Brevet FR2536586A1 — publié le 19840525

I MODULE PREADAPTE POUR DIODE HYPERFREQUENCE A FORTE DISSIPATION THERMIQUE La présente invention se rapporte d'une manière générale aux diodes hyperfréquences travaillant notamment dans la bande 94 G Hz et encapsu'ées dans un bottier en vue de réaliser un module préadapté par utilisation des dimensions du boîtier d'encapsulation, et concerne plus particul èrernent un tel module préadapté pour diode hyperfréquence à forte dissipation thermiquea On entend par module préadapté un module permettant d'a- dapter l'inmpédance faible de la diode à l'impédance élevée du milieu environnants généralement l'airo En outre, on sait que l'adaptation d'impédance est nécessaire en hyperfréquence, surtout à des fréquences proches de 100 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 boltier ad hoc. On connaît déjà une structure de module préadapté ou préac- cordé pour une diode hyperiréquence, de type Gunn, à avalanche, ou Schottky, comme cela est décrit dans la demande de brevet français. no 2 04920 déposée au nom de la Demanderesse le 23 mars 1982: concernant "Module préadapté pour diode hyperfréquence, et pro- cédé de réalisation de la connexion de polarisation de la diode'. Selon cette demande de brevet, le module preadapté comrporte une pastille de diode fixée à l'intérieur d'un bottier dertcapsulation constitué d'une ermbase métallique à plot ou picot central consti- tuant une première connexion, un anneau de quartz entourant la diode, un capot métallique, et une seconde connexion de type faux beam-lead se présentant sous forme d'une é-toile rmétallique non plane dont l'extrémrnité 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 diode. De plus, lors de l'utilisation en régime continu ou en régime puilsé de la diode, la partie de la jonction qui s'échauffe le plus est la partie proche de l'embase métalliqueo Il se pose alors le problème de l'évacuation de la chaleur dégagée par la jonction en fonction- nemento A cet effet, selon Ja demande de brevet antérieure précé- demment citée, la pastille de diode est équipée d'un radiateur thermique intégré constitué par une lamelle d'or de petites dimen- s;onss, à savoir 200 microns de côté et 50 microns dépaisseur, qui est rapportée sur l'embase métalliqueo Toutefois, en ra;soni de ses petites dimensions et de la valeur de la conductivité t'lermique de l'or, de l'ordre de 3,1 W/cm X à 2 u O W W un tel radiateur d'or ne dissipe pas autant qu'on le souhai- erait la chaeur engendrée par la diode pendant son utilisation De p,5 l S; s avec ce type ci radiateur thermique, la résistance thermique rettain e de la d'ode est relativement élevée, ce qui limite la puissance de sortie délivrée par la diode. _a présente invention a pour but de remédier à ces inconve- nients en proposant une diode hyperfréquence, notamment dans la bande 94 G Hz, qui est encapsulée dans un boîtier tel que l'on réalise un mnodule préadapté, et qui est équipée d'un radiateur thermique dont les dimensions et le matériau le constituant assurent une forte d'scipation thermique, et dont la forme permet de reconstituer la -.o:trie module préadapté au voisinage immédiat de la diode, de farn a assurer une bonne transformation radiale d'impédanceo A cet effet, l'invention a pour objet un module préadapté pour diode hyoerfréquence à forte dissipation thermique, comportant une pas-tiie de diode et un boîtier dans lequel est montée la diode, le Lbetier comprenant une embase métallique ou métailisée constituant une preninêre connexion, un anneau de diélectrique entourant la diode, un capot métallique et une seconde connexion métallique en contact avec la diode et avec la face de l'anneau de diélectrique venant en contact avec le capot, caractérisé en ce que l'embase du botsier coirporte une première et une seconde parties appliquées Pune sur l'autre, réalisées chacune en un matériau à haute conduc- tivité thermique et métallisées chacune sur toutes leurs faces, en ce que la première partie d'embase est de dimensions très supérieures à celles de la seconde partie, de sorte que la seconde partie appliquée sur la première partie forme un plot central, la diode étant fixée sur la face supérieure de la seconde partie d'embase et la face de l'anneau de diélectrique opposée à celle en contact avec le capot étant rapportée sur la face supérieure de la première partie d'embase, et en ce que les dimensions respectives des deux parties d'embase sont telles que le capot assure, par ses dimensions et celles de la seconde partie d'embase et de l'anneau de diélectrique, la transformation radiale d'impédance de la diode, et que les deux, parties d'embase assurent l'évacuation de la chaleur dégagée par la diode. