Brevet FR2648275A1 — publié le 19901214

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ENCAPSULATION DE MODULES HYPERFlREQUENCE La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif d'encapsulation de modules hyperfréquence réalisés sous forme de microcircuits hybrides utilisant des puces de circuits intégrés microonde monolithiques interconnectés par des lignes hyperfréquence et d'alimentation en technologie hybride sur substrat en diélectrique minéral, notamment en alumine. La réalisation de modules hyperfréquence en technologie hybride, par exemple en couche épaisse, utilisant des circuits intégrés du type puce nue, par exemple en AsGa, pose le problème essentiel de l'encapsulation hermétique de ces modules. En effet, d'une part il est absolument indispensable d'encapsuler de manière étanche les circuits intégrés qui sont extrêmement sensibles aux pollutions de toute sorte, particulièrement quand il s'agit d'AsGa, d'autre part il faut protéger les circuits hyperfréquence des Influences parasites en particulier de type électromagnétique. Dans le cas de modules en technologie hybride où on utilise des puces nues, il faut donc protéger l'ensemble du module de manière étanche aux pollutions chimlques de tout ordre et contre toutes les perturbations électriques. On a donc pensé à encapsuler l'ensemble d'un module hyperfréquence par une mise sous boîtier étanche des puces et des lignes de connexion. Cependant, il est absolument indispensable que cette encapsulation soit totalement étanche et que les opératlons de scellement des boitiers utilisés ne polluent en rien l'atmosphère retenue dans lesdits bottiers. Ceci est particulièrement difficile à obtenlr lorsque l'on utilise des substrats de circuits en diélectrique minéral, tel que alumine, nitrure d'aluminium etc . et que, d'autre part, le polds, les dimensions et le bon fonctionnement en hyperfréquence du dispositif rendent compliquée et donc onéreuse l'utilisation de boîtiers totalement métalliques L'invention a pour objet un procédé d'encapsulation remédiant å ces inconvénients. Un autre objet de l'invention est un procédé permettant l'encapsulation étanche d'un module hyperfréquence sans aucune pollution å l'intérieur du boîtier. Selon l'invention, il est donc prévu un procédé d'encapsulation de modules hyperfréquence réalisés sous forme de microcircuits hybrides utilisant des puces de circuits intégrés microonde monolithiques interconnectés par des lignes hyperfréquence et d'alimentation en technologie hybride sur substrat en dielectrique minéral, notamment en alumine, caractérisé en ce que ledit procédé consiste 8 - réaliser un cadre en diélectrique minéral de dimensions telles qu'il puisse entourer lesdits circuits du module tout en laissant à l'extérieur les connexions d'alimentation et hyperfréquence réalisées sur les bords du substrat; - effectuer une métallisation des parois latérales extérieures et du bord supérieur dudit cadre - effectuer un scellement à base de verre dudit cadre sur ledit substrat portant les interconnexions, avant le montage desdites puces - fixer, de manière non polluante pour l'atmosphère à l'intérieur du cadre, un couvercle métallique de façon étanche sur le bord supérieur du cadre, après montage en position desdites puces. Selon un autre aspect de l'invention, il est également prévu un disposltif d'encapsulation de modules hyperfréquence réalisés sous forme de microcircuits hybrides utilisant des puces de circuits intégrés microonde monolithiques interconnectés par des lignes hyperfréquence et d'alimentation en technologie hybride sur substrat en diélectrique minéral, notamment en alumine, ledit dispositif étant réalisé conformément au procédé ci-dessus et étant caractérisé en ce qu'il comporte un cadre en diélectrique minéral, entourant lesdits circuits du module tout en laissant å l'extérieur les connexions d'alimentation et hyperfréquence réalisées sur les bords du substrat et fixé audit substrat par scellement en verre, ledit cadre étant métallisé sur ses parois latérales extérieures, et un couvercle métallique fixé sur ledit cadre pour encapsuler hermétiquement lesdits circuits. