Brevet FR2623662A1 — publié le 19890526

Description ODISPOSITIF DE CONNEXION POUR CIRCUITS INTEGRES NUMERIOUES ULTRA-RAPIDES" L'invention concerne un dispositif de connexion pour circuits intégrés numériques ultra-rapides destinés à être introduit dans un boîtier sans broches standard. L'invention trouve son application dans le domaine des circuits intégrés numériques ultra-rapides réalisés par exemple en arséniure de gallium et commercialisés après mon- tage dans un boîtier standard. A ce jour, les circuits intégrés en arséniure de gallium commencent à prendre un grand développement indus- triel. Les circuits numériques réalisés sur arséniure de gallium présentent notamment la propriété d'être ultra-ra- pides. Mais pour être commercialisés, ces circuits doivent être montés dans un boîtier. Or il n'existe pas vraiment ac- tuellement de boitier adaptés à recevoir ce genre de circuit. On connaît cependant un boîtier fabriqué par la firme TEKTRONIX sous la référence P/N 812-0012-00QO, mais ce boîtier présente d'abord un trop petit nombre de broches utilisables, en l'occurrence huit broches, ainsi que des dimensions très grandes, dû au fait qu'il est réalisé en technologie coplanaire c'est-à-dire qu'une ligne sur deux doit être une ligne de masse. Il est aussi d'un coût très élevé. En fait, il n'est pas adapté à recevoir les circuits numériques, mais seulement des circuits analogiques. La différence essentielle est que les circuits numériques montrent un grand nombre d'entrées-sorties, nécessitant par exemple 10 à 60 broches, alors que les circuis analogiques se suffisent de moins de 10 broches. Le boîtier TEKTRONIX n'est donc pas utilisable pour l'application envisagée. On connaît aussi un boîtier commercialisé par exemple par la firme NARUMI sous la référence MCB-51524 A. Un tel boîtier est aussi commercialisé par d'autres firmes telles que KYOCERA. Ce boîtier est mieux adapté à l'application en- visagée. En effet, le problème technique posé par la réali- OS sation d'un boîtier pour circuit intégré numérique ultra-ra- pide réside dans les faits que: - ce boîtier ne doit pas présenter de capacités parasites, - ce boîtier ne doit pas présenter d'inductances parasites, lesquelles sont généralement dues aux broches, - ce boîtier doit présenter entre 10 et 60 broches. Le boîtier connu commercialisé entre autres par la firme NARUMI répond au moins à deux conditions: - il n'a pas de broches mais des plots, - il est proposé en plusieurs modèles pour des circuits ayant entre 10 et 60 entrées-sorties. Les plots étant espacés d'une distance fixe de 1,27 mm, chaque modèle de boî- tier a une surface d'autant plus grande que le boîtier a da- vantage de plots. Ce qui fait que ce boîtier connu ne présente pas d'inductances parasites dues aux broches, puisqu'il n'en a pas. Et il a suffisamment de plots pour être utilisé pour le montage de circuits numériques actuellement en fabrication. Mais ce boîtier connu présente cependant encore des inconvénients pour l'application envisagée: - du fait de l'écartement fixe des plots à 1,27 mm les uns des autres, répartis sur la périphérie du boîtier, ce dernier montre pour un nombre de plots donné, une surface in- terne qui est grande par rapport à la surface du substrat du circuit intégré. Par exemple, un tel boîtier, apte à recevoir un circuit à 24 entrées-sorties, a pour dimensions externes 10 x 10 mm, et pour dimensions du logement interne réservé au substrat du circuit intégré 6 x 6 mm, alors que ce même subs- trat a seulement entre 1,5 et 2,5 mm de côté. Le substrat doit donc être fixé au centre du logement à environ 2 mm des plots du boîtier. Or des fils de câblage de 2 mm de long, pour réa- liser la connexion entre les plots du circuit intégré sur le substrat et les plots du boitier, représente une inductance parasite de 2 nH, ce qui détériore les performances du cir- cuit; - un autre inconvénient réside dans le fait que souvent les entrées du circuit intégré numérique se font sur les grilles de transistors à effet de champ qui ont des impé- dance élevées. Or pour raccorder un circuit intégré à un autre circuit intégré, on utilise plutôt des connexions d'impédance Q. Il en résulte qu'il serait hautement souhaitable pour uee telle application que des résistances de 50 Q soient in- sérées entre les plots du cicuit intégré et la masse pour éviter les réflexions. Le boîtier connu ne permet pas ce bran- chement; - un autre inconvénient réside dans le fait que les plots du