Brevet FR2721437A1 — publié le 19951222

L'invention concerne un boîtier hermétique convenant, notamment, à l'encapsulation de composants ou circuits électroniques. L'invention concerne également un procédé de fabrication de ce boîtier. DESCRIFflON DE L'ETAT DE LA TECHNIOUE L'évolution des systèmes électroniques est en permanence orientée vers une plus grande complexité et une plus grande miniaturisation. I1 s'ensuit donc une augmentation constante du nombre de composants ou circuits électroniques par unité de surface. Les composants ou circuits électroniques produisant de la chaleur lors de leur fonctionnement, l'augmentation de leur nombre par unité de surface a pour corollaire une élévation du nombre de calories produites par unité de surface. Afin d'éviter une montée excessive de la température de ces composants ou circuits électroniques qui risquerait d'engendrer leur détérioration ou des dysfonctionnements, il est nécessaire d'évacuer le maximum de calories produites. Ceci est réalisé par le biais du boîtier dans lesquels sont montés les composants ou circuits électroniques. Bien que l'ensemble du boîtier participe à l'évacuation de l'énergie thermique engendrée par le fonctionnement des composants ou circuits électroniques, la manière la plus simple d'améliorer l'évacuation des calories consiste à augmenter les propriétés de dissipation thermique du fond du boîtier sur lequel sont fixés en général les composants ou circuits électroniques. A cet effet, une solution est suggérée dans le brevet américain n"4 827 082 qui concerne un boîtier comprenant un fond en céramique (nitrure d'aluminium AlN ou carbure de silicium SiC) sur lequel est monté un élément semi-conducteur et sur lequel est fixé un cadre en mullite cofrittée ayant des métallisations enterrées. Bien que ces boîtiers comportent un fond électriquement isolant dont les propriétés de dissipation thermique soient satisfaisantes, ils présentent l'inconvénient majeur d'avoir un cadre en mullite cofrittée. En effet, la mullite cofrittée est un matériau moins répandu que l'alumine cofrittée. La fiabilité des boîtiers en mullite cofrittée n'a donc pas été autant testée que celle des boîtiers en alumine cofrittée. De plus, la mullite est un matériau présentant une résistance mécanique peu élevée. I1 serait donc bon de pouvoir disposer de boîtiers hermétiques à forte dissipation thermique qui puissent être réalisés à partir de matériaux peu coûteux, répandus et dont les propriétés et le comportement vis-à-vis de l'environnement sont parfaitement connus. EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION C'est donc en recherchant des solutions aux problèmes évoqués ci-dessus que la demanderesse est parvenue à mettre au point un boîtier hermétique, présentant une très bonne dissipation thermique. Ce boîtier convient bien, notamment, à l'encapsulation de composants et/ou circuits électroniques. I1 est composé d'un cadre céramique fixé sur un fond et se distingue des boîtiers connus jusqu'à ce jour en ce que son fond est composé d'au moins deux parties. Un tel boîtier, réalisé avec des matériaux bien connus et peu coûteux présente une grande fiabilité à long terme tant sur le plan de l'herméticité que du comportement vis-à-vis des divers environnements dans lesquels il est appelé à être utilisé. Il peut en outre présenter un pas de sortie étroit de ses connexions électriques entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier, et une assez grande taille, tout en conservant une planéité convenable. Par ailleurs, il peut être fabriqué aisément, et en grande série. D'autres avantages et propriétés du boîtier et du procédé selon l'invention ressortiront à la lecture de la suite de la description à laquelle sont annexées à titre illustratif et non limitatif, les figures 1 à 7. DESCRIPIION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente schématiquement, en section, un boîtier selon une première forme de réalisation de l'invention La figure 2 représente schématiquement, en section, un boîtier selon une deuxième forme de réalisation de l'invention. La figure 3 représente schématiquement, en vue de dessous, le fond du boîtier selon la deuxième forme de réalisation de l'invention. La figure 4, 5, 6 et 7 représentent schématiquement, en vue de dessous, des variantes du fond du boîtier selon la deuxième forme de réalisation de l'invention. Pour des raisons de simplification, les élements communs aux différentes figures sont désignés par les mêmes signes de référence. