Brevet FR2667981A1 — publié le 19920417

i Procédé d'assemblage de deux couches constituées de matériaux différents et son application à l'encapsulation hermétique de circuits hybrides La présente invention concerne un procédé d'assemblage de deux couches constituées de matériaux ayant des propriétés mécaniques différentes, et son application à l'encapsulation hermétique de circuits hybrides. Le problème de la suppression ou, à défaut, de la limi- tation de l'humidité dans les boîtiers de composants électro- niques est un problème aigu Le contaminant ayant le rôle le plus important et le plus néfaste sur le plan de la fiabilité d'un composant discret ou d'un circuit intégré est l'eau de l'ambiance environnante En effet, l'humidité est susceptible15 de corroder les plots de connexion du circuit; elle permet également aux ions de se solubiliser, ce qui renforce la corrosion Cet effet est très sensible sur les circuits inté- grés, et l'est d'autant plus que l'échelle d'intégration est plus élevée, c'est-à-dire que les plots de connexion sont20 plus petits Une solution à ce problème consiste à fermer les boîtiers sous atmosphère de gaz neutre, par exemple sous azote, qui doit rester dans les boîtiers. Pour les applications à environnement sévère et hautes performances, telles que les applications militaires ou spatiales, il est connu d'utiliser des boîtiers de composants dont le fond est en matériau isolant et le capot en métal, le capot étant scellé hermétiquement sur le fond, un dégazage avant mise sous boîtier étant en outre généralement prévu Le fond du boîtier constitue le substrat d'un circuit, par exemple d'un circuit intégré hybride multicouche Il peut être en céramique Le capot métallique est constitué par un cadre surmonté par un couvercle Le cadre peut être un cadre annulaire simple, ou bien un cadre comportant des alvéoles. Les matériaux à assembler pour obtenir de tels boîtiers ont des caractéristiques différentes D'une part, le substrat est en céramique et porte un circuit de type multicouche sérigraphie D'autre part, le cadre métallique a un coeffi- cient de dilatation qui n'est pas parfaitement adapté à celui de la céramique En outre, la liaison doit être assurée par une brasure dont le coefficient de dilatation est fortement supérieur à celui des matériaux à assembler Pour réaliser cette brasure, un traitement spécifique par voie chimique ou électrolytique doit être réalisé sur le métal afin d'assurer une mouillabilité de la brasure Du côté céramique, le multi- couche comportant des pistes conductrices doit être isolé de la pièce métallique afin d'éviter les court-circuits Il est donc nécessaire de réaliser un dépôt de pâte diélectrique par sérigraphie sous l'emplacement prévu pour le cadre métal- lique La brasure n'accrochant pas sur le diélectrique, une encre de sérigraphie conductrice (encre métallique) doit être déposée sur ce diélectrique à l'emplacement du cadre métal- lique. Sur de petites dimensions, les contraintes mécaniques ne créent pas de fracture à l'interface de l'assemblage L'étan- chéïté au niveau des différentes interfaces reste satisfai- sante après de nombreux cycles thermiques Toutefois, au-delà de quelques centimètres carrés, l'interface diélec- trique/sérigraphie métallique est trop fragile. Les études réalisées par la demanderesse ont permis de réduire de façon significative le problème de l'étanchéité de tels assemblages. La présente invention a pour objet un procédé d'assem- blage de couches de matériaux ayant des caractéristiques différentes. Un autre objet de l'invention est l'application dudit procédé à l'encapsulation de circuits intégrés, notamment de circuits hybrides multicouches. Le procédé selon l'invention pour assembler une couche d'un matériau MI et une couche d'un matériau M 2 est caracté- risé en ce qu'il consiste à interposer, entre les deux couches, une couche intermédiaire constituée par un mélange35 du matériau Mi et du matériau M 2 De préférence ce mélange est constitué par 25 à 75 % en poids du matériau M 1 et 75 à % en poids de matériau M 2. Un rapport en poids de Ml à M 2 d'environ 1 est particu- lièrement préféré. La création de la couche intermédiaire permet de réali- ser un gradient de caractéristiques mécaniques, qui assure une meilleure cohésion de part et d'autre de ladite couche intermédiaire. Le procédé selon l'invention est particulièrement utile pour l'encapsulation de circuits intégrés et plus spéciale- ment de circuits hybrides, lors de l'assemblage du substrat en céramique portant le circuit et du capot métallique d'un boîtier électronique. Le procédé de la présente invention est expliqué en dé- tail par l'exemple ci-après, donné à titre illustratif. La figure 1 représente une vue en coupe d'un boîtier obtenu