 2 X Cependant, dans la pratique, il suffit que k R et k 2 X s'approchent suffisamment de R et Xe car alors les accords mécaniques classiques dans la monture deviennent extrêmement aisés; c'est pourquoi l'on dit préa- daptation et non pas adaptation. Cette transformation d'impédance est extrêmement intéressante en particulier pour les diodes à avalanche, car elle simplifie considérablement la cavité: par exemple la polarisation sur l'électrode supérieure peut être réalisée par un simple fil fin En outre et ceci est montré sur la figure 2, la courbe de la puissance délivrée en fonction d'une autre variable telle que le courant de polarisation I ou la température ambiante T, est très propre et sans hystérésis, ou sans accroc Ainsi sur la figure 2, la courbe 1 représente la courbe de puissance de diodes encapsulées dans un boitier sans adaptation d'impédance: cette courbe ne connait pas une variation régulière, mais au contraire présente des décrochages, ceux-ci variant de plus d'une diode à l'autre selon le boitier Au contraire la courbe 2 qui présente une variation très régulière correspond à une diode correctement encapsulée dans un boitier avec adaptation d'impédance. Ceci montre l'importance qu'il y a, surtout à de telles fréquences proches de 100 G Hz, à ce qu'une pastille de diode soit correctement encapsulée et montée dans son boitier, qui fait cavité, tout ceci de préférence à partir de pièces réalisées de façon collective de façon à être plus industriel. L'invention décrit le montage dans un boitier d'une pastille de diode réalisée de façon collective, et avec des connexions telle que la transfor- mation radiale d'impédance obtenue atteigne le but fixé à savoir d'un réglage aisé et d'un fonctionnement propre Ceci est obtenu d'une part au moyen de connexions internes au boitier en forme d'étoile métallique dite faux beam-lead parce que les bandes de métal qui constituent l'étoile ne sont pas planes mais incurvées, l'ensemble de l'étoile formant en son centre un tronc de pyramide, et d'autres part au moyen d'un anneau de quartz entourant la pastille de diodes, cet anneau ayant une épaisseur inférieure à 120 microns Le procédé de connexion d'une pastille de semiconducteur par poutres métalliques dit beam-lead est en soit connu, mais les poutres sont très généralement planes, c'est le cas du vrai beamlead, ce qui entraîne un effet de capacité parasite entre la connexion supérieure de la pastille et l'embase sur laquelle celle-ci est montée Les poutres incurvées qui ne sont pas parallèles à la surface libre de l'embase mais qui au contraire s'en éloignent, ainsi qu'un anneau de quartz d'épaisseur inférieure ou égale à 120 microns, font que la diode est adaptée ou suffisamment adaptée en impédance à son environnement extérieur, et que sa courbe de puissance en fonction d'autres paramètres telle que l'intensité de polarisation ou la température ambiante est très propre et sans accroc De plus ce type de montage permet un ajustage de la fréquence par légère attaque chimique de la pastille, avant fermeture du boitier par thermocompression. De façon plus précise l'invention concerne un module préadapté pour diode hyperfréquence, comportant une pastille de diode fixée à l'intérieur d'un boitier constitué par une embase métallique, un anneau de quartz et un capot métallique, ce module étant caractérisé en ce que, l'embase consti- tuant une première connexion de la diode, la seconde connexion est constituée par une étoilé métallique, non plane, préformée en forme de corolle, dont l'extrémité des branches s'appuie sur la face de l'anneau de quartz en contact avec le capot de fermeture, et dont le centre est en contact avec la pastille de la diode, la forme curviligne des branches réduisant l'inductance et la capacité parasites entre cette seconde con- nexion et l'embase. L'invention sera mieux comprise par la desription d'un exemple d'appli- cation, laquelle s'appuie sur les figures annexées qui représentent: figure 1: schéma d'adaptation d'impédance d'une diode à l'espace l'entourant. figure 2: courbe de puissance d'une diode en fonction de sa transfor- mation impédance. figure 3: une diode encapsulée et adaptée en impédance selon l'art antérieur. figure 4: une diode encapsulée et adaptée en impédance selon l'invention figures 5 à 8: étapes de fabrication d'un faux beam-lead. A partir des raisons fondamentales, exposées