Brevet FR2758417A1 — publié le 19980717

L'invention concerne un boîtier d'encapsulation de composant1 le composant étant une pastille semi-conductrice contenant un composant actif, discret ou intégré (amplificateur, mélangeur, commutateur, oscillateur,...) ou un composant passif (capacité, résistance), fonctionnant en hyperfréquence jusqu'au domaine des longueurs d'onde millimétriques, le boîtier étant en outre adapté à la technique dite à montage en surface (CMS ou Composant Monté en Surface) sur une carte de circuit imprimé. Un boîtier adapté au montage CMS présente des avantages bien connus, notamment le fait que le test et le déverminage des composants sont plus faciles et plus complets, que le montage est plus simple, automatisable et donc que le coût global est réduit. Toutefois, lorsque les composants fonctionnent à des fréquences très hautes correspondant à des longueurs d'onde millimétriques, se posent des problèmes spécifiques telles que inductances et capacités parasites, continuité de la masse hyperfréquence, adaptations d'impédances, tolérances de montage, qui ne sont pas résolus de façon satisfaisante par les boîtiers existants. La présente invention a pour objet un boîtier pour composant hyperfréquence dont le comportement reste satisfaisant à très haute fréquence et dont le coût est peu élevé. Le procédé selon l'invention consiste essentiellement à: - fixer le composant sur un substrat; - fixer, sur le substrat, un cadre autour du composant; - câbler des connexions électriques entre le composant et la face supérieure du cadre; - déposer sur le tout un matériau électriquement isolant, - éroder le matériau isolant jusqu'à faire affleurer les connexions précédentes sur la surface supérieure de ce dernier; - former un circuit hyperfréquence, comportant des pistes conductrices s'étendant sensiblement radialement sur ladite surface supérieure, les pistes étant en contact électrique à une de leurs extrémités avec les connexions reliées au composant, L'autre extrémité des pistes formant les zones de connexion d'entrée-sortie du boîtier, et le circuit hyperfréquence étant tel que l'impédance des entrées-sorties est de l'ordre de 50 ohms. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: - la figure 1, un exemple de déroulement du procédé selon l'invention; - la figure 2, le dispositif obtenu à l'issue de l'une des étapes du procédé de la figure 1; - la figure 3, le dispositif obtenu à l'issue d'une étape ultérieure du procédé de la figure 1; - la figure 4, un mode de réalisation du boîtier obtenu par le procédé selon l'invention - les figures 5a et 5b, un mode de réalisation du circuit hyperfréquence formé sur la face supérieure du boîtier selon l'invention, - la figure 6, un autre mode de réalisation du circuit hyperfréquence formé sur la face supérieure du boîtier selon l'invention. Sur ces différentes figures les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 représente donc un mode de réalisation du procédé selon l'invention. La première étape, 11, du procédé consiste à fixer l'une sur l'autre deux plaquettes, la première formant le substrat du boîtier et la seconde étant destinée à former un cadre autour du composant à encapsuler. Ces éléments sont représentés sur la figure 2, qui est une vue en coupe du dispositif obtenu à l'issue de l'une des étapes du procédé de la figure i. Le substrat, repéré 21 sur la figure 2, est de préférence réalisé en un matériau présentant une bonne conductivité thermique et un coefficient de dilatation aussi proche que possible de celui du matériau formant le composant 23 destiné à être encapsulé. Dans le cas où le composant est en arséniure de gallium (As Ga), le nitrure d'aluminium (Al N) convient pour réaliser le substrat 21. A titre d'exemple, il peut avoir une épaisseur de quelques centaines de micromètres, par exemple environ 200 pm. On peut également utiliser un métal pour constituer un substrat, un alliage cuivre et argent par exemple ; ce type de substrat a l'avantage d'une très bonne conductivité thermique. La deuxième plaquette, repérée 22, comporte une ouverture 29 adaptée à la forme du composant 23 à recevoir, par exemple rectangulaire, mais de dimensions supérieures à celles du composant de sorte à former un cadre autour de ce dernier. L'ouverture 29 est par exemple réalisée à l'aide d'un laser ou d'ultrasons, ou encore par estampage (réalisé avant le frittage dans le cas où le cadre est en un matériau céramique). Le cadre 22 comporte des