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION Selon une première forme de réalisation de l'invention illustrée par la figure 1, le boîtier est composé d'un cadre 1 en céramique fixé sur un fond 3. Le cadre 1 présente la forme qu'ont généralement les cadres de boîtiers hermétiques connus. Vu de dessus, il est donc généralement carré ou rectangulaire et est muni en son centre d'une ouverture 4 également généralement carrée ou rectangulaire. Des métallisations 5 en son sein assurent une liaison électrique entre le centre et la périphérie du cadre 1. Le cadre 1 est constitué, de préférence, d'une céramique à base d'alumine cofrittée avec une encre réfractaire telle que du tungstène ou du molybdène. Le fond 3 a en général la forme d'une plaque ou substrat. Ainsi, vu de dessus, il présente une forme généralement carrée ou rectangulaire, qui lui permet d'obstruer l'ouverture 4 du cadre 1. Selon l'invention, le fond 3 est composé d'au moins deux parties 9 et 10. De manière surprenante, la demanderesse a constaté que l'on pouvait utiliser un fond 3 obtenu par association d'au moins deux parties 9 et 10 ayant des coefficients de dilatation thermique différents et ceci tout en conservant au boîtier son herméticité et une planéité convenable. Ainsi, alors que dans toutes les techniques de fabrication de boîtiers destinés à des applications électriques ou électroniques, on cherche toujours à associer des matériaux ayant des coefficients de dilatation voisins, la demanderesse est donc parvenue à mettre au point un boîtier dont le fond 3 est composé de deux parties 9 et 10 constituées de matériaux ayant des coefficients de dilatation thermiques différents. Lesdites parties 9 et 10 doivent être aptes à être au moins partiellement brasées ou collées l'une sur l'autre. En outre, l'une des deux parties doit être apte à être (partiellement) brasée ou collée sous le cadre céramique 1. Lorsqu'elles sont constituées en des matériaux non brasables ou insuffisamment brasables, ces matériaux doivent donc être recouverts d'une métallisation ou couche de métal aux endroits où l'on souhaite réaliser le brasage. Cette métallisation est généralement une couche de tungstène ou d'un alliage molybdène/manganèse d'environ 5 à 30m, recouverte d'une fine couche de 0,5 à 2,5 m d'un alliage à base de nickel tel que le nickel/bore, destinée à permettre le brasage. En l'absence de métallisation, une brasure réactive est nécessaire. La partie 9 est faite de préférence d'un matériau électriquement isolant ayant un coefficient de dilatation thermique faible et dont au moins l'une des faces est au moins partiellement métallisée. Ce matériau peut être, par exemple, du nitrure d'aluminium (AiN), de l'oxyde de béryllium (BeO), ou du carbure de silicium (SiC). De préférence, on met en oeuvre un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est d'environ 4 à 5 ppm/ C. On choisit en particulier comme matériau pour la partie 9 le nitrure d'aluminium (AIN). Le matériau dont est faite la partie 10 est avantageusement un matériau métallique ayant une bonne conductibilité thermique. Il peut être choisi notamment parmi les métaux à coefficient de dilatation thermique élevé, si ceux-ci sont ductiles après recuit à haute température (supérieure à 600"C), tels que le cuivre, et les alliages de cuivre tels que les alliages cuivre/béryllium, cuivre/étain. Des alliages cuivre/molybdène, ou cuivre/tungstène peu ductiles (de rigidité plus élevée) mais de plus faible dilatation thermique (environ 6 à 10 ppm/ C) peuvent aussi être envisagés. Le matériau utilisé pour la partie 10 est préférablement du cuivre (ductilité élevée, coefficient de dilatation thermique d'environ 16 ppm/ C). Les parties 9 et 10 constituant le fond 3 du boîtier selon l'invention sont de préférence disposées l'une sur l'autre sous forme de plaques ou couches d'épaisseur au moins à peu près uniforme, afin d'obtenir un coefficient de dilatation thermique global pour ces deux parties, proche de celui de la céramique constituant le cadre 1. n stavère avantageux d'agencer le fond 3 de façon à ce que la partie 9 (électriquement isolante) soit tournée vers l'intérieur du boîtier et de prévoir que le matériau