par le procédé de l'invention Sur cette figure ( 1) représente un cadre métallique supportant un couvercle ( 9), l'ensemble formant le capot métallique; ( 2) représente une couche de brasure; ( 3) représente une couche métallique; ( 4) représente une couche intermédiaire; ( 5) représente une couche diélectrique; ( 6) représente un circuit multicouche; ( 7) représente les pistes conductrices entrées/sorties; ( 8) représente le substrat servant de fond de boîtier. Le substrat ( 8) est constitué avantageusement par une céramique telle que l'alumine Il porte un circuit du type multicouche sérigraphie ( 6) et des pistes entrées/sorties ( 7). La zone annulaire du multicouche ( 6) sur laquelle doit être fixé le cadre métallique ( 1) est revêtue par sérigraphie d'une couche de pâte de sérigraphie diélectrique ( 5) Le matériau diélectrique peut être un verre, par exemple un verre de silicoboroaluminate de baryum ou de plomb, et d'alu- mine.35 La couche intermédiaire ( 4) est obtenue en déposant sur la couche annulaire diélectrique ( 5), par sérigraphie, un mélange en pâte crue constitué par la pâte de sérigraphie diélectrique telle qu'utilisée pour la couche ( 5) et par une encre de sérigraphie métallique Le mélange ainsi déposé est séché et cuit selon les techniques classiques La couche ( 4) a, de préférence, une épaisseur de l'ordre de 20 g. De préférence, le mélange est constitué par 25 à 75 % de pâte de sérigraphie diélectrique et 75 à 25 % d'encre de sérigra- phie métallique Un mélange à environ 50/50 est tout particu- lièrement préféré. Ensuite la couche métallique est formée par sérigraphie sur la zone annulaire précitée à partir d'une encre de sérigra- phie métallique identique à celle utilisée pour la couche intermédiaire ( 4) Cette encre peut être une encre à l'or, une encre à l'or-platine ou une encre à l'argent-palladium. Ensuite, ladite zone annulaire est revêtue d'une couche de brasure ( 2) et un cadre métallique annulaire ( 1) est fixé sur la zone revêtue de brasure par fusion de la brasure. Pour terminer, un couvercle ( 9) est fixé de façon étanche sur le cadre ( 1), par exemple avec une fermeture par laser. Un boîtier comportant un substrat ayant une superficie supérieure de 1 dm 2 a ainsi été obtenu Son étanchéité et sa tenue aux conditions d'environnement en température et en dépression selon les normes militaires ont été vérifiées. Par ailleurs, des tests d'arrachement en traction et en cisaillement ont été effectués d'une part sur un assemblage constitué par les couches 1 à 8 selon l'invention, et d'autre part sur un assemblage comportant les couches 1 à 3 et 5 à 8 selon l'art antérieur Dans l'assemblage selon l'invention, la charge à la rupture est de 92 kg/cm 2 Dans l'assemblage selon l'art antérieur, elle est de 55 kg/cm 2 En outre, la30 rupture se produit, non plus entre la couche diélectrique et la couche métallique, mais au niveau de la céramique Il apparaît ainsi que le procédé selon l'invention permet de renforcer notablement l'assemblage entre deux couches de matériaux différents. REVENDICATIONS 1 Procédé pour assembler une couche d'un matériau MI et une couche d'un matériau M 2, ayant des caractéristiques mécaniques différentes, caractérisé en ce qu'il consiste à interposer, entre les deux couches, une couche intermédiaire constituée par un mélange du matériau Ml et du matériau M 2. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche intermédiaire est constituée par 25 à 75 % en poids du matériau Ml et 75 à 25 % en poids de matériau M 2. 3 Application du procédé selon la revendication 1, à l'assemblage du substrat céramique portant un circuit intégré et du capot métallique d'un boîtier électronique. 4 Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que le substrat céramique porte un circuit intégré hybride multicouche. Application selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que, sur une zone annulaire du substrat sont appliquées successivement par sérigraphie, avant la20 fixation du capot par brasage, une couche diélectrique, une couche intermédiaire, une couche métallique, la pâte utilisée pour la couche intermédiaire étant un mélange de la pâte de sérigraphie diélectrique et de l'encre de sérigraphie métal- lique utilisées respectivement pour la couche diélectrique et la couche métallique. 6 Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que le mélange utilisé pour la couche intermédiaire est constitué par 25 à 75 % en poids de ladite pâte de sérigra- phie diélectrique et 75 à 25 % de ladite encre de sérigraphie métallique. 7 Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que le mélange est constitué par environ 50 % en poids de ladite pâte de sérigraphie diélectrique et environ 50 % de ladite encre de sérigraphie métallique.