Brevet FR2545987A1 — publié le 19841116

PROCEDE DE REALISATION D'UNE EMBASE PLANE A PARTIR D'UN PAVE MONTE SUR UN SUPPORT, EMBASE EN RESULTANT ET UTILISATION D'UNE TELLE EMBASE La présente invention se rapporte d'une manière générale aux diodes hyperfréquences à forte dissipation thermique et encapsulees dans un boîtier à embase plane métallique en vue de réaliser un module préadapté par utilisation des dimensions du bottier d'encapsulation, et concerne plus particulièrement un procédé de réalisation de l'embase plane métallique pour un tel boîtier. On entend par module préadapté ou pré accordé un module permettant d'adapter l'impédance faible de la diode à l'impédance élevée du milieu environnant, généralement l'air. En outre, on sait que l'adaptation d'impédance est nécessaire en hyperfréquence, surtout à des fréquences proches de 100 GHz, 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 bottier ad hoc. La figure 1 représente une structure connue de boîtier d'en capsûlation d'une diode hyperfréquence adaptée en impédance et à forte dissipation thermique, notamment dans la bande 94 GHz, de type Gunn, à avalanche, ou Schottky, tel que décrit dans la demande de brevet français n0 82 19585 déposée au nom de la Demanderesse le 23 novembre 1982, concernant: "Module préadapté pour diode hyperfréquence à forte dissipation thermique".Ce boîtier comporte tout d'abord une embase métallique plane constituée par un support cylindrique 1 en cuivre nickelé et doré qui remonte à niveau autour d'un grand diamant métallisé 2, du type IXIA, donc de conductivité thermique élevée; cette embase est obtenue soit par une croissance électrolytique de cuivre avant dépôts de nickel et d'or, soit par un sertissage du diamant 2, de forme parallélépipédique, dans le support 1. L'embase ainsi réalisée présente donc une forme circulaire en section droite, forme qui est nécessaire pour assurer une bonne transformation radiale d'impédance. Le boîtier d'encapsulation de la diode selon cet art antérieur peut être complété par un petit diamant métallisé 4, du type IIA, donc de conductivité thermique élevée, et rapporté sur le grand diamant métallisé 2 de façon à former un plot ou picot central. La pastille de diode 5 est fixée sur le petit diamant 4, et un anneau de quartz 6, métallisé sur ses deux faces 8 et 9, est thermocomprimé autour de la pastille de diode 5 sur le grand diamant 2, encapsulant ainsi la diode. Une connexion 12 de type faux beam-lead est d'une part en contact avec la pastille de diode 5 et d'autre part en appui sur l'anneau de quartz 6 et l'ensemble est refermé par un couvercle ou capot métallique 14. Ainsi, lors de l'utilisation en régime continu ou en régime pulsé de la diode 5, les deux diamants rapportés et métallisés 2 et 4, et notamment le grand diamant 2, assurent l'évacuation de la chaleur dégagée par la diode. De plus, le petit diamant 4 associé au plan métallique 15 défini par les faces supérieures respectives du grand diamant métallisé 2 et du support cylindrique métallique 1 remontant à niveau autour de celui-ci reconstitue la géométrie module préadapté au voisinage immédiat de la diode, de façon à assurer une bonne transformation radiale d'impédance tout en permettant d'avoir un anneau de quartz relativement plus épais que si le petit diamant 4 était omis. Toutefois, une telle structure de module préadapté présente un certain nombre d'inconvénients liés essentiellement à la réalisation de l'embase métallique plane du boîtier d'encapsulation de la diode. En effet, le sertissage à haute température du grand diamant dans le support cylindrique en cuivre tout comme la croissance électrolytique importante de cuivre sont des procédés difficiles à réaliser et à maîtriser qui ne donnent pas entière satisfaction sur le plan électrique: en effet, par ces deux procédés, il se crée des fissures entre le diamant métallisé et le support métallique, ce qui ne garantit pas un contact électrique suffisamment intime entre ces deux pièces surtout au niveau du plan métallique, de sorte que l'çmbase métallique ainsi réalisée ne forme pas un plan continu électriquement.Dans ces conditions, on observe que la courbe de la puissance de sortie de la diode en fonction du courant de polarisation et de la température présente des discontinuités et hystérésis, ce qui signifie que la diode encapsulée n'est pas correctement adaptée en impédance. Une autre solution consisterait à supprimer le support métallique cylindrique et à réaliser l'embase au moyen d'un seul diamant métallisé et taillé sous forme circulaire de grand diamètre, ce qui serait évidemment très coûteux. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une embase métallique ou métallisée plane et circulaire d'un boîtier d'encapsulation d'une diode hyperfréquence, notamment dans la bande 94 GHz, tel que l'on conçoive un module préadapté, qui est réalisée d'une façon simple et rapide, est d'un coût de fabrication peu élevé, forme un plan métallique parfaite ment continu, participe à une excellente transformation radiale d'impédance ainsi qu'à une forte dissipation thermique de la diode lors de son utilisation, et ceci en vue de permettre à la diode d'être montée dans une cavité de structure très simple. Dans un premier stade, et de façon générale, le problème technique à résoudre réside dans la réalisation d'une embase plane à partir d'un pavé monté sur un support, évitant tout sertissage du pavé dans le support ainsi que toute croissance électrolytique d'un métal constituant le support comme dans l'art antérieur, mais permettant au contraire d'obtenir une solution satisfaisante, rapide, peu coûteuse et de mise en oeuvre aisée. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une embase plane à partir d'un pavé ayant deux faces opposées parallèles et monté sur un support ayant une face supérieure, caractérisé en ce que le procédé comporte: - une fixation d'une des faces parallèles du pavé sur une partie centrale de la face supérieure du support ; et - un dépôt d'une résine sur la partie restante de la face supérieure du support autour du pavé de telle sorte que la résine vient à niveau avec l'autre face parallèle du pavé, formant ainsi un plan continu. Dans un second stade, la conception d'un module préadapté particulièrement performant pour diode hyperfréquence à forte dissipation thermique nécessite l'utilisation d'une embase métallisée plane circulaire comportant un pavé en matériau à haute conductivité thermique, tel que le diamant du type IIA. L'invention vise donc également une embase métallisée plane circulaire avec diamant et réalisée par exécution du procédé selon l'invention et une utilisation d'une telle embase pour la réalisation d'un module préadapté pour diode hyperfréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit, illustrée par les figures suivantes qui, outre la figure 1 de l'art antérieur déjà décrite, représentent: - la figure 2, un schéma d'adaptation d'impédance d'une diode à l'espace l'entourant; - la figure 3, une embase plane métallisée selon l'invention; et - la figure 4, un boîtier d'encapsulation d'une diode adaptée en impédance et à forte dissipation thermique avec l'embase de la figure 3. On rappellera tout d'abord qu'une pastille de diode hyperfréquence travaillant par exemple dans la bande 94 GHz, encapsulée et montée dans son boîtier, présente une impédance du type R+jX, dans lequel R représente la partie réelle de la résistance de la diode et X la partie imaginaire de cette résistance, j étant représentatif des imaginaires. R est négatif pour une diode à avalanche ou une diode Gunn et est positif pour une diode Schottky ou d'un autre type. La figure 2 aidera à mieux comprendre l'importance de l'adaptation d'impédance d'une diode à son boîtier d'encapsulation. Sur cette figure 2, on a représenté en A la diode dans laquelle la pastille de semi-conducteur est soudée sur une embase métallique plane circulaire à plot ou picot central et comporte une connexion supérieure: soit ji le diamètre du plot métallique sur lequel est soudée la diode A, ~e le diamètre du capot plat métallique, c'est-àdire également le diamètre intérieur de la cavité, B la distance qui sépare le capot de l'embase et C l'épaisseur de la diode munie de sa connexion supérieure ou encore la distance qui sépare le capot 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 constante diélectrique 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 Re+JXe ramenée à la périphérie, il existe un ensemble unique de valeurs de lt es B et C telles qu'il y ait adaptation d'impédance du dispositif semi-conducteur, soit: R e k 1R et Xe = k2X Cependant, dans la pratique, il suffit que klR et k2X s'approchent suffisamment de R e et Xe car alors les accords mécaniques classiques