isolant de cette partie 9 soit au moins partiellement métallisé sur sa face en contact avec la partie 10, de façon à permettre son brasage sur cette partie 10. Le composant ou circuit électronique 6 qui sera reporté sur la partie 9 sera donc isolé électriquement par cette dernière. Ainsi, on évite le recours à un isolant électrique supplémentaire, qui amoindrirait la conductibilité thermique globale du fond 3 et diminuerait donc la dissipation thermique du boîtier. Il est en outre souhaitable de prévoir que la partie 9 ne recouvre que partiellement la partie 10 et qu'elle ait une forme et des dimensions qui lui permettent de s'insérer dans l'ouverture 4 du cadre 1. Les dimensions de la partie 9 sont alors de préférence telles que son insertion dans l'ouverture 4 du cadre 1 se fasse sans contrainte. Ceci est obtenu en prévoyant qu'il subsiste un espace 1 1 entre le cadre 1 et ladite partie 9 après l'insertion de cette dernière. La distance séparant le cadre 1 de la partie 9 venant s'insérer dans l'ouverture 4 est alors généralement de l'ordre de 0,5 mm. Avantageusement, la partie 10 est fixée audit cadre 1. Son épaisseur est en général comprise entre 0,2 et 1,0 mm. De préférence, elle est comprise entre 0,25 et 0,5 mm. L'épaisseur de la partie 9 est en général comprise entre 0,4 et 2 mm. De préférence, elle est comprise entre 0,5 et 1,0 mm. Selon une deuxième forme préférée de réalisation de l'invention illustrée par la figure 2, la partie 10 ayant un coefficient de dilatation élevé est munie ou traversée par une ou plusieurs ouvertures 12 destinées à limiter les contraintes provoquées par les différences de coefficient de dilatation thermique entre les parties 9 et 10 du fond 3. Lesdites ouvertures 12 peuvent présenter des formes diverses. Elles peuvent, par exemple, être de forme allongée ou en forme d'équerre, comme illustré par les figures 3 et 4, en forme d'arc de cercle comme représenté sur la figure 5. Elles peuvent éventuellement former une ou plusieurs boucles 13, comme illustré par la figure 6. Le fond 3 est alors composé d'au moins trois parties distinctes 9 ,10 et 14. De préférence, les ouvertures 12 sont disposées de manière au moins approximativement symétrique par rapport à un axe de symétrie qui serait situé au centre de l'ouverture 4 et perpendiculaire au fond 3. La largeur des ouvertures 12 ou des boucles 13 est en général inférieure à 2 mm de façon à ne pas trop amoindrir les échanges thermiques entre le boîtier et l'extérieur. Par ailleurs, comme illustré par la figure 7, des ouvertures telles que des trous ronds (disques) de petit diamètre (inférieur ou égal à 1 mm) peuvent également être prévues dans la partie 10, de façon à éviter les manques de brasure et/ou les défauts de brasage entre les parties 9 et 10. Bien entendu, un anneau 2 peut être fixé par brasage ou collage sur le cadre 1, sur la partie opposée au fond 3 (la plus éloignée du fond 3), de manière à faciliter la fixation, de façon connue, d'un couvercle (non représenté) destiné à fermer hermétiquement le boîtier. Vu de dessus l'anneau 2 (figure 1) présente une forme adaptée à celle du cadre 1 en céramique, donc généralement rectangulaire. I1 est habituellement fait d'un matériau à faible coefficient de dilatation thermique tel que le KOVAR (marque déposée pour un alliage de 54% de Fe, 17% de Co, et 29% de Ni). Avant la fixation du couvercle (non représenté) sur l'anneau 2 ou directement sur le cadre 1 en céramique, un ou plusieurs composant et/ou un ou plusieurs circuit électronique 6 est monté(s) de façon connue, par exemple par brasage ou collage, directement sur le fond 3, en général à peu près au centre de l'ouverture 4. Ce composant ou circuit électronique 6 est relié, par des conducteurs électriques 7, à l'extrémité des métallisations 5 débouchant à l'intérieur du boîtier, ou fixé sur des plages métallisées (non représentées) présentes sur la partie 9, ces plages métallisées étant elles-mêmes reliées par des conducteurs électriques (non représentés) auxdites extrémités des métallisations 5. Des fils de connexion 8 regroupés sous forme de grille pourront alors être fixés sur la partie des métallisations 5 débouchant à l'extérieur du boîtier. Les dimensions que peuvent avoir les boîtiers selon l'invention dépendent pour une large part des températures auxquelles ils sont réalisés, et donc