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description ci-apres et des dessins joints où - la figure 1 est une vue d'un module hyperfréquence sur substrat en alumine non encapsulé - la figure 2 est une vue d'un cadre en alumine servant de paroi latérale au boîtier d'encapsulation du module de la figure 1 - la figure 3 représente un premier mode de fermeture d'un boitier selon l'invention; - la figure 4 représente un second mode de réalisation selon l'invention ; et - la figure 5 est une vue en coupe schématisant les zones refondues lors de la soudure du couvercle au cadre de la figure 3. A titre d'exemple et sans que cela soit en rien limitatif de l'invention, on a supposé qu'on considérait le cas d'un module hyperfréquence réalisé en technologie hybride couche épaisse sur substrat en alumine obtenu par exemple par sérigraphie et utilisant des puces nues de circuits intégrés microonde monolithiques (MMIC dans la littérature snglo-saxonne). I1 est donc nécessaire d'r. capsuler hermétiquement ces circuits intégrés pour les protéger le toute pollution chimique à laquelle ils sont très sensibles, surtout dans le cas de circuits du type AsGa. Par ailleurs ces circuits et les divers autres composants et lignes hyperfréquence et d'alimentation doivent être protégés contre les perturbations électromagnétiques ou électriques de toutes sortes, notamment venant des modules voisins. Une solution envisagée consiste å enfermer le module dans un boitier étanche et blindé. Cependant l'utilisation d'un boitier métallique est une solution compliquée et onéreuse. En effet, dans ce cas, le substrat ne participe à la fonction boitier ; il est seulement rapporté et l'entrée- sortie des signaux hyperfréquence nécessite des connecteurs spécifiques, d'où un ensemble coûteux Une autre solution adaptée aux modules sur substrat en alumine consiste à prévoir un cadre rectangulaire également en alumine, servant de parois latérales de boîtier et fixé au substrat puis fermé par un couvercle métallique. Tout le problème consiste alors å fixer de manière étanche et efficace ce cadre et à le fermer sans pollution de l'atmosphère intérieure du boîtier. La figure 1 représente schématiquement å titre d'exemple un module hyperfréquence réalisé sous forme de microclrcuit hybride. Ce module est réalisé en technologie hybride en couche épaisse par sérigraphie sur un substrat en alumine 1 et utilise des puces nues 4 de circuits intégrés microonde monolithiques (MMIC) par exemple en AsGa. Les interconnexions sont réalisées par des lignes hyperfréquence 2 et des lignes d'alimentation 3 en technologie hybride. En 5, on a représenté des accès hyperfréquence du module. Les accès d'alimentation et de masse sont répartis sur les bords longitudinaux du substrat 1 dont la face Inférieure (non représentée) est entièrement métallisée pour réaliser un plan de masse. On a représenté sur la figure 2 le cadre en alumine 6 qui constitue les parois latérales du boitier d'encapsulation. Sa trace sur le module de la figure l est représentée en pointillés. Les parties hachurées représentent schématiquement une métallisation 7 déposée sur les parois latérales et le bord supérieur du cadre 6. Les métallisations des parois peuvent être continues ou sous forme de bandes, comme représelsté. Cette dernière solution est plus facile à mettre en oeuvre du point de vue des tolérances car elle permet de dégager les sorties hyperfréquence d'une métallisation trop proche les perturbant sans qu'il soit nécessaire de positionner précisément des épargnes. Pour fixer le cadre 6 sur le substrat 1, on a prévu selon l'invention d'effectuer un sceUement en verre avant la mise en place des puces 4. Ce scellement s'effectue a l'aide d'une pate de verre qui est fondue en portant l'ensemble à une température de l'ordre de 6500C. Du fait que les puces ne sont pas encore montées, le chauffage à cette températilre n a aucune conséquence nuisible pour le circuit hybride qui a été obtenu par sérigraphie et cuisson à une température de l'ordre de 800 . La pâte de verre est constituée d'une poudre de verre à base de silice, d'une résine utilisée comme liant et d'un solvant permettant d'ajuster la viscosité. Pour le verre, on utilisera de préférence des borosilicates de plomb auxquels sont adjoints des oxydes dont la nature et les proportions sont choisies pour ajuster la température de fusion, la viscosité du verre et le coefficient de dilatation thermique qui doit être le plus proche possible de celui de l'alumine. La pate de verre peut être fondue dans l'air mais il existe aussi des pâtes de verre permettant le scellement sous atmosphère d'azote. Ces dernières doivent être choisies lorsque les métallisations utilisent le cuivre, car elles évitent les dégradations du circuit lors du scellement. Les avantages d'un tel scellement au verre sont une parfaite étanchéité, une très bonne tenue mécanique et l'absence de toute pollution ultérieure à l'intérieur du boitier contrairement aux procédés