dans la monture deviennent extrêmement ai sés ; 'c'est pourquoi l'on dit préadaptation 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'élec- trode supérieure peut être réalisée par un simple fil fin. En outre, et ceci est bien connu, la courbe de la puissance délivrée par la diode en fonction du courant de polarisation et de la température présente généralement des discontinuités et hystérésis pour une diode encapsulée dans un boîtier sans adaptation d'impédance. Au contraire, la courbe de cette même puissance est monotone sans hystérésis ou sans accroc pour une diode correctement encapsulée dans un boîtier avec adaptation d'impédance. Ceci montre l'importance qu'il y a, surtout à de telles fréquences proches de 100 GHz, à ce qu'une pastille de diode soit correctement encapsulée et montée dans son boîtier à embase métallique ou métallisée plane circulaire, tout ceci de préférence a partir de pièces réalisées de façon collective. La figure 3 représente une embase métallisée plane et circulaire, repérée globalement en 20, destinée à être utilisée pour la conception d'un module préadapté pour diode hyperfréquence à forte dissipation thermique, et obtenue par le procédé de réalisation ou de fabrication selon l'invention que ron va maintenant décrire. A partir d'un support métallique 21 en cuivre nickelé et doré, de section droite circulaire, de diamètre par exemple égal à 1,6 mm, on vient fixer sur une partie centrale de la face supérieure du support 21, généralement par un soudage par brasure ou par thermocompression, un pavé 23 ayant deux faces opposées parallèles, #une inférieure 24 et l'autre supérieure 25, et étant réalisé en un matériau à haute conductivité thermique, tel qu'un diamant du type lIA qui est une variété de diamant commercialisé par la Société sudafricaine DRUCKER et dont la conductivité thermique, de l'ordre de 10 W/cm0 K à 2000C, est nettement supérieure à celle du cuivre. Ce pavé en diamant 23 est par exemple de forme parallélépipédique de section droite carrée, et est de grandes dimensions, à savoir par exemple 750 microns de coté et 500 microns d'épaisseur. De plus, et préalablement à la fixation de la face inférieure 24 du pavé en diamant 23 sur le support 21, le pavé 23 est métallisé sur toutes ses faces par des dépôts successifs de titane (par exemple 300 A), de platine (par exemple 600 ) et d'or (par exemple 1 micron). L'opération suivante du procédé, conformément à l'invention, consiste à déposer, par exemple par un moulage transfert, c'est-àdire un moulage sous pression, une résine 28 sur toute la partie restante de la face supérieure du support cylindrique 21 autour du pavé en diamant 23 de telle sorte que la résine 28 forme un anneau autour du pavé et vienne exactement à niveau avec la face supérieure du pavé 23. Cet anneau de résine moulée 28 est donc déposé sur une épaisseur égale à celle du pavé en diamant 23, c'est-à-dire 500 microns dans l'exemple choisi, et vient en contact intime avec le pavé 23, de façon à former un plan horizontal parfaitement continu. Le moulage transfert utilisé pour le dépôt de résine est mis en oeuvre à une température de l'ordre de 2000C sous une pression de l'ordrede2à3tonnes/cm2. Selon un premier mode de réalisation, la résine moulée 28 est une résine isolante électriquement, par exemple du type polyvinyle tel que le PVC. Dans ce cas, le procédé de réalisation de l'embase 20 destinée à être métallisée comporte une métallisation sous vide de la surface externe de l'anneau de résine isolante 28 et de la face supérieure du pavé en diamant 23 par des dépôts successifs de titane o ou de chrome (par exemple 300 A0), de platine (par exemple de o 600 A) et d'or (par exemple 1 micron). On a représenté par la couche continue 30 sur la figure 3 l'ensemble des dépôts titane-platine-or, cette couche 30 devant de préférence déborder sur le support 21. Selon une variante préférée, la résine moulée 28 est une résine très conductrice électriquement, par exemple du type polyvinyle tel que le PVC, chargée d'une poudre d'argent ou d'or. Dans ce cas, on évite ainsi l'opération supplémentaire de métallisation de la surface externe de l'anneau de résine et de la face supérieure du pavé en diamant. On a donc réalisé suivant le procédé de l'invention une embase métallisée plane et circulaire avec un pavé en diamant, qui est de structure simple et de mise en oeuvre