Brevet FR2555394A1 — publié le 19850524

La présente invention concerne un support pour composant rapide. Elle s'applique à tous les dispositifs rapides, notamment les composants hyperfréquences et les transistors bipolaires ou à effet de champ, tout particulièrement ceux réalisés sur substrat d'arséniure de gallium. Ces compo- sants nécessitent, du fait de la fréquence de travail élevée,un découplage très soigné de certaines de leurs électrodes - par exemple la ou les sources dans le cas d'un transistor à effet de champ - ce qui suppose de prévoir des capacités à un emplacement le plus proche possible de ces électrodes à découplerpour éviter tout effet inductif dû à une connexion trop longue, qui ferait perdre au dispositif ses avantages de rapidité. Il est par contre nécessaire d'éviter tout couplage capacitif entre les différentes électrodes du composant - par exemple entre le drain et la grille, ou entre les deux sources, dans l'exemple précité -: en hyperfréquencesle taux d'amplification diminue en effet très rapidement dès que cette capacité parasite atteint quelques picofarads. Dans la pratique, on utilise soit des supports à forte constante diélectrique dont les capacités parasites entre électrodes limitent les performances en fréquence, soit des supports à faible constante diélectrique qui ne procurent pas un découplage suffisant, et auxquels il est nécessaire d'associer des éléments capacitifs rapportés, avec des connexions supplémentaires qui compliquent la réalisation et risquent produire des effets inductifs. Pour s'affranchir de ces inconvénients, l'inven- tion propose un support qui à la fois assure un excellent découplage de certaines des électrodes et évite tout couplage capacitif entre les électrodes du composant. Ce support est du type formé par un bloc fritté de feuilles empilées de céramique de forte constante diélectrique; il est apte à recevoir des métallisations superficielles formant connexions de raccordement aux bornes du composant. Selon l'invention, il comprend une zone centrale émergeant en surface du support, s'étendant sensiblement au droit de l'emplacement du composant supporté, et formée d'un matériau de faible constante diélectrique; il est par ailleurs prévu hors de la zone centrale et à la péri- phérie de celle-ci, sous la surface du support et à faible profondeur, au moins une métallisation interne formée par un motif conducteur porté par l'une des feuilles de l'em- pilement et relié à une connexion de masse, la métallisa- tion interne et l'une des métallisations superficielles ayant des surfaces en regard de manière à constituer un condensateur de découplage pour la borne du composant à laquelle est reliée cette métallisation superficielle. Bien entendu, l'invention concerne aussi bien le support déjà pourvu des métallisations superficielles, c'est-à-dire prêt à recevoir le composant, que le support dépourvu de ces métallisations. On verra en effet par la suite que le dépôt de ces métallisations n'est pas nécessai- rement effectué au cours du processus de fabrication du support; en effet, dans certains cas, l'utilisateur peut préférer effectuer lui-même le dépôt des métallisations, ceci pour leur donner une forme et les disposer sur le support d'une façon particulière, appropriée à tel ou tel besoin particulier. Dans un premier mode de réalisation, le matériau à faible constante diélectrique est un vitrocérame, c'est- à-dire un verre cristallisé à bas point de fusion, chargé en matériau diélectrique. Ce vitrocérame est choisi de manière à être compatible avec la céramique diélectrique sous contrainte mécanique et thermique. Dans un second mode de réalisation, le matériau à faible constante diélectrique est une céramique à base de titanate de magnésie, qui a des propriétés de frittabi- lité voisines du diélectrique à haute constante diélectrique, et est aussi compatible,après frittage,sous contrainte ther- mique et mécanique. Par ailleurs, avantageusement, la céramique à forte constante diélectrique est une céramique à base de titanate de baryum avec addition, par exemple, d'oxydes de praséodyme et de néodyme. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel support, comprenant les étapes de: empilage de feuilles de céramique crue dont l'une au moins comprend un motif conducteur, la dernière feuille de la pile au moins étant une feuille de céramique morte d'épaisseur appropriée pour former un diélectrique, 20. compression et séchage de l'empilement, perçage d'un trou, borgne ou traversant, à l'emplacement de la zone centrale, de manière à y former un alvéole, première cuisson de la céramique, remplissage de l'alvéole par un matériau, verre ou céramique, de faibleconstante diélectrique, seconde cuisson du matériau de remplissage, rectification, polissage, découpe des éléments unitaires. Avantageusement, l'étape de première cuisson est remplacée par une cocuisson unique, au moment de la seconde