Brevet FR2764116A1 — publié le 19981204

Dispositif de connexion et protection de circuit micro-électronique hyperfréquence La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif pour connecter et protéger un circuit micro-électronique hyperfréquence comprenant un ou plusieurs circuits intégrés monolithiques micro-ondes MMIC fonctionnant à des fréquences supérieures au gigahertz et entrant dans la composition de dispositifs de télécommunications, tels qu'émetteurs et/ou récepteurs. Les circuits intégrés MMIC sont des pastilles ou puces, bien souvent en arséniure de gallium, qui sont fixées sur une carte de circuit imprimé comprenant une semelle métallique constituant un plan de masse, une couche en substrat diélectrique, tel que Téflon (marque déposée), sur la semelle de masse, et un réseau imprimé de rubans conducteurs pour former avec la semelle métallique des lignes hyperfréquence à microruban ("microstrip" en anglais). Ces lignes à microruban forment des composants passifs hyperfréquence ainsi que des lignes de transmission pour relier les circuits intégrés entre eux. Selon le brevet US-A-5.541.565, un plot constituant une borne d'un circuit intégré MMIC est relié à une extrémité d'un ruban conducteur de ligne à travers un fil de connexion conducteur dont les extrémités sont respectivement soudées au plot et à une extrémité élargie d'un ruban conducteur formant borne de signal ayant une extrémité évasée soudée sur l'extrémité du ruban conducteur de ligne. Le circuit intégré avec les fils de connexion est enfermé dans un dispositif de protection comprenant une embase plate métallique placée sur la carte de circuit imprimé, une couche adhésive thermoconductrice déposée au centre de l'embase supportant le circuit intégré, un anneau diélectrique sur la périphérie de l'embase métallique et entourant le circuit intégré, et un couvercle diélectrique disposé collé sur l'anneau et ainsi fermant de manière étanche l'intérieur de l'anneau contenant le circuit intégré supporté par l'embase. Des trous conducteurs relient l'embase et la semelle de masse et jouent également le rôle de puits thermiques. Le ruban conducteur formant borne de signal s'étend depuis son extrémité reliée au fil de connexion, surélevée par rapport au circuit intégré, à travers l'anneau diélectrique, vers son autre extrémité évasée courbée pour atteindre l'extrémité du ruban de ligne. Ce ruban conducteur est ainsi relativement long ce qui rend d'autant plus difficile l'adaptation d'impédance large bande entre le circuit intégré et la ligne à ruban correspondant au ruban de ligne. En effet de nombreuses discontinuités et irrégularités de diélectrique et de variations dimensionnelles de ruban conducteur existent entre le plot du circuit intégré et l'extrémité du ruban de ligne relativement à la semelle de masse localisée en face arrière de la carte de circuit imprimé. Ces difficultés d'adaptation d'impédance réduisent la bande passante du circuit micro-électrique hyperfréquence. En particulier, les dimensions et les angles de l'extrémité évasée du ruban conducteur formant borne de signal reliée au ruban de ligne sont dépendant, puisque sélectifs, de la bande de fréquence. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure précitée et principalement à minimiser l'interconnexion entre le circuit intégré et une ligne à microruban et les discontinuités d'impédance. A cette fin, un dispositif de connexion et protection d'un circuit micro-électronique hyperfréquence comprenant des fils de connexion conducteurs pour connecter des bornes électriques du circuit micro-électronique à des extrémités de rubans conducteurs de ligne hyperfréquence, une semelle métallique de masse, un substrat diélectrique fixé sur la semelle ayant une face supportant les rubans de ligne, et un porte-composant métallique logé dans une fenêtre pratiquée dans le substrat diélectrique, le circuit micro-électronique ayant une première face fixée sur le porte-composant et une seconde face comportant lesdites bornes électriques, est caractérisé en ce que la seconde face du circuit micro-électronique est sensiblement coplanaire aux extrémités des rubans de ligne, et les bornes du circuit micro-électronique sont réparties le long de côtés du circuit micro-électronique