de fixation par collage. La figure 3 représente en coupe selon AA' (Fig.2) une première variante de fermeture du boîtier par un couvercle métallique 10. On retrouve sur cette ìgure le substrat en alumine 1 portant le circuit hybride couche épaisse et le cadre en alumine 6 scellé par un scellement au verre 12. Les parois latérales extérieures et le bord supérieur du cadre 6 sont métallisés, les premières pour assurer le blindage du module, la métallisation étant reliée à la masse sur le substrat, et le second pour permettre les opérations de fermeture du boîtier ainsi qu'on le verra ci-après. La fermeture du boîtier s'effectue en deux temps. Dans un premier temps on brase, sur le bord supérieur du cadre 6, un cadre métallique 9 en même métal que le couvercle 10. Pour cela on dépose sur le bord supérieur du cadre 6 une pâte à braser 8 qui est une pâte à base d'or et d'étain (de préférence 80% Au-20% Sn). Pour que le brasage adhère au bord du cadre 6 en alumine, il est nécessaire que celui-ci soit préalablement métallisé par une couche 7 d'or qui est déposée en même temps que la métallisation sur les parois latérales extérieures, comme on l'a vu ci-dessus. Selon une réalisation préférée de l'invention, le cadre auxiliaire métallique 9 et le couvercle 10 sont en Kovar. Le brasage du cadre 9 sur le cadre en alumine 6 s'effectue par refusion en l'absence des puces de circuits intégrés. La température de fusion de la brasure Au/Sn est de l'ordre de 2800C. Même si cette opération de brasure entraîne des pollutions, par exemple résidus de flux, à l'intérieur du boitier, ceci n a aucune influence néfaste sur les circuits intégrés puisqu'ils ne sont pas encore en place et ces pollutions peuvent être évacuées en particulier par nettoyage à l'aide de solvants. Après ce nettoyage, on met en place les puces de circuits intégrés et on soude le couvercle 10 sur le cadre 9, Kovar sur Kovar, sous atmosphère inerte (Hélium/azote). La fermeture peut s'effectuer par soudure au laser ou par fermeture à la molette électrique, de préférence. Ces techniques 1 de fermeture par soudure ont l'avantage majeur, à condition de prendre les précautions suffisantes pour ne pas créer d'échauffement qui puisse entraîner la refusion de la brasure 8, de ne provoquer aucune pollution à l'intérieur du boîtier et d'obtenir une fermeture d'une très grande étanchéité. Pour éviter tout échauffement excesslf de la couche de brasure a, 1l faut d'une part choisir une épaisseur. suffisante pour le cadre auxiliaire 9 et, d'autre part, dans le cas de fermeture à la molette électrique, choisir des impulsions de courant dont la puissance, la durée et l'espacement soient convenablement déterminés. La figure 5 montre une vue en coupe grossie du couvercle 10 et du cadre 9 sur laquelle on a schématisé les zones 13 dans le couvercle 10 correspondant à l'échauffement résultant de l'application des impulsions successives appliquées par la molette. On a représenté en foncé les zones refondues correspondantes entre couvercle et cadre. La figure 4 représente, selon la même coupe que la figure 3, une autre variante de fermeture du boîtier par un couvercle métallique 10. On retrouve les mêmes éléments que sur la figure 3, à l'exception du cadre auxiliaire 9 et de la couche de brasure 8. Pour fixer le couvercle 10 au cadre 6 métallisé, il est prévu de fixer au couvercle 10, en regard du bord supérieur du cadre 6, une préforme 11 de brasure Or/Etain sans flux. Cette préforme est fixée au couvercle 10 par. soudure électrique, le couvercle étant préalablement recouvert d'une couche d'or électrolytique. La fermeture du boîtier s'effectue ensuite, après mise en place des puces de circuits intégrés, par refusion de la brasure 11 dans les memes conditlons que celles prévues pour la brasure 8 de la figure 3. Cette préforme étant sans flux ne pollue pas l'intérieur du boîtier lors de la refusion. Par contre, la mise en oeuvre est un peu plus délicate pour obtenir une bonne étanchéité et il est en particulier nécessaire d'assurer une très bonne propreté des surfaces en présence et une excellente planéité de celles-ci. Il est clair que, si l'invention a été décrite dans le cadre d'un substrat et de murs du boitier en alumine, elle s'appliquerait tout aussi blen dans le cas d'autres diélectriques minéraux, comme par exemple le nitrure d'aluminium. Le terme "diélectrique minéral" est pris par opposition svec les diélectriques de type organiques (résine époxy ..). Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'encapsulation de modules hyperfréquence réalisés sous forme de microcircuits hybrides utilisant des puces de circuits intégrés microonde monolithiques interconnectés par des lignes hyperfréquence et d'alimentation en technologie hybride sur substrat en diélectrique minéral, notamment en alumine, caractérisé en ce que ledit procédé consiste à - réaliser un cadre en diélectrique minéral de dimensions telles qutil puisse entourer lesdits circuits du module tout en laissant à l'extérieur les connexions d'alimentation et hyperfréquence réalisées sur les bords du substrat - effectuer une métallisation des parois latérales extérieures et du bord supérieur dudit cadre - effectuer un scellement å base de verre dudit cadre sur ledit substrat portant les interconnexions, avant le montage desdites puces - fixer, de manière non polluante pour l'atmosphère à l'intérieur du cadre, un couvercle métallique de façon étanche sur le bord supérieur du cadre, après montage en position desdites puces. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fixation du couvercle consiste à - déposer une couche de pâte à braser sur le bord supérieur dudit cadre - braser un cadre auxiliaire métallique de même métal que ledit couvercle sur ledit cadre diélectrique, avant la mise en place des puces sur ledit substrat; - souder, après mise en place desdites puces, le couvercle sur le cadre sans refondre ladite brasure entre cadre métallique et cadre diélectrique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de soudure du couvercle est une étape de fermeture à la molette électrique. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de soudure du couvercle est une étape de fermeture au laser. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que, ledit couvercle et le cadre auxiliaire étant en Kovar, la métallisation du cadre diélectrique est opérée par dépôt d'une couche d'or et en ce que la pâte à braser est un mélange d'or et d'étain. 6. procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de fixation du couvercle consiste à - fixer une préforme de brasure sur ledit couvercle en regard du bord supérieur dudit cadre diélectrique ; et - souder ledit couvercle audit cadre, après mise en place desdites puces, par refonte de ladite brasure à la molette électrique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite brasure est un mélange d'or et d'étain et en ce que la métallisation du cadre diélectrique est opérée par dépôt d'une couche d'or. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite brasure ne contient aucun flux de brasage. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, ledit substrat et ledit cadre diélectrique étant en alumine, ladite étape de scellement consiste 8 : - déposer une pâte constituée d'une poudre de verre, d'une résine servant de liant et d'un solvant entre le substrat et le cadre ; et - passer l'ensemble dans un four pour chauffer à la température de fusion audit verre. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit passage au four s'effectue sous atmosphère d'azote. 11. Dispositif d'encapsulation de modules hyperfréquence réalisés sous forme de microcircuits hybrides utilisant des puces (4) de circuits intégrés microonde monolithiques interconnectés par des lignes hyperfréquence (2) et d'alimentation (3) en technologie hybride sur substrat (1) en diélectrique minéral, notamment en alumine, ledit dispositif étant réalisé conformément au procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et étant caractérisé en ce qu'il comporte un cadre en diélectrique minéral, entourant lesdits circuits du module tout en laissant à l'extérieur les connexions d'alimentation et hyperfréquence (5) réalisées sur les bords du substrat et fixé audit substrat par scellement (12) en verre, ledit cadre étant métallisé (7) sur ses parois latérales extérieures, et un couvercle métallique (10) fixé sur ledit cadre pour encapsuler hermétiquement lesdits circuits. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la fixation du couvercle (10) sur le cadre est constituée par un brasage or-étaln (11), le couvercle étant en Kovar. 13. Dispositif selon la revendication il; caractérisé en ce que la fixation du couvercle (10) sur le cadre (6) est effectuée par l'intermédiaire d'un cadre auxiliaire métallique (9) brasé sur le bord supérieur métallisé dudit cadre diélectrique par un brasage or-étain (8), le couvercle et le cadre auxiliaire étant soudés entre eux. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le couvercle (10) et le cadre auxiliaire (9) sont en Kovar et en ce que le cadre diélectrique (6) et le substrat (1) sont en alumine.