Brevet FR2663159A1 — publié le 19911213

SYSTEME DE CONDITIONNEMENT HERMETIQUE D'UN MODULE HYBRIDE. La présente invention concerne un système de conditionnement hermétique d'un module de circuit hybride, qui permet de supprimer le boîtier métallique généralement utilisé pour protéger un circuit hybride. Selon ce système de conditionnement, les connexions électriques extérieures sont reportées dans le substrat du circuit hybride. Les modules électroniques hybrides destinés à des applications professionnelles sont fréquemment protégés par des boîtiers métalliques hermétiques, qui comportent dans leurs parois latérales des trous permettant le passage de broches métalliques qui constituent les connexions d'accès extérieures du module hybride. Un exemple - parmi d'autres - de ce type de circuit hybride encapsulé est donné en figure 1. Un circuit hybride, comprenant des composants actifs et passifs 1 rapportés sur un substrat 2, est fixé sur le fond d'un boîtier métallique 3 fermé par un couvercle 4. Les accès électriques entre l'intérieur et l'extérieur du boitier se font par des broches métalliques 5 qui sont fixées à travers les parois latérales du boîtier 1. L'herméticité de ce module électronique, au niveau des broches 5 est assurée par des perles de verre 6, selon la technique de scellement verre-métal. Ce type de conditionnement impose d'utiliser pour le métal du boîtier - des alliages ayant un coefficient de dilatation accordé à celui des verres de scellement 6 dans la gamme de température de réalisation du boîtier et d'utilisation du module (environ de 600 C à + 9000 C). Peu d'alliages répondent à ces caractéristiques, le plus utilisé étant le kovar, alliage ternaire de fer, de cobalt et de nikel. (technique de scellement verre accordé) - des alliages ayant des tenues mécaniques élevées, notamment le module de Young, comme par exemple l'acier (technique de scellement verre en compression). Les inconvénients de ce type de conditionnement sont de plusieurs types - coût du boîtier élevé surtout pour un boîtier réalisé sur mesures : difficulté et précision d'usinage, rendement de scellement. - poids élevé et conductivité thermique faible surtout pour le kovar - coefficient de dilatation non accordé à celui des substrats verre, alumine etc... utilisés en microélectronique hybride dans le cas de l'acier, - nécessité de reporter le boîtier sur un support par exemple circuit imprimé classique avec soudage des broches ou de l'enficher dans un connecteur. Ces modes de report rendent difficiles l'intégration de radiateurs dans le cas de dissipation élevée. Pour pallier à ces inconvénients, et cependant conserver une protection du circuit hybride, l'invention propose une structure permettant de supprimer le boîtier métallique. Le système est composé de deux parties. La face du circuit hybride qui supporte les composants actifs et passifs est protégée par un cadre et un couvercle. La face du côté substrat est collée sur un support, par exemple en alliage d'aluminium. Le substrat du circuit hybride passe entre le support et le cadre - et non plus à l'intérieur du cadre comme dans l'art connu - et les broches d'accès traversent le substrat et le support, ce qui évite les scellements verre-métal. De façon plus précise l'invention concerne un système de conditionnement hermétique d'un module de circuit hybride, comprenant un substrat isolant sur lequel sont rapportés des composants actifs et passifs, reliés par un circuit d'interconnexions et protégés de façon hermétique par un cadre et un couvercle, ce système étant caractérisé en ce que les connexions d'accès extérieures du circuit hybride sont fixées sur au moins un côté du substrat, les liaisons électriques entre l'intérieur et l'extérieur du système de conditionnement étant portées par le substrat. L'invention sera mieux comprise par la description de deux exemples de réalisations, appuyée sur les figures jointes en annexes qui représentent - figure 1 : vue en coupe d'un circuit hybride encapsulé selon l'art connu, exposé précédemment, - figures 2 et 3 : système de conditionnement d'un circuit hybride selon l'invention, dans deux formes de réalisation. La figure 2 montre comment un circuit hybride classique, ne comportant de composants actifs et passifs que sur une seule face du substrat, peut être protégé de façon