rapide, aisée et peu coûteuse. Ce type d'embase métallisée plane et circulaire est particulièrement bien adapté pour la réalisation d'un bottier d'encapsulation d'une diode hyperfréquence à forte dissipation thermique en vue de constituer un module préadapté par utilisation des dimensions du boîtier. La figure 4, dans laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 3 sont désignés par le même repère, représente un boîtier à embase métallisée plane circulaire conforme à l'invention, dans lequel est encapsulée une diode hyperfréquence à forte dissipation thermique, telle que par exemple une diode à avalanche en silicium à 94 GHz, et adaptée ou préadaptée suffisamment en impédance. Le boîtier comporte tout d'abord l'embase métallisée plane et circulaire 20 constituée par le support cylindrique 21 en cuivre nickelé et doré sur lequel est rapporté le grand diamant métallisé 23 entouré intimement par l'anneau de résine 28. Dans un souci de clarté, on n'a pas représenté sur la figure 4 la couche continue de métallisation 30 (figure 3) déposée dans le cas d'une résine isolante électriquement. Sur le grand diamant 23 est rapporté par thermocompression ou soudure un pavé supplémentaire 32, par exemple de forme parallélépipédique de section droite carrée, et réalisé en un matériau à haute conductivité thermique, tel qu'un diamant de type IIA. Ce pavé en diamant 32 présente des dimensions très inférieures à celles du diamant 23, à savoir par exemple 2,00 microns de côté et 5Q microns d'épaisseur Ce petit diamant 32 est également métallisé sUr toutes ses faces par des dépôts successifs de titane, de platine et d'or, comme pour le grand diamant 23. Comme il apparaît sur la figure 4, une pastille de diode 34, par exemple de 45 microns de diamètre et de 5 microns d'épaisseur, est thermocomprimée sur la face supérieure du petit diamant 32. Un anneau de diélectrique 36, comme par exemple le quartz qui présente de faibles pertes dans la bande 94 GHz, est thermocomprimé, collé ou brasé autour de la pastille de diode 34 sur la face supérieure du grand diamant 23. Cet anneau 36 servant d'encapsulation de la diode, et métallisé sur ses deux faces 37 et 38, a un diamètre extérieur compris entre 750 et 800 microns,# un diamètre intérieur compris entre 350 et 400 microns, et une épaisseur de l'ordre de 120 microns. Une connexion supérieure 40, par exemple en forme de faux beam-lead, est rapportée sur la pastille de diode 34 : elle s'appuie sur la face supérieure 38 de l'anneau de quartz-36, et l'ensemble est refermé par un couvercle ou capot métallique 42 réalisé en un matériau quelconque pourvu qu'il soit conducteur sur toute sa surface, tel que par exemple en cuivre doré, par exemple de section droite circulaire, et thermocomprimé, collé ou brasé sur la face supérieure de l'anneau de quartz. Le capot 42 a un diamètre de l'ordre de 1,1 à 1,2 mm et une épaisseur de 100 microns. La connexion 40 de la diode est par exemple en forme d'étoile métallique dont les branches ne sont pas planes, mais s'éloignent de l'embase, ce qui diminue l'inductance et la capacité parasites. Ainsi, lors de l'utilisation en régime continu ou en régime pulsé de la diode 34, les deux diamants métallisés 23 et 32, et notamment le grand diamant 23 de l'embase, assurent au maximum l'évacuation de la chaleur dégagée par la jonction en fonctionnement, tout en permettant au capot 42 d'assurer, par son diamètre, la transformation radiale d'impédance de la diode 34 à la fréquence d'oscillation du module. De plus, le fait de disposer d'une embase métallisée parfaitement plane et circulaire permet d'obtenir une courbe de la puissance délivrée par la diode en fonction du courant de polarisation et de la température qui est monotone sans discontinuité ni hystérésis, ce qui caractérise une bonne transformation radiale d'impédance. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté et comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si cellesci sont effectuées suivant l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'une embase plane à partir d'un pavé (23) ayant deux faces opposées parallèles et monté sur un support (21) ayant une face supérieure, caractérisé en ce que le procédé comporte: - une fixation d'une des faces parallèles du pavé (23) sur une partie centrale de la face supérieure du support (21); et - un dépôt d'une résine (28) sur la partie restante de la face supérieure du support autour du pavé (23) de telle sorte que la résine vient à niveau avec l'autre face parallèle du pavé, formant ainsi un plan continu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pavé (23) est en un matériau à haute conductivité thermique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau à haute conductivité thermique est un diamant. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pavé (23) est de forme parallélépipédique de section droite carrée. 5. Procédé -selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (21) est de section droite circulaire, et en ce que la résine (28) déposée forme un anneau autour du pavé, réalisant ainsi une embase plane circulaire. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fixation d'une des faces parallèles du pavé (23) sur la partie centrale de la face supérieure du support (21) est réalisée par soudage. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt de résine (28) est réalisé par un moulage sous pression de la résine. 8. Procédé selon une des revendications précédentes, pour une embase métallisée à partir d'un support métallique ou métallisé (21), caractérisé en ce qu'avant l'opération de fixation, le procédé comporte une première métallisation du pavé (23) sur toutes ses faces, en ce que la résine (28) est isolante électriquement, et en ce qu'après l'opération de dépôt de résine, le procédé comporte une seconde métallisation (30) de la surface externe de la résine ainsi que de la face du pavé opposée à celle fixée sur le support. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la métallisation (30) de la surface externe de la résine ainsi que de la face du pavé opposée à celle fixée sur le support est réalisée sous vide. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la métallisation (30) de la surface externe de la résine ainsi que de la face du pavé opposée à celle fixée sur le support consiste en des dépôts successifs de titane, de platine et d'or. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, pour une embase métallisée à partir d'un support métallique ou métallisé (21), caractérisé en ce qu'avant l'opération de fixation, le procédé comporte une métallisation du pavé (23) sur toutes ses faces, et en ce que la résine (28) est conductrice électriquement. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 ou il, caractérisé en ce que la métallisation du pavé (23) consiste en des dépôts successifs de titane, de platine et d'or. 13. Embase plane circulaire et métallisée, comportant un pavé (23) en matériau à haute conductivité thermique monté sur un support métallique ou métallisé (21), caractérisée en ce qu'elle est réalisée par exécution du procédé selon les revendications 2, 5 et 8 ou 11. 14. Utilisation d'une embase plan; circulaire et métallisée selon la revendication 13, pour la réalisation d'un module préadapté pour diode hyperfréquence à forte dissipation thermique, comportant une pastille de diode (34) et un boîtier dans lequel est montée la diode, caractérisée en ce que le boîtier comprend l'embase (20) constituant une première connexion, un anneau de diélectrique (36) entourant la diode, un capot métallique (42), une seconde connexion métallique (40) en contact avec la diode et avec la face de l'anneau de diélectrique venant en contact avec le capot, et un pavé supplémentaire (32) en matériau à haute conductivité thermique, métallisé sur toutes ses faces, de dimensions très inférieures à celles du pavé en matériau à haute conductivité thermique de l'embase, et appliqué sur le pavé (23) de l'embase, la diode étant fixée sur la face supérieure du pavé supplémentaire et la face de l'anneau de diélectrique opposée à celle en contact avec le capot étant rapportée sur la face supérieure du pavé de l'embase, et en ce que les dimensions respectives du pavé (23) de l'embase et du pavé supplémentaire (32) sont telles que le capot (42) assure, par ses dimensions et celles du pavé supplémentaire et de l'anneau de diélectrique, la transformation radiale d'impédance de la diode, et que le pavé (23) de l'embase et le pavé supplémentaire (32) assurent l'évacuation de la chaleur dégagée par la diode. 15. Utilisation selon la revendication 14, caractérisée en ce que le matériau à haute conductivité thermique du pavé (23) de l'embase et du pavé supplémentaire (32) est un diamant du type IIA.