en s'appuyant sur les figures 1 et 2, qui montrent l'intérêt de l'adaptation d'imfpédance d'une diode à son boitier d'encapsulation, la figure 3 représente un exemple d'application selon l'art antérieur. Une approche de ces problèmes d'adaptation d'impédance a déjà été faite par la Demanderesse qui en particulier a déposé les demandes de brevet N O 76 Il 442 du 16 Avril 1976 et N O 78 07 800 du 17 Mars 1978 Ces demandes de brevet décrivent des procédés de montage qui en fait ne sont pas suffisamment industriels pour beaucoup d'applications. La figure 3 représente une partie d'un boitier d'encapsulation d'une diode travaillant en hyperfréquence Sur une embase métallique 3 en cuivre, doré et comportant un picot central, est soudée une pastille de diode 4, sur laquelle a été déposée auparavant une épaisseur d'or 5 Un disque de quartz 6 est collé autour de la pastille de diode 4 sur l'embase 3 et l'espace compris entre la pastille de diode 4 et l'intérieur du disque de quartz 6 est remplie par une résine 7 Puis l'ensemble est rôdé jusqu'à faire réapparaître par amincissement, l'épaisseur d'or 5 qui a été déposée sur la pastille de diode 4 Une connexion supérieure 8, se présentant soit sous la forme d'un disque métallique soit sous la forme d'une étôile métallique dite vrai beam- lead est alors soudée sur l'épaisseur d'or 5, c'est-à-dire en contact avec la diode, et repose à sa périphérie sur la face libre du disque de quartz 6. L'ensemble est ensuite recouvert d'un capot, non représenté sur cette figure ou encapsulé dans une cavité plus complexe si nécessaire. Ce type de montage selon l'art connu présente plusieurs inconvénients. En premier lieu, la connexion 8 qui est un ruban ou une plaque métallique est parallèle à la face de l'embase sur laquelle est montée la diode et présente ainsi une certaine capacité parasite, non négligeable à la fréquence de travail de la diode Et surtout en second lieu, ce type d'encapsulation est unitaire, nécessite un rodage, et est donc longue, coûteuse et peu industrielle Enfin la diode est montée sans possibilité de réglage ultérieur, par exemple par amincissement chimique, par une légère attaque acide, puisque la diode est en fait noyée à l'intérieur d'une résine 7 et protégée sur ses deux faces par l'embase de cuivre 3 et par l'épaisseur d'or 5 puisqu'un ajustage n'est pas possible une fois que l'opération d'encapsulation est effectuée, le réglage ou l'adaptation en fréquence n'est pas non plus possible. La figure 4 représente une diode ençapsulée dans un boitier selon l'invention, et adaptée ou préadaptée suffisamment en impédance. La pastille 4 de la diode équipée d'une lamelle d'or 9 servant de radiateur intégré, l'ensemble 4 et 9 étant découpé dans une rondelle qui en contient un très grand nombre, est tout d'abord rapportée sur une embase 3 en cuivre nickelé et doré, généralement par brasure ou par thermo- compression de la lamelle 9 Un anneau de quartz 6 est thermb-comprimé, collé ou soudé sur l'embase 3 -au niveau du joint 12, puis la connexion supérieure 10 en forme de faux beam-lead est rapportée sur la pastille de la diode: elle s'appuie sur la face supérieure 13 de l'anneau de quartz 6, et l'ensemble est refermé par un couvercle métallique Il lui aussi thermo- comprimé, collé ou brasé sur la face supérieure de l'anneau de quartz. La connexion 10 de la diode est, comme cela a -déjà été dit, en forme d'étoile métallique dont les branches ne sont pas planes, mais s'éloignent de l'embase 3, ce qui diminue l'inductance et la capacité parasites Le fait que ia connexion de polarisation 10 se présente sour la forme d'une étoile permet, lorsque la diode a été fixée sur l'embase et avant que le cou- vercle 11 ne soit rapporté, de procéder à un réglage de fréquence d'oscil- lation du dispositif au moyen d'une légère attaque chimique, qui permet de réduire le diamètre de la pastille de diode, l'introduction du liquide réactif étant possible puisque la connexion 10 présente des orifices entre les bras de l'étoile. La réalisation de ce type de montage présente peu de difficultés malgré les dimensions très petites de l'ensemble A titre d'illustration, non limitative de l'invention, après découpe dans une rondelle, une pastille de semi-conducteur telle qu'une diode hyperfréquence Impatt devant fonc- tionner à 94 G Hz a un diamètre de 35 microns, une épaisseur de 3 microns