ayant entre eux une largeur de circuit micro-électronique qui est sensiblement inférieure à celle de la fenêtre. L'interconnexion par un fil de connexion entre une borne du circuit micro-électronique et une extrémité de microruban est du type de celle montrée schématiquement dans le brevet FR-B-2723258 du demandeur, mais est beaucoup plus réduite. L'invention prend soin de diminuer les discontinuités de ligne entre le circuit micro-électronique et les lignes à microruban par mise au même niveau des extrémités de fil de connexion et des rubans de ligne, ce qui diminue la longueur du fil lui-même, et par réduction de la largeur de la fenêtre dans le substrat diélectrique. Typiquement pour des largeurs de circuits intégrés de 450 à 500 Zm, la fenêtre a une largeur de 600 Clam, c'est-à-dire comprise entre environ les 4/3 et les 6/5 de la largeur des circuits intégrés. La largeur de l'interstice entre les parois de la fenêtre et les circuits intégrés est de l'ordre de 50 à 75 clam. Ainsi, la fenêtre peut avoir une largeur sensiblement supérieure à celle du circuit micro-électronique, et le porte-composant et le circuit micro-électronique peuvent avoir des largeurs sensiblement égales. Grâce aux caractéristiques de l'interconnexion entre circuit micro-électronique et rubans de ligne, le dispositif selon l'invention a un encombrement plus faible que ceux selon la technique antérieure pour protéger un circuit micro-électronique donné. Le circuit micro-électronique peut être composé de plusieurs circuits intégrés monolithiques à microondes alignés longitudinalement sur le portecomposant et ayant leurs bornes électriques alignées le long des bords longitudinaux du porte-composant. Selon une réalisation préférée, la protection des circuits micro-électroniques est obtenue par deux cales diélectriques reposant sur le substrat devant des extrémités transversales de la fenêtre perpendiculaires aux côtés du circuit microélectronique où sont réparties les bornes du circuit micro-électroniques, et une lamelle diélectrique fixée sur les cales et par-dessus le circuit microélectronique. La largeur de la lamelle diélectrique est supérieure à la largeur de la fenêtre de manière à protéger les fixations des fils de connexion aux rubans de ligne. Une résine forme ensuite un joint étanche entre lamelle, cales et substrat diélectrique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la figure 1 est une vue de dessus schématique d'un dispositif de connexion et de protection selon l'invention comprenant un porte-composant avec trois circuits intégrés ; et - la figure 2 est une vue en coupe transversale détaillée du dispositif de la figure 1, à travers l'un des circuits intégrés. La figure 1 montre partiellement un circuit hybride hyperfréquence et plus particulièrement dans celui-ci, l'implantation d'un dispositif d'interconnexion et de protection de l'invention pour un circuit micro-électronique 1 sur une semelle métallique 2 formant un plan de masse en face arrière du circuit hybride. Le circuit micro-électronique est composé de plusieurs circuits intégrés monolithiques micro-ondes MMIC lM, appelés également puces, qui sont des composants hyperfréquence en arséniure de gallium (GaAs) incluant un ou plusieurs transistors à effet de champ et/ou bipolaires et/ou diodes varicaps, entrant dans la composition d'un oscillateur, amplificateur ou mélangeur hyperfréquence, par exemple pour un dispositif émetteur et/ou récepteur de télécommunications. Le circuit micro-électronique 1 fonctionne dans une bande supérieure au gigahertz, typiquement entre 2 et 40 GHz, et avec des niveaux de puissance relativement faibles. Afin de ne pas surcharger la figure 1, le circuit micro-électronique 1 est représenté avec trois circuits intégrés 1M. Ces circuits 1M sont des pastilles plates et carrées et ont des faces inférieures 11 collées sur un porte-composant métallique rectangulaire 3 qui est également collé directement sur la semelle de masse 2. Le portecomposant 3 est rectangulaire avec une largeur nettement plus petite que sa longueur. Des petits plots métalliques 13 servant de bornes de connexion aux circuits intégrés 1M sont situés sur la face supérieure 12 des circuits intégrés, sensiblement le long de deux côtés parallèles de ceux-ci. Selon