hermétique, en s'affranchissant d'un boîtier entièrement métallique et des scellements verre-métal inhérents. Ce module de circuit hybride comporte un substrat principal 7, sur lequel sont rapportés des composants 8 et éventuellement des macro-composants 9 tels qu'un substrat secondaire haute densité à plusieurs couches de polymide. Tous les types de substrats connus, simple couche ou multicouches, cocuits, couches minces ou épaisses, entrent dans le domaine de l'invention. L'une des particularités de ce substrat 7, pour être utilisable selon l'invention, est d'être prolongé, sur au moins un bord latéral, par une bande 10 dont on verra plus loin qu'elle sert à supporter les connexions d'accès extérieures, dans une forme de réalisation. Les composants 8,9 de ce circuit hybride sont protégés de façon hermétique contre les agressions mécaniques, électriques ou gazeuses, par un cadre il et un couvercle 12. Le cadre et le couvercle assurent la fonction herméticité du module. Le cadre 11 peut être réalisé en kovar ou en alumine métallisée comportant un anneau en kovar permettant la soudure du couvercle. Le couvercle 12 peut être réalisé en kovar ou en nickel par gravure chimique ou découpe laser. Le cadre est soudé sur le substrat principal 7 de telle façon qu'il n'englobe pas la bande latérale 10 du substrat 7. La face du substrat 7 qui ne supporte pas de composants 8,9 est collée, par l'intermédiaire d'un film souple 13, sur un support épais 14, qui est avantageusement en alliage d'aluminium, en raison de ses bonnes qualités thermiques. Le support 14 en alliage d'aluminium assure trois fonctions - la fonction support mécanique rigide, - la fonction dissipateur de chaleur, - la fonction fixation mécanique. Sa surface est dépendante de la fonction électronique intégrée. Son épaisseur dépend de la puissance dissipée par le module. Il peut comporter des ailettes permettant d'améliorer les échanges thermiques sur sa face libre (non représentées sur la figure 2). Ainsi, le circuit hybride se trouve pris en sandwich entre un support qui sert de radiateur et un cadre de protection hermétique. Les accès électriques extérieurs mettent en oeuvre plusieurs moyens qui font partie de la technologie courante des circuits hybrides, mais qui évitent de recourir aux scellements à travers le cadre 11. Ils se font à travers le substrat principal 7, qui assure quatre fonctions - fonction support de composants, - fonction support d'interconnexion de faible densité, - fonction herméticité du module, - fonction entrée-sortie des signaux électriques par l'intermédiaire des broches. Les interconnexions à faible densité qui sont supportées par la face supérieure du substrat 7 passent sur la face inférieure par l'intermédiaire de trous métallisés 15. Elles sont isolées du support métallique 14 par le film isolant 13, et certaines d'entre elles se dirigent vers la zone 10 du substrat qui est située en dehors du cadre 11 : le franchissement de l'intérieur vers l'extérieur du dispositif de conditionnement hermétique se fait non plus à travers les parois latérales, mais par le substrat 7. Dans la zone extérieure 10, les pistes métalliques de ces interconnexions sont soudées sur des broches 16, en forme de clous, qui traversent le substrat. Un trou 17, pratiqué dans le support métallique 14, évite que les broches 16 ne soient court-circuitées. Les broches 16 peuvent être perpendiculaires au substrat, mais elles peuvent aussi, comme représenté en pointillés sur la figure 2, être recourbées et parallèles au substrat. Les sections et espacements des broches sont compatibles avec les connecteurs existant sur le marché. Le système de conditionnement de la figure 2 permet - soit de fixer un radiateur, à ailettes par exemple, sur la face libre du support métallique 14, - soit de réaliser une structure double face, en montant deux dispositifs, semblables à celui représenté, sur les deux faces d'un unique support métallique 14. Dans ce cas, les liaisons électriques entre les deux circuits sont réalisées par des broches telles que 16 qui coopèrent avec des trous métallisés. Selon les impératifs de montage du circuit hybride, il peut être intéressant qu'il se présente selon la variante de réalisation représentée en figure 3. Dans cette variante, les broches de sorties 16 sortent à travers le support