cuisson, de la céramique et du matériau de rem- plissage. Cette variante est particulièrement avantageuse dans le cas o le matériau à faible constante diélectrique est une céramique; D'autres caractéristiques et avantages de i'in- vention apparaîtront à la lecture de la description dé- taillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 montre schématiquement, en plan, la disposition des électrodes de connexion au composant, dans le cas d'un support de type classique, la figure 2 est une vue en coupe, selon la ligne II-II de la figure 3, du support selon l'invention, la figure 3 est une vue en plan, selon la ligne III-III de la figure 2, de ce même support, les figures 4 à 6 illustrent les étapes de formation de l'empilement des feuilles de céramique et de percement de cet empilement, la figure 7 est une variante de la figure 6, dans le cas d'une prise de connexion au moyen de trous métallisés, les figures 8 et 9 montrent en perspective, respectivement vu de dessus et de dessous, le composant réalisé selon cette dernière variante, la figure 10 est une vue en coupe, homologue de la figure 2, du composant obtenu selon cette même va- riante, 25. la figure 11 est similaire à la figure 10, pour une autre variante de réalisation. Sur la figure 1, on a représenté, vuesen plan, les connexions 21 à 24 déposées à la surface d'un substrat de type classique, le composant 30 à relier étant fi- guré en tiretés. Ici dans la suite, on prendra l'exemple d'un transistor à effet de champ, bien que cet exemple ne soit aucunement limitatif. Les deux électrodes 21 et 22 sont alors les électrodes reliant les sources du transistor, les électrodes 23 et 24 reliant respectivement la grille et le drain. Si l'on utilise pour le support 10 une céramique de forte constante diélectrique, et si l'on prévoit à l'intérieur de ce support une électrode interne reliée à la masse (non reéprésentée), on pourra assurer un bon découplage des deux sources, c'est-à-dire des deux élec- trodes 21 et 22 par une disposition appropriée de cette électrode interne de manière à disposer d'une capacité de l'ordre de 10 à 60 pF selon la fréquence de travail. Par contre, on ne pourra pas éviter l'apparition de capacités parasites, figurées en 40,entre les différentes électrodes. Ces capacités parasites sont inhérentes à la forte constante diélectrique du matériau utilisé et, dès qu'elles dépassent quelques picofarads, elles réduisent grandement les performances du composant une fois monté sur son support. Pour pallier cet inconvénient, l'invention propose un support 100, représenté figures2 et 3 respec- tivement en coupe et en plan, composé d'un bloc fritté 120 de céramique de forte constante diélectrique, au centre duqiguel est prévue une zone centrale 110, émergente, s'éten- 2 5 dant sensiblement au droit de l'emplacement 30 du composant qui sera supporté, et formé d'un matériau de faible cons- tante diélectrique. Ici dans la suite, on entendra généralement par "faible constante diélectrique" une constante inférieure à 100, et par "forte constante diélectrique" une constante supérieure à 1000. Pour assurer le découplage des électrodes super- ficielles 21 et 22 (correspondant aux électrodes de connexion aux sources du transistor), on prévoit, dans la région à forte constante diélectrique, des électrodes 131, 132 à faible profondeur e sous la surface du substrat, ces électrodes internes 131, 132 ayant des surfaces en regard avec les électrodes superficielles 21, 22 (comme on peut le voir figure 3) de manière à constituer, pour chacune des sources, les deux électrodes d'un condensateur de découplage; les électrodes 131 et 132 sont par ailleurs reliées à la masse par une ou plusieurs connexions 141, 142 en forme de métallisation externe du composant. Les électrodes internes 131 et 132 sont par exemple formées par un motif conducteur porté par l'une des feuilles de l'empilement du bloc fritté. Dans un exemple de réalisation, les dimensions du support sont les suivantes: hauteur h = 1,2mm; diamètre de la zone centrale d = 0,9 mm; profondeur de la zone centrale 2 = 0,4 mm; épaisseur de la couche diélectrique formant condensateur e = 50 pm; espace de garde des électrodes par rapport à la zone centrale a = 0,3 mm. La largeur et la longueur des électrodes internes 131, 132 sont choisies en fonction de la capacité de découplage désirée; les dimensions et la forme des électrodes su- perficielles 21-24 sont choisies de manière A minimiser les capacités parasites et les effets inductifs. Un tel exemple de suppcrt convient aux composants hyperfréquences en forme de puce de dimensions 0,3 x 0,3 mm en particulier. En ce qui concerne la céramique à forte cons- tante diélectrique, on choisit de préférence une céramique à base de titanate de baryum avec addition d'oxydes de praséodyme et de néodyme. La composition suivante, qui possède une cons- tante diélectrique de 2700 à 1kHz convient