de la nature des brasures mises en oeuvre pour effectuer les brasages. Ainsi, on peut réaliser des boîtiers ayant des dimensions allant jusqu'à 76 mm sur 76 mm de côté lorsque les brasages sont effectués à des températures inférieures ou égales à environ 356"C (environ 280"C, c'est-à-dire la température du mélange eutectique Au/Sn ou environ 356"C, c'est-à-dire la température eutectique du mélange eutectique Au/Ge), et jusqu'à 40 mm sur 40 mm de côté lorsque les brasages sont effectués avec des brasures ayant une température de solidification comprise entre environ 360"C et environ 650"C, tout en conservant une planéité convenable (c'est-à-dire un défaut de planéité inférieur à environ 2,5 ctm/mm). Bien entendu, des boîtiers de dimensions supérieures à celles indiquées ci-dessus pourraient être fabriqués, mais ils risqueraient de présenter des défauts de planéité les rendant inaptes à de nombreuses utilisations. Réalisation du boîtier selon l'invention: Le boîtier selon l'invention peut être fabriqué selon un procédé conçu par la demanderesse et qui consiste à fixer un fond 3 composé d'au moins deux parties 9 et 10 sur un cadre 1 en céramique. Le cadre 1 en céramique peut être préparé par cofrittage selon les technologies classiques de production de céramiques multicouches. Le fond 3 peut être préparé, de façon connue, par collage ou brasage de la partie 9 sur la partie 10. Sur la partie supérieure du cadre sont d'abord fixées par brasage à 780"C avec un alliage argent/cuivre (Ag/Cu 72/28) les grilles de connexion 8. Ensuite, les autres composants tels que l'anneau 2, les parties 9 et 10 du fond 3, sont associés au cadre 1 par brasage à l'aide d'un alliage argent/cuivre/indium (Ag/Cu/In 60/27/13) dont la solidification s'effectue vers 630"C. Ainsi, grâce au procédé selon l'invention, il a été possible de réaliser des boîtiers selon la figure 1 de forme carrée, ayant 24 millimètres de côté et sur chaque côté, 43 métallisations entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier (représentées sur les figures 1 et 2 par la référence 5). Comme ces dernières sont généralement plus espacées à l'extérieur qu'à l'intérieur du boîtier, elles sont donc disposées tous les 0,635 mm à l'extérieur du boîtier et à moins de 0,400 mm à l'intérieur du boîtier. Des connexions (représentées sur la figure 1 par la référence 8) ont été fixées sur chacune des parties extérieures des métallisations 5. La partie 10 du fond 3 utilisé était percée de trous de 0,8 mm de diamètre comme illustré par la figure 7. I1 a également été possible, selon l'invention, de fabriquer des boîtiers carrés ayant 39 mm de côté et 56 métallisations par côté, ce qui correspond à des espacements de 0,635 mm à l'extérieur du boîtier et de moins de 0,508 mm à l'intérieur du boîtier. Un fond avec ouvertures tel que représenté par la figure 4 a été utilisé. De manière surprenante, le défaut de planéité du fond 3 est restée inférieure à 100 microns ohm). Elle est en effet de 70 zm en moyenne lorsque l'épaisseur du cadre 1 en céramique est d'environ 1,2 mm. Des mesures de dissipation thermique ont été effectuées en faisant dissiper une énergie de 2 Watts à une résistance de 47 ohms placée sur la partie 9 du fond 3, à peu près au centre de l'ouverture 4. Après stabilisation thermique, la base du boîtier retourné sur un bloc de refroidissement a été examinée à l'aide d'un microscope infrarouge. Le flux thermique s'évacuait à travers le fond 3, puis le cadre 1 et ensuite l'anneau 2. L'essai a été effectué comparativement sur les boîtiers carrés de 39 mm de côté selon l'invention et sur des boîtiers de même format réalisés complètement en alumine cofrittée.On a pu montrer que les écarts entre la température minimale mesurée en phériphérie du fond 3 et la température maximale mesurée au centre du fond 3 du boîtier se maintenaient au voisinage de 5-6"C pour les boîtiers selon l'invention alors que les mesures similaires opérées avec un boîtier entièrement en alumine ont fourni pour lesdits écarts des valeurs tournant autour de 44"C. Bien évidemment, I'invention n'est en aucune façon limitée par les particularités qui ont été précisées dans ce qui précède ou par les détails des modes de réalisation choisis pour l'illustrer. Nombre de modifications peuvent être apportées aux réalisations particulières qui ont été décrites à titre d'illustration et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe par conséquent tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leur combinaison. REVENDICATIONS 1. Boîtier hermétique à dissipation thermique améliorée comprenant un cadre 1 en céramique fixé sur un un fond 3, caractérisé en que ledit fond 3 se compose d'au moins deux parties 9 et 10. 