boitier connu doivent aussi recevoir les alimen- tations continues du circuit intégré. Or il est souhaitable que ces alimentations se fassent à très basse impédance, sinon les variations du courant d'alimentation entraîneraient des variations des tensions continues d'alimentation, et donc une dégradation des performances des circuits. Il est donc né- cessaire que les alimentations soient découplées par une ca- pacité située la plus près possible du circuit, par exemple à l'intérieur du boîtier, ce qui n'est pas possible avec le boi- tier connu. La présente invention propose de résoudre ce pro- blème avec un dispositif de connexion tel que défini dans le préambule, comprenant un substrat très mince de surface apte à occuper le logement interne du boitier, ce substrat présen- tant: a) un évidement en son centre approprié à recevoir au plus juste la pastille de circuit intégré, b) une face arrière munie d'une couche métallique pour former un plan de masse, c) une face avant munie d'au moins N lignes de connexion formées par la technologie dite microruban d'au moins une couche métallique sérigraphiée dirigée radialement du bord de l'évidement vers la périphérie du substrat en vis- à-vis de plots du boitier. Dans une réalisation particulière, ce disposi- tif est caractérisé en ce que les lignes de connexion comprennent: desdites premières lignes de connexion pour les entrées-sorties du circuit, d'impédance 50 9, - desdites secondes lignes de connexion pour les alimentations continues du circuit, comprenant des capacités de découplage. Dans une réalisation particulière, ce dispo- sitif est caractérisé en ce qu'il comprend en outre des résis- tances intégrées en nombre égal à celui des lignes de 50 Q, disposées dans les espaces du substrat qui séparent deux lignes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante illustrée par les figures annexées dont: - la figure 1 qui représente schématiquement en coupe le dispositif de connexion selon l'invention associé à une pastille de circuit intégré et à un boitiez sans broches standard, - la figure 2 qui représente schématiquement vu du dessus le dispositif de connexion selon l'invention, - l'ensemble des figures 3 qui représente schéma- tiquement en coupe le dispositif de connexion selon l'inven- tion, - la figure 4 qui représente schématiquement vu du dessus un boîtier standard. La figure 1 représente donc en coupe un boîtier standard 102 sans broches, de dimensions extérieures D3. Ce boîtier, lorsqu'il est considéré vu du dessus, comme sur la figure 4, est carré, et de surface totale D3 x D3. Il présente en son centre un évidement 103 qui est aussi carré, de surface D2 x D2. Il présente en outre un décrochement 104 sur lequel se trouvent des plots métalliques 13 qui se prolongent pour apparaître sur la partie inférieure du boîtier. Un autre dé- crochement 105 protège les plots. Ces plots 13 lorsque le boîtier est vu du dessus (voir figure 4) sont régulièrement espacés sur le décrochement 104, tout autour du boitier, avec un pas qui est ici de 1,27 mm. Le boîtier 102 existe dans le commerce en plu- sieurs modèles, présentant plus ou moins de plots, dont les dimensions D2 et D3 sont d'autant plus grandes que le nombre des plots est plus élevé. Dans un exemple de réalisation, nous nous inté- resserons à un boitier à 24 plots qui présente les dimen- sions: D3 = 10 mm, D2 = 6 mm. Ce boîtier est destiné à recevoir une pastille de circuit in- tégré numérique 101 (voir figure 1) par exemple carré dont les dimensions sont: D1 = 2 mm. Le but de l'invention est de permettre la con- nexion des plots du circuit intégré 101, avec les plots 13 du boitier 102, au moyen de lignes: - qui ont une impédance de 50 Q pour les entrées- sorties, - qui peuvent être découplées si nécessaire au moyen de résistances de 50 Q, - qui peuvent constituer des lignes d'alimentation très basse impédance découplées par des capacités élevées, Ce but est atteint au moyen du dispositif de connexion 200 repré- senté schématiquement vu du dessus sur la figure 2. Le dispositif de connexion 200 selon l'invention comprend d'abord un substrat 100 très mince. Dans l'applica- tion envisagée à titre d'exemple de réalisation, ce substrat est carré de dimensions extérieures très légèrement infé- rieures à D2, de manière à pouvoir être inséré dans l'évide- ment interne 103 du boîtier 102 (voir figure 1). Le dispositif de connexion 200 comprend un évide- ment central 50, de dimensions très légèrement