particulière- ment dans le cas présent: 0,897 TiO2 + 0,875 BaO + 0,021 Nb205 + 0,012 PrO2 +0,012 CaO + 0,006 Nd203 (proportions en moles), avec additifs alumine et silice. En ce qui concerne le matériau à faible cons- tante diélectrique, on utilise dans un mode de réalisa- tion préférentiel un vitrocérame, c'est-à-dire un verre critallisé à bas point de fusion, chargé en matériau diélectrique. Un matériau convenable dans l'application souhaitée est par exemple composé de 40 à 65 % en poids de borosilicate de plomb, 5 à 25 % en poids d'oxyde de bismuth, et 3 à 30% en poids d'oxyde de titane ou d'oxyde de cadmium. Un tel maté- riau possède une température de fusion et un coefficient de dilatation prochesde ceux de la céramique à forte constante diélectrique,ce qui assure sa parfaite compati- bilité avec cette dernière. Du point de vue diélectrique, un tel vitro- cérame présente une constante d'environ 2,4 à 1 kHz, per- mettant donc d'éviter toute apparition de capacités para- sites entre les différentes électrodes du composant. Dans un autre mode de réalisation, le matériau à faible constante diélectrique est une céramique à base de titanate de magnésie. La formule suivante est particulièrement appro- priée: TiO2 + 0,83 MgO + 0,14 BaO + 0,16 ZnO + 0,05 ZrO2 + 0,04 CaO (proportions en moles) et traces 0 de silice et alumine. Cette céramique présente une constante diélec- trique de 25 à 1kHz. Elle est par ailleurs compatible, du point de vue retrait et température de cuisson, avec la céramique à haute constante diélectrique utilisée par ailleurs. On va maintenant décrire un procédé de fabri- cation du support selon l'invention. Tout d'abord, on procède à l'empilement des feuilles unitaires de céramique crue (d'épaisseur 50pm environ chacune, en cru); on ajoute ainsi successivement: n feuilles telles que celles représentées en 200 figure 4; une feuille telle que celle représentée en 210 figure 5, pourvue des métallisations 211 qui constitueront les arma- tures internes des -capacités; enfin, une ou plusieurs feuilles de céramique morte identiques aux feuilles 200, pour former une épaisseur convenable pour constituer le diélectrique de la capacité de découplage. Sur les figures 4 et 5, on a représenté en tiretés l'emplacement futur de la zone centrale, ainsi que les traits de découpe des feuilles qui permettront de séparer les supports indi- viduels. Dans une seconde étape, on comprime et on sèche l'empilement de feuilles de céramique crue, de manière classique, Après cette étape, on perce des trous, borgnes ou traversants, à l'emplacement de la zone centrale de chacun des supports individuels, de manière à y former un alvéole. Sur la figure 6, cet alvéole est représenté en 300, les motifs conducteurs 211 étant désormais noyés à l'intérieur de la céramique. Ensuite on procède à une première cuisson à haute température de la céramique, par exemple à 1267 C pour la composition de céramique indiquée plus haut. L'étape suivante consiste à remplir les alvéoles 300, soit au moyen d'un vitrocérame, soit au moyen d'une céramique, l'un ou l'autre matériau ayant une constante diélectrique la plus faible possible et un coefficient de dilatation adapté à celui de la céramique de forte constante diélectrique. On procède ensuite à une seconde cuisson, à basse température (de l'ordre de 7500)- du matériau de remplissage. Le bloc est ensuite rectifié, de manière à lui donner une bonne planéité et ajusteravec précision l'é- paisseur e qui constituera le diélectrique des condensa- teurs de découplage. Cette étape est suivie d'une opé- ration de polissage du bloc. Enfin, les supports unitaires sont individualisés par découpe, par exemple à la scie. Pour chacun des supports individuels, on procède alors à la mise en place des métallisations externes, par exemple par trempage des extrémités du bloc dans une laque conductrice, qui est ensuite séchée et durcie. Dans une variante avantageuse du procédé, notamment appropriée au mode de réalisation o le matériau à faible constante diélectrique est une céramique, l'étape de première cuisson est supprimée et remplacée par une co-cuisson unique (au moment de la seconde cuisson du cas précédent) des deux céramiques; celles-ci sont alors choisies de manière à avoir même retrait et même tempéra- ture de cuisson. Par ailleurs, il a été indiqué que l'alvéole Bormant la zone centrale a été réalisé par perçage avant cuisson, mais d'autres techniques sont envisageables (par exemple au jet de sable ou au laser), qui pourraient d'ailleurs amener à des formes d'alvéole différentes de celle représentée sur les figures (par exemple alvéole tronconique pour une érosion au jet de sable). Par ailleurs, si l'on souhaite réaliser des supports déjà pourvus des métallisations superficielles de connexion aux électrodes du composant, on peut réaliser collectivement celles-ci par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique puis attaque