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique constituant le cadre 1 est à base d'alumine cofrittée avec du tungstène ou du molybdène. 3. Boîtier selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit fond 3 est composé d'au moins deux parties 9 et 10 ayant des coefficient de dilatation différents. 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite partie 9 est constituée d'un premier matériau qui est un isolant électrique et dont au moins l'une des faces est au moins partiellement métallisée. 5. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier matériau est choisi dans le groupe constitué par le nitrure d'aluminium (A1N), I'oxyde de béryllium et le carbure de silicium. 6. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier matériau présente un coefficient de dilatation thermique de l'ordre de 4 à 5 ppm/ C. 7. Boîtier selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit premier matériau est le nitrure d'aluminium (A1N). 8. Boîtier selon la revendication 1 à 7, caractérisé en ce que ladite partie 10 est faite d'un second matériau qui est choisi dans le groupe constitué par les matériaux métalliques ayant une bonne conductibilité thermique et, soit un coefficient de dilatation thermique élevé associé à une forte ductilité, soit un coefficient de dilatation thermique plus faible en cas de rigidité plus élevée. 9. Boîtier selon la revendication 8, caractérisé en ce que en ce que ledit second matériau est choisi dans le groupe constitué par le cuivre, et les alliages de cuivre tels que les alliages cuivre/béryllium, cuivre/étain, cuivre/molybdène, ou cuivre/tungstène. 10. Boîtier selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit second matériau présente un coefficient de dilatation thermique égal à environ 16ppm/ C. 11. Boitîer selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit second matériau est le cuivre. 12. Boitîer selon l'une quelconque des revendication 1 à 11, caractérisé en ce que les parties 9 et 10 du fond 3 sont disposées l'une sur l'autre sous forme de plaques ou couches d'épaisseur au moins à peu près uniforme. 13. Boîtier selon l'une quelconque des revendication 1 à 12, caractérisé en ce que la partie 9 du fond 3 est tournée vers l'intérieur du boîtier. 14. Boîtier selon l'une quelconque des revendications I à 13, caractérisé en ce que la partie 9 recouvre partiellement la partie 10 et possède une forme et des dimensions qui lui permettent de s'insérer dans l'ouverture 4 du cadre 1. 15. Boîtier selon la revendication 14 , caractérisé en ce qu'il subsiste, après l'insertion de ladite partie 9 dans ladite ouverture 4, un espace 11 entre ledit cadre 1 ladite partie 9. 16. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite partie 10 est fixée au cadre 1. 17. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite partie 9 est comprise entre 0,4 et 2 mm, et de préférence entre 0,5 et 1,0 mm. 18. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite partie 10 est comprise entre 0,2 et 1 mm, et de préférence entre 0,25 et 0,5 mm. 19. Boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que ladite partie 10 du fond 3 est munie d'une ou de plusieurs ouvertures 12. 20. Boîtier selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites ouvertures 12 sont de forme allongée, en forme d'équerre, en forme d'arc de cercle, ou en forme de disque. 21. Boîtier selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites ouvertures 12 forment une ou plusieurs boucles 13. 22. Boîtier selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites ouvertures 12 sont de forme allongée et présentent une largeur inférieure à 2 mm. 23. Boîtier selon la revendication 19, caractérisé en ce que lesdites ouvertures 12 sont en forme de disque ayant un diamètre inférieur ou égal à 1 mm. 24. Procédé de réalisation d'un boîtier selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisé en ce qu'on fixe contre un cadre 1 en céramique un fond 3 composé d'au moins deux parties 9 et 10.