supérieures à celles de la pastille de circuit intégré 101, c'est-à-dire très légèrement supérieures à D1 pour pouvoir recevoir cette pastille de circuit intégré. On supposera ici que la pastille de circuit intégré est carrée. Le substrat 100 comprend d'abord une couche métal- lique M couvrant entièrement une de ses faces, dite face infé- rieure, comme il est montré en coupe sur les figures 3.Cette couche M sert de plan de masse. Le circuit de connexion est réalisé sur la face opposée du substrat 100, dite face supérieure. La plaquette une fois terminée serà mise en place dans le boîtier avec la face inférieure fixée sur le fond de l'évidement 103 du boîtier. Comme représenté vu du dessus, sur la figure 2, le circuit de connexion comprend: - des lignes simples 10, de 50 Q, - des résistances 20, de 50 9, - des lignes d'alimentation 30 découplées par des capacités. Les lignes 10 et 30 sont réalisées radialement par rapport au substrat 100'et sont formées de rubans métalliques qui s'étendent des bords de l'évidement 50 à la périphérie du substrat 100. La figure 3a est une coupe du dispositif 200, selon l'axe I-I. Cette coupe montre une disposition de couches formant les résistances 20. Ces résistances sont constituées d'une couche d'un matériau résistif 4 formant la partie cen- trale de la résistance et, de part et d'autre de cette partie centrale, de couches métalliques 5 et 6 formant les extrémités conductrices de la résistance. L'extrémité 5 est destinée à être reliée à une li- gne de 50 Q si nécessaire. L'extrémité 6 est reliée au plan de masse M par un demi-trou métallisé 40 pratiqué dans l'épais- seur e du substrat. La couche 4 est réalisée de préférence re- couvrant partiellement les couches 5 et 6. La surface de la couche résistive 4 qui ne recouvre pas 5 et 6, détermine la valeur de la résistance 20. Cette surface est prévue pour réa- liser une résistance de 50 Q. La figure 3b est une coupe schématique du disposi- tif selon l'axe II-II. Cette coupe montre une disposition de couches formant les lignes d'alimentation découplée 30. Ces lignes sont formées: d'une première couche métallique 7, formant la première électrode d'une capacité et reliée au plan de masse M par un demi-trou métallisé 40; - d'une seconde couche 8 en un matériau diélec- trique à fort coefficient diélectrique s; et d'une troisième couche 9, qui est métallique, et qui forme la seconde électrode de la capacité. C'est cette couche 9 qui sera raccordée au plot d'alimentation continue du circuit intégré 101 et au plot d'alimentation continue du boi- tier 102. La surface de la capacité 30 est prévue en fonction de c pour obtenir les valeurs voulues de cette capacité. La figure 3c montre une coupe schématique du dis- positif 200, selon l'axe III-III. Cette coupe montre une dis- position de couches formant les lignes de connexion des en- trées-sorties du circuit intégré, de 50 Q. A cet effet, la largeur de ces lignes transversalement est prévue de la même dimension que l'épaisseur e du substrat 100 (pour un substrat de permittivité 10, comme A1203. La couche 10 qui forme ces lignes est une simple couche métallique. Le circuit de connexion selon l'invention présente donc dans cet exemple de réalisation 24 lignes de connexion en tout y compris les alimentations. Il sera favorable de réaliser les iignes d'alimen- tation et leur capacité de découplage selon les diagonales du substrat 100, dans le but de disposer d'une surface suffisante à obtenir la valeur de la capacité désirée. D'autre part, il sera favorable de réaliser les résistances 20 dans les espaces situés entre chaque ligne 10. Quand cela est nécessaire une ligne 10 et une résistance adja- cente 20 sont reliées par un fil très court 3 fixé par thermo- compression. Lorsque le substrat 100 et le circuit intégré 101 sont mis en place dans le boitier 102, les lignes d'entrée- sortie sont reliées au plot d'entrée-sortie du circuit intégré 101 par des fils très courts 1 soudés par thermocompression, et sont reliés d'autre part au plot du boîtier 13 par des fils très courts 2 soudés de même (voir figure 1). De même les lignes d'alimentation continue sont reliées d'une part au plot d'alimentation du circuit intégré et au plot correspondant du boîtier par les fils très courts. Selon une réalisation préférentielle, le circuit de connexion selon l'invention sera réalisé par sérigraphie au moyen d'encre conductrice ou bien résistive ou diélectrique selon les parties de ce circuit. On