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau à haute conductivité thermique de chacune des deux parties d'embase est un diamant du type IIA. On comprend qu'ainsi la présence des deux diamants rapportés, l'un de grandes dimensions et l'autre de petites dimensions, et dont la conductivité thermique, de l'ordre de 10 W/cmo K à 2000 C, est très nettement supérieure à celle de l'or selon l'art antérieur, permettra d'une part d'évacuer au maximum, par ces diamants, la chaleur dégagée par la diode lors de son utilisation, et d'autre part de diminuer la résistance thermique totale de la diode, donc d'augmenter la puissance de sortie de la diode De plus, les deux diamants métallisés et rapportés dont l'un forme un plot ou picot central reconstitueront la forme habituelle de l'embase métallique du boîtier d'encapsulation de la diode, qui est nécessaire pour assurer une bonne transformation radiale d'impédance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: la figure 1 représente un schéma d'adaptation d&impédance d'une diode à l'espace l'entourant; la figure 2 représente une courbe de puissance d'une diode en fonction du courant ou de la température ambiante pour une médiocre et une bonne transformation d'impédance; et la figure 3 représente un boîtier d'encapsulation d'une diode adaptée en impédance et à forte dissipation thermique selon l'inven- tion. On rappellera tout d'abord qu'une pastille de diode hyper- fréquence travaillant par exemple dans la bande 94 G Hz, encapsulée et montée dans son -boîtier, présente une impédance du type R+jj X, 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 1 aidera à mieux comprendre l'importance de l'adap- tation d'impédance d'une diode à son boîtier d'encapsulation. Sur cette figure 1, on a représenté en A la diode dans laquelle la pastille de semi-conducteur est soudée sur une embase métallique à plot ou picot central et comporte une connexion supérieure soit Mi le diamètre du plot métallique sur lequel est soudée la diode A, oe le diamètre de l'embase, c'est-à-dire également le diamètre intérieur de la cavité, 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 C 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 R j Xe ramenée à la périphérie, il existe un ensemble unique de valeurs de 0 i' O es B et C telles qu'il y a adaptation d'impédance du dispositif semi- conducteur, soit: Re= kl Ret Xe = k 2 X Cependant, dans la pratique, il suffit que k 1 R et k 2 X s'ap- grochent suffisammnent de R et X car alors les accords méca- e e niques cassiques dans la mnonture deviennent extrmemnent ai- sés c'est pourquoi l'on dit préadaptation et non pas adaptation O Cette transformation d'impédance est extrêmemrnent intéres- sante en particulier pour les diodes à avalanche, car elle simplifie con Sidérablement la cavité O par exemple, la polarisation sur i Pélec- trode supérieure peut être réalisée par un simple fil fin. I O En outre, et ceci est montré sur la figure 2, la courbe de la puissance délivrée P en fonction dkune autre vaiiable telle que le courant de polarisation I ou l'inverse de la température arn- biante I/T, esi très monotone sans hystérésis ou sans accroc Ainsi, sur la figure 2, la courbe l représente la courbe de puissance de diodes encapsulées dans un bottier sans adaptation d'impé- dance cette courbe ne connaît pas une variation régulières mais au contraire présente des décrochages, ceux-ci variant de plus d'une diode à l'autre selon le bol'ier Au contraire, la courbe 2 qui présente une variation très régulière correspond à une diode correc- ternent encapsulée dans un bottier avec adaptation d'impédanceo Ceci montre l'importance