métallisations 28 appelées plots intermédiaires, réalisées sur la face supérieure 20 du cadre, c'est-à-dire celle qui n'est pas en vis-à-vis du substrat 21. Ces métallisations sont par exemple dorées et réalisées par photogravure. Dans l'exemple précédent où le composant est en As Ga et le substrat en nitrure d'aluminium, le cadre 22 peut être en alumine (Al2 03). Il peut avoir une épaisseur un peu supérieure à celle du composant, par exemple de l'ordre de 250 pm. Le cadre 22 est fixé par exemple par collage sur le substrat 21. On peut utiliser par exemple pour cela une feuille de colle époxy dont l'épaisseur peut être de quelques dizaines de micromètres, par exemple environ 25 pm. De préférence, le procédé selon l'invention peut être utilisé pour réaliser simultanément, ou collectivement, plusieurs boîtiers de composants. A cet effet, le substrat 21 a des dimensions adaptées au nombre de composants encapsulés simultanément et le cadre 22 comporte autant d'ouvertures 29 que de composants, les étapes décrites ci-après pour un composant étant alors effectuées simultanément pour l'ensemble des composants. La seconde étape (12) du procédé selon l'invention consiste à fixer le composant sur le substrat 21, à l'intérieur de l'ouverture 29 réalisée dans le cadre 22. La fixation du composant se fait par exemple à l'aide d'une colle conductrice, par exemple colle époxy chargé à l'argent; dans le cas où le composant est en As Ga, il peut être brasé ou collé préalablement sur un support métallique, jouant en outre le rôle de répartiteur de température. Le composant (23, figure 2) peut être, ainsi qu'on l'a dit ci-dessus, tout composant électronique actif ou passif, discret ou intégré. II est de préférence muni de moyens de connexion, tel que des fils métalliques 27, de préférence en or, ou encore des rubans, reliés chacun à un plot 26 d'entrée/sortie du composant 23. Dans le cas où on traite collectivement plusieurs boîtiers, les composants sont de préférence mis en place et collés à l'aide d'une machine automatique d'un type connu sous le nom anglais de "pick and place" L'étape suivante, 13, consiste à câbler les fils de connexion 27 du composant 23 sur la face supérieure 20 du cadre 22 et, plus précisément, sur les plots intermédiaires 28 qu'elle porte; ce câblage est réalisé de préférence à l'aide d'une machine automatique, par exemple selon la technique connue sous le nom anglais de "wedge bonding" L'étape suivante, 14, consiste à procéder à l'enrobage du composant 23, de ses fils de connexion 27, du substrat 21 et du cadre 22, au moins au niveau de l'ouverture 29 ou encore plus largement, comme illustré par exemple sur la figure 2 où l'enrobage 25 recouvre également la face supérieure 20 du cadre 22. Le matériau 25 d'enrobage est un isolant électrique , il est en outre de préférence doté de bonnes propriétés de conduction thermique et de pureté chimique, son coefficient de dilatation est de préférence faible, typiquement inférieur à 20 ppm/"C , enfin, ses propriétés électriques doivent être compatibles de l'utilisation hyperfréquence qui est faite du boîtier (faible permittivité, faibles pertes et de reproductibilité des ces valeurs) ; à titre d'exemple, une résine époxy est utilisable. Dans une variante de réalisation représentée sur la figure 2, le dépôt de l'enrobage 25 est précédé par le dépôt, sur le composant 23 ainsi que ses plots 26 et le début des fils 27, d'un matériau 24 isolant électriquement, un polymère ou une résine par exemple, le dépôt étant fait par exemple selon une technique connue sous le nom anglais de "glob top". Ce premier dépôt a pour fonction d'améliorer la protection mécanique de la face supérieure du composant 23, le matériau 24 étant choisi pour être adapté thermomécaniquement au composant, et de faciliter le dépôt ultérieur du matériau 25. Selon une autre variante, pour faciliter les opérations suivantes, le substrat peut être à ce moment disposé et fixé sur une dalle outil 32, à l'aide d'une colle 33 telle qu'une résine ou une cire. L'étape suivante, repérée 15 sur la figure 1, consiste à éroder l'ensemble obtenu précédemment de sorte à faire affleurer les fils 27 sur la face supérieure du matériau isolant 25, ce rodage pouvant être réalisé par tout moyen connu, polissage par exemple. Sur la figure 2 on a représenté par deux axes XX et X'X' deux niveaux possibles pour le rodage, le niveau minimum étant d'interrompre la connexion électrique entre les plots 26 et 28, le rodage ne devant par