obtiendra ainsi des lignes du type dit microruban, différent du type coplanaire par le fait qu'il n'est pas nécessaire d'intercaler une ligne de masse entre chaque ligne. Il se fait ainsi un gain appréciable de surface, tout en maintenant un haut niveau de qualité du circuit en hyperfréquences. Le substrat 100 sera favorablement en alumine (A12 03) d'épaisseur e = 0,25 mm. Pour l'application au boîtier à 24 plots cité, les dimensions du substrat 100 seront donc: D2 = 6 mm, D1 2 mm, pour un circuit intégré de dimensions environ 2 x 2 mm. Mais il est évident que lorsqu'un boîtier présen- tant des dimensions D2 et D3 supérieures pour un plus grand nombre de plots, est utilisé, et lorsque le circuit intégré présente des dimensions D1 différentes de 2 mm ou bien lorsque le circuit intégré n'est pas carré, la-dimension externe D2 du circuit de connexion selon l'invention et la dimension D1 de son évidement 50 varie en conséquence. Le dispositif selon l'invention présentera alors un nombre de lignes 10 et 30 en conséquence du nombre de plots à la fois du circuit intégré et du boîtier utilisé. Revendications 1. Dispositif de connexion pour circuit intégré numé- rique ultrarapide à N entrées-sorties, destiné à être intro- duit dans un boîtier sans broche standard à M plots tel que M > N, comprenant un substrat très mince de surface apte à occuper le logement interne du boîtier, ce substrat présen- tant: a) un évidement en son centre approprié à recevoir au plus juste la pastille de circuit intégré, b) une face arrière munie d'une couche métallique pour former un plan de masse et un radiateur thermique, c) une face avant munie d'au moins N lignes de connexion formées par la technique dite micro-ruban d'au moins une couche métallique sérigraphiée dirigée radialement du bord de l'évidement vers la périphérie du substrat en vis-à-vis de plots du boîtier. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes de connexion comprennent: - desdites premières lignes de connexion, pour les entrées-sorties du circuit, d'impédance 50 9, - desdites secondes lignes de connexion, pour les alimentations continues du circuit intégré, comprenant des ca- pacités de découplage. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des résistances intégrées, dis- posées dans les espaces du substrat qui séparent deux lignes. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les lignes de 50 Q sont réalisées au moyen d'une couche métallique en forme de ruban de largeur égale à l'épaisseur du substrat. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les résistances intégrées de 50 Q sont formées au moyen d'une couche sérigraphiée résistive associée à une couche conductrice pour former les extrémités de la ré- sistance, une extrémité étant reliée directement à la masse du fait que la couche sérigraphiée conductrice est reliée au plan de masse de la face arrière du substrat. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que pour chaque ligne de 50 9 utile, l'ex- trémité libre de la résistance de 50 Q adjacente est reliée à cette ligne au moyen d'un fil très court fixé par exemple par soudure thermoplastique. 7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdites secondes lignes de connexion et les capacités de découplage sont formées au moyen d'une première couche métallique sérigraphiée directement reliée au plan de masse de la face arrière du substrat, formant la pre- mière électrode de la capacité, d'une couche diélectrique à fort coefficient diélectrique, et d'une seconde couche métal- lique formant la ligne de connexion et la deuxième électrode de la capacité, cet agencement présentant une surface apte à former la capacité de grandeur désirée. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les lignes sont reliées au plot du cir- cuit intégré par leur extrémité voisine des bords de l'évide- ment, au moyen de fils très courts fixés par exemple par sou- dure thermoplastique, et sont reliés au plot du boîtier par leur extrémité voisine de la périphérie du substrat par les mêmes moyens. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les connexions des couches métalliques de la surface supérieure du substrat à la surface inférieure ou plan de masse du substrat sont faites au moyen de trous mé- tallisés. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le substrat est quadrangulaire et en ce que lesdites secondes lignes de connexion pour les alimenta- tions continues sont réalisées selon les diagonales.