qu'il y a, surtout à de telles fré- quences proches de 100 G Hz, à ce qu'une pastille de diode soit correcterent encapsulée et montée dans son boîtier, qui fait cavité, tout ceci de préférence à partir de pièces réalisées de façon collectiveo La figure 3 représente un bottier d'encapsulation dlune diode hyp rfréquence à forte dissipation thermique, conforme à}linven- tion, telle que par exemple une diode à avalanche en silicium à 94 G Hz, et adaptée ou préadaptée suffisamment ea impédance. Le boîtier comporte tout d'abord une embase métallique ou métallisée constituée par les trois parties suivantes. La première partie d'embase est constituée par un support métallique 4 en cuivre nickelé et doré, de section droite circulaire, de diamètre par exemple égal à 1,6 mm. Sur ce support 4, est rapportée, généralement par brasure, la seconde partie d'embase constituée par un matériau à haute conduc- tivité thermique, tel qu'un diamant IIA, repéré en 6, qui est une variété cristallographique du diamant commercialisé par la Société sud-africaine DRUCKER et dont la conductivité thermique est nettement supérieure à celle de n'importe quel métal, et en parti- culier l'or. Ce premier darmnt 6 est p=ar exemple de forme parallelé- pipédique de section droite carrée, et est de grandes dimensions, à savoir par exem nple 75 $ O microns de coté et 500 microns deépaisseur. Ce grand diemanat 6 est de plus métallisé sur toutes ses faces par des dêsucessifs d itarne (par exemple 300 A), de platine (par 1: -mple 600,) et d'or (p?-r exemple I micron). La trosisme part:e d'embase du bottier est constituée éga- ement d'un matériau à haute conductivité thermique, tel qu'un diamant i XA, repéré en 7, et rapporté par thermocompression sur le grand diamant 6 G Le diamant 7 est également par exemple de forme pparalléepipédique de section droite carrée, et présente des dimen- sionrs r inférieures à celles du diamant-6, à savoir par exemple -00 mr:ons de coté et 50 microns d'épaisseur Ce petit diamant 7 est galement métallisé sur toutes ses faces, par des dép 8 ts successifs de titane, de platine et d'or, comme pour le grand duamant 6 décrit ci-dessus. Ainsi, du fait de la différence entre les dimensions respectives des deux diamants 6 et 7, le petit diamant 7 forme un plot ou picot central de sorte que ces deux diamants métallisés et rapportés reconstituent la même forme d'embase métallique représentée sur la figure 1, ce qui est indispensable pour assurer une bonne transfor- mation radiale d'impédance. On notera que le support métallique 4 en cuivre nickelé et doré peut également remonter autour du grand diamant 6 comme indiqué par les pointillés, sans sortir du cadre de l'invention 5 ceci est obtenu soit par une croissance électrolytique de cuivre avant dépôts de nickel et d'or, soit par un sertissage du diamant 6 dans le support 4 o Comme il apparalt sur la figure 3, une pastiÉle de diode 9, par exemple de 45 microns de diamètre et de 5 micrns d'épaisseur, est thermocomprimée sur la face supérieure du petit dcamant 7 Un anneau de diélectrique 11, comme par exemple le quartz qui pré- sente de faibles pertes dans la bande 94 G Hz, est thermocomprimé, collé ou brasé autour de la pastille de diode 9 sur la face supérieure du grand diamant 6 Cet anneau 11 servant d'encapsulation de la diode, et métallisé sur ses deux faces 12 et 13, 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 microns. Une connexion supérieure 15, par exemple en forme de faux beam-lead, est rapportée sur la pastille de diode 9 elle s'appuie sur la face supérieure 13 de l'anneau de quartz 11, et l'ensemble est refermé par un couvercle ou capot métallique 17 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 17 a un diamètre de l'ordre de 1,1 à 1,2 mm et une épaisseur de 100 microns. La connexion 15 de la diode est par exemple du type décrit dans la demande de brevet ne 82 04920 du 23 mars 1982 déjà citée, c'est-à-dire en forme d'étoile métallique dont les deux branchesa 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 régim e pu 1 se de la diode 9, les deux diamants métallisés 6 et 7, et noteaiment le grand diamant 6, assurent au maximum l'évacuation dc la chaleur