et se trouve thermocomprimée sur une pièce d'or 9, de 200 microns de côté et de 50 microns d'épaisseur L'anneau de quartz 6, métallisé sur ses deux faces 12 et 13, a un diamètre extérieur compris entre 750 et 800 microns, un diamètre intérieur compris entre 400 et 450 microns, et une épaisseur de l'ordre de 100 microns si l'embase de cuivre 3 est plane, ou de l'ordre de 150 microns si l'embase 3 comporte un plot sur lequel est fixée la diode. Ces dimensions sont citées afin de mettre en évidence la difficulté-qu'il y a à réaliser une étoile métallique qui ne soit pas plane: sa fabrication échappe aux techniques connues de la métallurgie et est expliquée au moyen des figures 5 à 8. Pour réaliser une étoile en faux beam-lead, telle que la connexion 10 de la figure 4 il est nécessaire de réaliser d'abord une matrice à partir d'une tranche de silicium figure 5 sur laquelle sont déposées successivement une couche de silice Si 02 de 0,2 micron d'épaisseur, une couche de nitrure de silicium Si 3 N 4 de 0,15 micron d'épaisseur et une couche de silice Si 02 de 0,2 micron d'épaisseur La figure 6 représente l'étape suivante de réalisation du faux beam-lead Sur la précédente tranche de silicium 14 recouverte par ces trois couches de protection 15, on définit par photo- masquage des zones 16, puis on attaque chimiquement les couches de protection 15 jusqu'à mettre à nu la tranche de silicium 14 En poursuivant l'attaque chimique, le silicium est à son tour attaqué et comme l'attaque chimique se prolonge sous les couches de protection 15, on obtient à l'issue de cette opération un mésa dont les deux flancs 17 ont une forme légè- rement arrondie, qui donne ainsi une forme en corolle. L'ensemble des couches de protection 15 et de la couche de résine de photomasquage 16 sont alors supprimées. Après élimination de ces couches de protection, on réalise figure 7 - un dépôt 18 de chrome/or sur le mésa ainsi formé Puis après photo- masquage pour obtenir la forme d'étoile désirée, on effectue une croissance électrolytique d'or 19, d'une épaisseur de 2 microns, ce qui permet de former les connexions en forme de faux beam-lead à plusieurs branches. La dernière opération pour récupérer des pièces 10 ayant une forme évasée et un dessin d'étoile consiste à attaquer chimiquement le chrome or/18 non masqué et ce qui reste du silicium 14 qui a initialement servi à former un mésa. La figure 8 représente une telle connexion, et met en évidence la forme d'étoile qui n'apparaît pas sur la figure 7 La partie centrale 20 de ce faux beam-lead est celle qui est thermocomprimée sur la pastille de diode, tandis que l'extrémité de chaque branche 21 est celle qui est thermo- comprimée sur la face métallisée 13 du disque de quartz 6. L'étoile de la figure 8 est représentée avec 6 branches, et le nombre v-0 de branches n'est pas déterminatif de l'invention, puisque ce qui est important est de réaliser une connexion métallique qui ne soit pas plane de façon à s'éloigner du substrat, et qui permette à un liquide tel qu'un acide de circuler entre les branches d'étoile de façon à pouvoir attaquer chimi- quement la pastille semiconductrice De plus, sur la figure 8 est représentée une forme particulièrement bien adaptée de beam-lead évasé, c'est-à-dire que chaque branche d'étoile devient de plus en plus large au fur et à mesure que l'on se rapproche du contour extérieur du boitier d'encapsulation: cette solution permet de diminuer la self de la connexion Cependant d'autres dessins d'étoile avec des branches constituées par des bandes dont les côtés sont ou non parallèles entre eux, ou avec un nombre de branches différent entrent dans le domaine de l'invention. A titre d'exemple, et sans que ceci soit limitatif de l'invention, mais plutôt pour montrer la difficulté qu'il y aurait à façonner une telle pièce par d'autres procédés métallurgiques, le -faux beam-lead de la figure 8 a de l'ordre de 720 microns de diamètre; chacune de ces branches a 230 microns de longueur sur 120 microns de largeur dans sa partie rectangulaire et le coeur 20 de cette étoile métallique à 50 microns de côté: il n'est pas possible de réaliser une telle pièce par exemple par emboutissage d'une feuille d'or. Lorsque cette connexion en forme de faux beam-lead est fixée par thermocompression sur la pastille semiconductrice 4 de la figure 4, il est possible de tester les pastilles en