métallique 14, par la face inférieure du système. Deux cas sont alors possibles - soit le substrat 7 comprend une région 10 extérieure au cadre 11, comme représenté en figure 2, ce qui permet d'avoir une connectique de chaque côté du substrat 7, - soit le substrat 7 est complètement recouvert par le cadre 11 et le couvercle 12, les broches 16 sont à l'intérieur du boîtier, et toutes sortent du boîtier par sa face inférieure, à travers le substrat. Ce type de conditionnement permet - de réduire de manière non négligeable le coût des modules, - d'intégrer directement le radiateur au module, - d'augmenter fortement la dissipation thermique donc la densité de puissance, - de diminuer le poids et le volume du module pour une fonction électronique donnée, - de supprimer les opérations de câblage par soudure, - de permettre le démontage du module sans détérioration. En effet, le montage du module est aisé. Le substrat principal est réalisé, par exemple, en technologie double face couche mince à trous métallisés. Sur ce substrat sont reportés, par exemple, par soudure à l'aide de préformes Au/Sn le cadre et les broches d'entrées-sorties. Ce report est effectué en une seule opération dans un four à passage multi-zones, et il est suivi d'un test d'herméticité du joint du soudure entre le substrat et le cadre. Le substrat principal muni de son cadre et de ses broches est ensuite reporté sur le support métallique par collage à l'aide d'un film souple. Celui-ci permet d'amortir lors des variations de température la différence entre les coefficients de température du substrat principal et du support métallique. L'opération suivante consiste à reporter et à interconnecter les composants sur le substrat principal selon les techniques classiques utilisées en microélectronique hybride. On peut aussi reporter un substrat grande densité lui-même muni de ses composants, par exemple un substrat en technologie multicouche mince. La dernière opération consiste à fermer le module à l'aide du couvercle. La fermeture peut être réalisée par soudure laser, soudure électrique ou par soudure à l'aide d'une préforme. L'invention a été décrite en s'appuyant sur un exemple de réalisation, mais des variantes évidentes pour l'homme de l'art sont possibles, sans sortir du domaine de l'invention qui est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 - Système de conditionnement hermétique d'un module de circuit hybride, comprenant un substrat (7) isolant sur lequel sont rapportés des composants (8,9) actifs et passifs, reliés par un circuit d'interconnexions, et protégés de façon hermétique par un cadre (11) et un couvercle (12), ce système étant caractérisé en ce que les connexions d'accès extérieures (16) du circuit hybride sont fixées sur au moins un côté du substrat (7), les liaisons électriques entre l'intérieur et l'extérieur du système de conditionnement étant portées par le substrat (7). 2 - Système de conditionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les connexions extérieures sont constituées par des broches métalliques (16), en forme de clou, perpendiculaires au substrat (7). 3 - Système de conditionnement selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'extrêmité des broches métalliques (16) est recourbée et parallèle au substrat (7). 4 - Système de conditionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit d'interconnexions, porté par une première face du substrat (7), passe sur la deuxième face du substrat au moyen de trous métallisés (15), et est relié électriquement aux broches métalliques (16). 5 - Système de conditionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les broches métalliques (16) sont portées par une bande latérale (10) du substrat (7), située en dehors du cadre (11) de protection. 6 - Système de conditionnement selon la revendication 1 caractérisé en ce que le module de circuit hybride est collé, au moyen d'un film isolant adhésif (13) sur un support métallique (14), qui comporte des évidements (17) en regard des broches métalliques (16). 7 - Système de conditionnement selon la revendication 6 caractérisé en ce que deux modules de circuits hybrides sont collés sur les deux faces d'un seul support métallique (13), les liaisons entre les deux modules se faisant par des broches (16) qui coopèrent avec des trous métallisés (15).