dégagée par la jonction en fonctionnement, tout en p Mrrettant au capot 17 d'assurer, par son diamètre, la transformation radiale d'impédance de la diode 9 à la fréquence d'oscillation du module. Par conséquent, les grand ( 6) et petit ( 7); diamants rapportés et métallisés remplissent ensemble une double fonction: une dissipation thermique qualifiée d'excellente grâce au matériau de haute conductivité thermique (diamant) des deux par- ties d'embase 6 et 7 et aux grandes dimensions du diamant 6; une reconstitution de la forme habituelle d'une embase métallique de boîtier d'encapsulation d'une diode grâce aux petites dimensions du diamant métallisé central 7 vis-à-vis de celles du diamant métallisé 6, pour assurer une bonne transformation radiale d'impédance. De plus, on notera que si le diamant 7 n'existait pas, la self introduite par la connexion supérieure 15 serait souvent prohibitive. 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 celles- ci sont effectuées suivant l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS to Module préadapté pour diode hyperfréquence à forte dissi- pation thermique, comportant une pastille de diode ( 9) et un bottier dans lequel est montée la diode, le botier comprenant une embase métallique ou métallisée ( 4, 6, 7) constituant une première connexion, un anneau de diélectrique (ll) entourant la diode, un. capot métallique ( 17) et une seconde connexion métallique ( 15) en contact avec la diode et avec la face de l'anneau de diélectrique venant en contact avec le capot, caractérisé en ce que l'embase du boîtier comnporte une première ( 6} et une seconde ( 7) parties i Oappliquées l'une sur l'autre, réalisées chacune en un matériau à haute conductivité thermique et métallisées chacune sur toutes laurs faces, en ce que la première partie d'embase ( 6) est de dimensions très supérieures à celles de la seconde partie ( 7), de sorte que la seconde partie appliquée sur la première partie forme un plot central, la diode ( 9} étant fixée sur la face supérieure de la seconde partie d'embase ( 7) et la face de l'anneau de diélectrique opposée à celle en contact avec le capot étant rapportée sur la face supérieure de la première partie d'embase ( 6), et en ce que les dimensions respectives des deux parties d'embase ( 6, 7) sont telles que le capot ( 17) assure, par ses dimensions et celles de la seconde partie d'embase ( 7) et de l'anneau de diélectrique ( 11), la transfor- mation radiale d'impédance de la diode, et que les deux parties d'embase ( 6, 7) assurent l'évacuation de la chaleur dégagée par la diode. 2 Module préadapté selon la revendication 1,: caractérisé en ce que le matériau à haute conductivité thermique de chacune des première ( 6) et seconde ( 7) parties d'embase est un diamant. Module préadapté selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diamant est du type Il Ao 4 Module préadapté selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacune des première ( 6) et seconde ( 7) parties d'embase est de forme parallélépipédique de section droite carrée. f 5 Module préadapté selon la revendication 4# caractérisé en ce que la première partie d'embase ( 6) a 750 microns de côté et 500 microns dépaisseur, et en ce que la seconde partie d&embase ( 7) a 200 microns de côté et 50 microns d'épaisseur, o M Aodule préadapté selon l'une des revendications précé& ig dentes caractérisé en ce que la seconde partie d'embase ( 7) est appliiquée par thermnocomnpression sur la première partie ( 6): 7 M Jodule préadapté selon l'une des revendications précé- denmes, caractérisé en ce que chacune des première ( 6) et seconde ( 7) parties d'embase est métallisée par des dépôts successifs de titane, dce olatine et d'oro o Mfodule préadapté selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'anneau de diélectrique (tl) est rapporté par thermocornpression sur la première partie d'embase ( 6). 9 S Module préadapté selon l'une des revendications précé- o d Cntes, caractérisé en ce que l'embase du boîtier comporte de plus une -troisième partie formant support métallique ( 4) en cuivre nickelé et doré sur lequel est rapportée la face inférieure de la première partie d'embase ( 6).