ailleurs pas atteindre la face supérieure du composant 23. Sur la figure 3, on a représenté l'ensemble obtenu après rodage, la face supérieure du boîtier étant repérée 30. L'étape suivante, 16 sur la figure 1, du procédé selon l'invention consiste à former un circuit hyperfréquence comportant des pistes conductrices 33 sur la face supérieure 30 du boîtier ainsi obtenu, circuit hyperfréquence qui doit être connecté aux fils 27 du composant. Le dessin d'un tel circuit et ses fonctions sont décrits plus en détail ci-après, en relation avec les figures 5a, 5b et 6. Pour réaliser les pistes, on peut de façon classique tout d'abord métalliser l'ensemble de la face supérieure 30 par exemple par pulvérisation cathodique d'une couche d'accrochage (titane-tungstène ou nickel-chrome par exemple), d'une couche antidiffusion (nickel par exemple) et d'une couche de protection contre l'oxydation (or par exemple), puis photograver cette ou ces métallisations de sorte à obtenir le dessin recherché pour les pistes. Selon une variante de réalisation, on peut procéder à une étape supplémentaire 17, permettant de réaliser des capacités utilisées pour le découplage, de façon intégrée au boîtier. Dans ce cas, on réalise les premières électrodes des capacités en même temps que les pistes 33, puis on dépose une couche supplémentaire de matériau isolant destinée à former le diélectrique des capacités, et enfin une couche métallique, ultérieurement gravée pour former la deuxième électrode des capacités. De façon également optionnelle, on peut procéder à un dépôt supplémentaire (non représenté) en forme de cadre, disposé au voisinage de la périphérie du boîtier, sur sa face supérieure, et servant de barrière de protection pour les brasures formant les plots du boîtier (plots 54 sur les figures 5a et 5b). Toujours de façon optionnelle, on peut procéder à une étape supplémentaire 18 de dépôt d'une ou plusieurs couches de protection de préférence hermétique, de quelques micromètres d'épaisseur par exemple, sur une ou plusieurs faces de l'ensemble précédemment obtenu. Puis on procède de préférence à un test électrique du composant obtenu (étape 10). Dans l'hypothèse où le procédé décrit précédemment est utilisé de façon collective pour réaliser une pluralité de boîtiers, on procède alors à une étape (19) de découpe de l'ensemble obtenu de façon à individualiser les boîtiers, selon des axes passant entre les composants tels que représentés en YY sur la figure 3, la découpe étant réalisée par exemple par sciage. Dans ce cas, on procède au dépôt de couches hermétiques après la découpe, de sorte à protéger les surfaces sciées. Enfin, le cas échéant, on décolle le ou les boîtiers de la dalle 32, puis on procède de façon classique à leur nettoyage et leur test. La figure 4 représente le boîtier, toujours vu en coupe, tel qu'obtenu à la fin du procédé selon l'invention. La face supérieure 30 du boîtier, qui porte les pistes 33, est par exemple recouverte entièrement d'une couche de protection 41, organique ou minérale (par exemple Si 02, Si O,, Si3 N4, sauf en des zones 42 des pistes 33, destinées à constituer les zones de connexion, ou plots d'entréessorties du boîtier et disposées sur la surface du boîtier. Les plots 42 peuvent être recouverts de dépôts 54 électriquement conducteurs, destinés à permettre le montage CMS du boîtier ou, plus généralement, de faciliter la connexion ultérieure du boîtier avec des circuits extérieurs. Ces dépôts 54 peuvent réalisés par dépôt sérigraphique de crème à braser (à base d'étain plomb); dans l'hypothèse où une couche de protection a été préalablement déposée, celle-ci peut servir de masque d'épargne pour ce dépôt , le montage ultérieur du boîtier sur un circuit imprimé s'effectue alors par refus in de la crème à braser. Bien entendu, cette étape de formation de plots en surépaisseur s'effectue avant l'étape (19) d'individualisation des boîtiers, comme représenté par une étape 9 de la figure 1. La figure 5a représente un exemple de réalisation des pistes formées sur la face supérieure du boîtier. Sur la figure 5a on a donc représenté le boîtier vu par sa face supérieure 30 et, par une ligne pointillée 23, la position que doit occuper le composant, non représenté ici pour la clarté du schéma. A titre d'exemple, on a représenté douze pistes repérées 33, s'étendant radialement du composant 23 vers la périphérie 51 du boîtier. Pour la clarté du schéma, les pistes 33 ont été hachurées, bien que non vues en coupe. On a