chimique après 10. masquage, entre les étapes de polissage et de découpe des éléments unitaires. Par ailleurs, il est possible, également si on le souhaite, de monter collectivement, à ce moment, les puces de composant sur le substrat, avant de découper celui-ci en éléments unitaires. Les figures 7 à 10 se réfèrent à une variante de réalisation des métallisations externes formant la connexion de masse: on peut avantageusement, au lieu de métalliser une ou plusieurs des faces latérales du bloc, assurer la prise de connexion à l'électrode interne 211 par un trou débouchant 400 (mais qui peut également être borgne, le perçage étant effectué depuis la face inférieure du support) réalisé en même temps que l'alvéole 300, et métallisé dans une étape ultérieure. La découpe des éléments unitaires peut par exemple se faire au droit des trous métallisés, comme représenté figure 7. On obtient alors le composant repré- senté figures8 et 9, o la connexion de masse se fait par deux encoches semi-cylindriques latérales 410, 420. De préférence, la métallisation de ces encoches est prolongée sur la face inférieure de manière à former sur celle-ci un retour 411, 421 (figures 9 et 10) facilitant la prise de connexion. En variante, le trou peut être borgne (figure 11), ce qui permet de prolonger les électrodes super- ficielles 21, 22 jusqu'au bord du support. REVENDICATIONS 1. Un support (100) pour composant (30) rapide, notamment composant hyperfréquence, en forme de bloc fritté de feuilles empilées de céramique de forte constante dié- lectrique, apte à recevoir des métallisations superfi- cielles (21-24) formant connexions de raccordement aux bornes du composant, caractérisé en ce qu'il comprend une zone centrale (110) émergeant en surface du support, s'étendant sensiblement au droit de l'emplacement du composant (30) supporté, et formée d'un matériau de faible constante dié- lectrique, et en ce qu'il est prévu, hors de la zone centrale et à la périphérie de celle-ci, sous la surface du support et à faible profondeur (e), au moins une métallisation interne (131, 132) formée par un motif conducteur porté par l'une des feuilles de l'empilement et relié à une connexion de masse (141, 142), la métallisation interne (131; 132) et l'une des métallisations superficielles (21; 22) ayant des surfaces en regard de manière à constituer un conden- sateur de découplage pour la borne du composant à laquelle est reliée cette métallisation superficielle. 2. Un support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion de masse est formée par une métallisation (141, 142) réalisée sur toute la hauteur de l'une des faces latérales du bloc, et électriquement reliée au motif conducteur par une partie de celui-ci émergeant sur cette face. 3. Un support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion de masse est formée par une métallisation d'un trou (410, 420) ou d'une partie d'un trou, borgne ou traversant, pratiqué dans le bloc, et traversant le motif conducteur. 4. Un support selon la revendication 3, caractérisé en ce que la métallisation (410, 420) est prolongée de manière à déborder (411, 412) sur la face inférieure du substrat. 5. Un support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à faible constante dié- lectrique est un vitrocérame. 6. Un-support selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à faible constante dié- lectrique est une céramique à base de titanate de magnésie 7. Un support selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique à forte constante dié- lectrique est une céramique à base de titanate de baryum. 8. Procédé de fabrication d'un support selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: empilage de feuilles de céramique crue (200, 210) dont l'une au moins (210) comprend un motif conducteur (211), la dernière feuille de la pile au moins étant une feuille de céramique morte d'épaisseur appropriée pour former un diélectrique, compression et séchage de l'empilement, perçage.d'un trou (300) borgne ou traversant, à l'emplace- ment de la zone centrale, de manière à y former un alvéole, première cuisson de la céramique, remplissage de l'alvéole par un matériau, verre ou céramique, de faible constante diélectrique, seconde cuisson du matériau de remplissage, À rectification, polissage, découpe des éléments unitaires.- 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de première cuisson est remplacée par une co-cuisson unique, au moment de la seconde cuisson, de la céramique et du matériau de remplissage. 10. Procédé selon la revendication 8, pour la réalisation d'un support selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend, avant polissage, une étape de percement des trous (400) destines à former la connexion de masse, ainsi qu'une étape de métallisation de ces trous. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la découpe des éléments unitaires se fait au droit des trous métallisés.