fréquence avant de refermer le boitter par un couvercle Il de cuivre nickelé et doré Si la fréquence n'est pas exac- tement celle qui est désirée, et compte-tenu du diamètre du capot 11 qui fixe la fréquence d'oscillation du module préaccordé, en contribuant à la tranformation radiale d'impédance, il est alors possible d'effectuer une légère attaque chimique de la pastille 4 par introduction d'acide entre les branches de l'étoile de faux beam-lead 10 et rinçage La fréquence étant ajustée au mieux le couvercle 11 est rapporté sur la rondelle de quartz 6 et l'encapsulation est achevée et étanche. Eventuellement, et dans le but d'assurer une parfaite étanchéité entre la rondelle de quartz i 6 et le capot 11, la connexion en faux beam-lead 10 comporte, venant de fabrication, un joint 22 qui réunit entre elle les différentes branches 21 du faux beam-lead Ce joint permet lorsque le boitier a été fermé par thermocompression d'assurer plus facilement une étanchéité parfaite entre les branches du faux beam-lead, et par conséquent l'absence de toutes fuites au niveau du couvercle Il. Le procédé de montage de diode hyperfréquence selon l'invention permet donc d'obtenir un semiconducteur, ajustable en fréquence par un procédé chimique, car il n'est pas enrobé par un polymère ou une résine, et dont la transformation radiale d'impédance est effectuée par les dimensions mêmes du boitier, celui-ci pouvant être thermocomprimé, et non pas collé comme cela se fait généralement Cette invention est précisée par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 Module préadapté pour diode hyperfréquence, comportant une pastille de diode ( 4) fixée à l'intérieur d'un boitier constitué par une embase métallique ( 3), un anneau de diélectrique ( 6) et un capot métallique ( 11), ce module étant caractérisé en ce que, l'embase ( 3) constituant une première connexion de la diode ( 4), la seconde connexion est constituée par une étoile métallique ( 10), non plane, préformée en forme de corolle, dont l'extré- mité ( 21) des branches s'appuie sur la face ( 13) de l'anneau de diélec- trique ( 6) en contact avec le capot ( 11) de fermeture, et dont le centre ( 20) est en contact avec la pastille de la diode ( 4), la forme curviligne des branches réduisant l'inductance et la capacité parasites entre cette seconde I 0. connexion ( 10) et l'embase ( 3). 2 Module préadapté selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant fermeture du capot ( 11), la fréquence d'oscillation du module est préajustée par attaque chimique de la pastille de diode ( 4), par introduction d'acide entre les branches de l'étoile métallique ( 10). 3 Module préadapté selon la revendication 1, caractérisé en ce que, l'embase ( 3), l'anneau de diélectrique ( 6), et le capot ( 11) étant métallisés par dorure sur leurs faces ( 12, 13) en regard, le boitier du module est fermé par thermocompression (en 12) de l'anneau de diélectrique-( 6) sur l'em- base ( 3) puis (en 13) du capot ( 11) sur Pl'anneau de diélectrique ( 6). 4 Module préadapté selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau de diélectrique ( 6) a un diamètre compris entre 750 microns et 800 microns, et une épaisseur inférieure ou égale à 120 microns, et en ce que le capot ( 11) assure, par son diamètre, la transformation radiale d'impédance de la diode ( 4) à la fréquence d'oscillation du module. Module préaccordé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau de diélectrique ( 6) est en quartz. 6 Procédé de réalisation de la connexion de polarisation d'une diode selon la revendication 1, caractérisé par la suite des opérations suivantes: a) dépôt sur une tranche de silicium ( 14) de couches de silice, nitrure de silicium et silice (i 5). b) photomasquage par une résine ( 16) d'une zone circulaire constituant le sommet d'un futur mésa. c) attaque chimique du silicium ( 14) à l'entour de la zone masquée, avec formation d'un mésa dont les flancs ( 17) sont incurvés. d) élimination des couches de protection ( 15, 16) de la zone masquée et dépôt sur toute la surface du mésa d'une couche de chrome or ( 18). e) photomasquage de la couche Cr Au ( 18), en forme d'étoile centrée sur le mésa, et dépôt électrolytique d'une couche d'or ( 19). f) attaque chimique du Cr -Au ( 18) non masqué et du silicium ( 14), et récupération d'une connexion en étoile, en forme de corolle (faux beam- lead).