également représenté, en pointillés, les plots 54 d'entrée-sortie du boîtier. La figure 5b représente le même exemple de réalisation de pistes, mais avec le boîtier 23 et ses fils de connexion 27. Pour la clarté du schéma, le composant et les fils ont été représenté en traits pleins alors qu'ils ne sont pas visibles sur la face supérieure du fait qu'ils sont noyés dans le matériau isolant 25. Sur les figures Sa et 5b, il apparaît que chacune des pistes 33 est formée de trois zones: une première zone repérée 52 située à une première extrémité et au niveau de laquelle est faite la connexion électrique du fil 27 du composant avec la piste; L'autre extrémité (53) de chaque piste 33, située sur la surface ou au voisinage de la périphérie du composant, porte les plots 54 d'entrée-sortie du boîtier destinés à le relier aux circuits extérieurs; enfin, la troisième zone des pistes, repérée 55, s'étend entre ces deux extrémités. Les pistes 33 sont disposées de sorte à former trois par trois une ligne de transmission hyperfréquence coplanaire, les deux pistes extérieures étant reliées à la masse hyperfréquence, et leur dessin est choisi pour que, tout en s'étendant radialement du composant vers la périphérie du boîtier, leur impédance caractéristique soit de l'ordre de 50 ohms, la tolérance autour de cette valeur pouvant être typiquement d'environ 10 %. En outre, ces lignes de transmission peuvent être utilisées pour réaliser d'autres fonctions hyperfréquences classiques tels que motifs d'adaptation d'impédance de type réactif (connus sous le nom anglais de "stubs"), transformateurs d'impédance de type quart d'onde, etc...; on réalise ainsi sur la face supérieure du boîtier un circuit d'adaptation d'impédance qui permet de ramener une impédance de 50 ohms au niveau des plots 54, même si les entrées/sorties du composant n'ont pas cette valeur d'impédance. Bien entendu, on pourrait aussi ramener l'impédance à toute autre valeur prédéterminée que l'on souhaiterait ou qui serait normalisée. La figure 6 représente un autre mode de réalisation du circuit hyperfréquence formé sur la face supérieure du boitier selon l'invention. Sur cette figure 6 comme sur la figure 5b, on a représenté la face supérieure 30 du boîtier et le composant 23 en traits continus. Par rapport à la figure 5b, les lignes coplanaires sont remplacées par des lignes de transmission hyperfréquence du type microruban ("microstrip" dans la littérature anglo-saxonne), chacune étant formée classiquement par une piste (33), ou ruban, et un plan de masse hyperfréquence disposé en dessous. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté au cas où le substrat (21) du boîtier est métallique : il constitue alors le plan de masse de la ligne microruban. Les connexions de masse sont par exemple réalisées par des trous (ou demi-trous) métallisés (62) à la périphérie du boîtier, entourés de (et en contact électrique avec) zones de connexion 61, renforcées le cas échéant de plots tels que 54. Les pistes 33 sont réalisées comme précédemment et connectées de même aux plots du composant 23 (non représentés) et aux plots 54. Par application du procédé selon l'invention, il apparaît qu'on obtient un composant encapsulé dans un boîtier: - qui se prête aisément au montage en surface: le boîtier est reporté sur une carte de circuit imprimé du côté de sa face 30 et connecté à la carte par ses plots 54 (figure 4); - qui se prête aisément aux tests électriques; - dont la fabrication est peu onéreuse; en effet, le procédé de réalisation est simple et permet à de nombreuses étapes d'être réalisées collectivement pour plusieurs boîtiers, se prêtant ainsi bien à une production en série; - qui est adapté au fonctionnement à des très hautes fréquences (longueurs d'ondes millimétriques). En effet, un bon fonctionnement à ces fréquences exige que: Le composant présente un minimum d'éléments parasites à ses plots, tels qu'inductance série ou capacité parallèle. Cela est obtenu ici d'une part par la réduction au strict minimum de la longueur des fils de connexion 27 (typiquement 20 à 30 pm) et d'autre part par la réalisation de lignes de transmission d'impédance caractéristique égale à 50 ohms entre les fils 27 et les plots 54 du boîtier. La continuité de la masse hyperfréquence soit convenablement assurée. Selon l'invention, les lignes coplanaires que forment les pistes 33 permettent de relier facilement et aussi souvent que nécessaire, les pistes extérieures à la masse de la carte imprimée, par l'intermédiaire par exemple de trous métallisés réalisés dans cette dernière. Le composant, s'il est actif, puisse être polarisé sans que soient perturbées les impédances ramenées aux plots du boîtier. Selon I'invention, il est possible de réaliser (étape 17, figure 1) des capacités de découplage intégrées au boîtier, dont le coût ajouté est donc très faible. Le boîtier n'exige pas de tolérances trop étroites sur la précision de son montage sur la carte de circuit imprimé, ce qui est onéreux tant au niveau des outillages nécessaires qu'à celui des taux de rebut. En effet, les tolérances, au niveau d'un composant fonctionnant à ces fréquences, sont de l'ordre du micromètre. Selon l'invention, d'une part les fils 27 de connexion du composant s'écartent de façon radiale et, d'autre part, les pistes 33 qui leur sont connectées s'écartent également et s'élargissent de façon radiale vers la périphérie du boîtier qui porte les plots 54 d'entrée/sortie: de la sorte, les tolérances de positionnement au niveau des plots 54 passent à une valeur de l'ordre d'une dizaine de micromètres, la taille du boîtier pouvant être typiquement de l'ordre de 5 mm x 5 mm. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'au moins un boîtier d'encapsulation d'un composant hyperfréquence, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes: - fixation du composant (23) sur un substrat (21); - fixation, sur le substrat, d'un cadre (22) autour du composant; - câblage de connexions électriques (27) entre le composant et la face supérieure (20) du cadre; - dépôt d'un premier matériau (25) électriquement isolant sur le composant et le substrat, - rodage du premier matériau isolant jusqu'à faire affleurer les connexions sur la surface supérieure de ce dernier; - formation d'un circuit hyperfréquence, comportant des pistes conductrices (33) s'étendant sensiblement radialement sur ladite surface supérieure, les pistes étant en contact électrique à l'une de leurs extrémités avec les connexions, L'autre extrémité des pistes formant les zones de connexion d'entrée-sortie du boîtier, et le circuit hyperfréquence étant tel que l'impédance des entrées-sorties a une valeur prédéterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance des entrées-sorties est de l'ordre de 50 ohms. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, après l'étape de câblage, une étape supplémentaire de dépôt d'un deuxième matériau isolant électriquement directement sur le composant, le substrat et les connexions, ce deuxième matériau étant adapté thermomécaniquement au composant, le dépôt du premier matériau étant réalisé sur le deuxième matériau. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pistes conductrices sont formées par dépôts successifs d'une première couche d'accrochage, d'une deuxième couche antidiffusion puis d'une troisième couche de protection contre l'oxydation. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape supplémentaire de formation de capacités sur la surface supérieure. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape supplémentaire de dépôt d'au moins une couche de protection hermétique. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape supplémentaire de formation de plots en surépaisseur sur les zones de connexions. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé par le fait que la formation de plots en surépaisseur se fait par dépôt sérigraphique d'un matériau à base d'étain-plomb, la couche de protection formant masque d'épargne pour le dépôt. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé collectivement pour une pluralité de composants et qu'il comporte une étape supplémentaire d'individualisation des boîtiers. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que l'individualisation des boîtiers est réalisée par découpe du premier matériau, entre les composants. 11. Boîtier d'encapsulation d'un composant hyperfréquence obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 12. Boîtier selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le composant est en arséniure de gallium. 13. Boîtier selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé par le fait que le substrat est métallique ou comporte du nitrure d'aluminium. 14. Boîtier selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé par le fait que le cadre comporte de l'alumine. 15. Boîtier selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé par le fait que le premier matériau isolant comporte de la résine époxy.