l'invention, les circuits intégrés 1M sont alignés le long de l'axe longitudinal du porte-composant 3 de sorte que les plots métalliques 13 soient disposés suivant deux rangées longitudinales parallèles aux bords longitudinaux 30 du porte-composant. Comme montré à la figure 2, le porte-composant 3 avec le circuit micro-électronique 1 est logé dans une fenêtre rectangulaire 40 pratiquée dans un substrat diélectrique 4, avec un contour analogue à celui du porte-composant 3 et des dimensions sensiblement supérieures à celles du porte-composant avec le circuit micro-électronique 1. Le substrat 4 est par exemple en alumine, présente une face inférieure 41 collée à l'argent sur la semelle de masse 2 et une face supérieure 42 supportant des rubans imprimés, conducteurs électriquement 5. Les rubans conducteurs 5 constituent, avec la semelle de masse 2 et le substrat diélectrique 4 entre eux, des lignes hyperfréquence à microruban (microstrip) qui relient le circuit microélectronique 1 montré dans la figure 1 à d'autres circuits micro-électroniques. Les rubans de ligne ont des tronçons formant de manière classique des composants passifs hyperfréquence 6 tels que condensateurs, inductances, filtres, etc... En particulier, des extrémités 51 des rubans de ligne 5 sur le substrat 4 atteignent le bord des parois longitudinales 43 de la fenêtre 40 et sont respectivement en regard des plots métalliques 13 sur les faces supérieures 12 des circuits intégrés 1M. Dans la suite de la description, des dimensions d'éléments constitutifs du dispositif de connexion et protection sont celles d'une réalisation préférée de l'invention et sont données à titre d'exemple non limitatif. Les extrémités des rubans de ligne 51 et les plots métalliques 13 sont interconnectés électriquement par microcâblage au moyen de fils de connexion métalliques fins 7, tels que des fils d'or de 25 zm de diamètre. Chaque fil de connexion 7 a une extrémité fixée sur un plot métallique respectif 13 et une autre extrémité fixée sur l'extrémité du ruban de ligne respectif. Les fixations des extrémités des fils de connexion 7 sont de type liaison à boule dite "ball bonding", ou liaison par picot dite "wedge bonding". De manière à réduire les tronçons de désadaptation de ligne hyperfréquence entre les circuits intégrés 1M et les extrémités 51 des lignes à microruban, ce qui contribue également à réduire l'implantation du porte-composant avec le circuit micro-électronique 1 sur la semelle de masse 2, la longueur des fils de connexion 7, sensiblement supérieure à la distance entre les bornes de circuit micro-électronique 13 et les extrémités de ruban de ligne 51, est selon l'invention minimisée typiquement à moins de 200 Fm. La longueur des fils de connexion est minimisée d'une part en réduisant au maximum la différence de niveaux entre les faces supérieures 12 et 42 des circuits intégrés 1M et du substrat diélectrique 4, et d'autre part, en pratiquant la fenêtre 40 dans le substrat 4 avec une largeur W4, typiquement de 600 Am, sensiblement supérieure à la largeur W1 des circuits intégrés 1M et donc à la distance entre les deux rangées de plots métalliques 13 sur les circuits intégrés typiquement de 450 zm. Pour une épaisseur donnée du substrat 4, l'épaisseur du porte-composant 3 est adaptée à l'épaisseur des circuits intégrés (puces) 1M, et donc est sensiblement égale à la différence des épaisseurs du substrat et des circuits intégrés. Selon la réalisation illustrée à la figure 2, les faces supérieures 12 des circuits intégrés 1M sont sensiblement coplanaires à la face supérieure 41 du substrat diélectrique 4, et plus précisément à la face supérieure des extrémités 51 des rubans de ligne 5. D'autre part, la différence de largeur W4-W1 ou W4-W3 égale au double de la largeur de l'interstice entre chaque circuit intégré, ou le porte-composant, et une paroi longitudinale 43 de la fenêtre, est de l'ordre de 150, ou 100 clam. Ainsi pour chaque ensemble de circuits intégrés alignés longitudinalement sur un porte-composant selon l'invention, le porte-composant est choisi avec une hauteur sensiblement égale à la différence de l'épaisseur du substrat 4 et de l'épaisseur des circuits intégrés 1M, et avec une largeur W3, typiquement de 500 Clam, sensiblement égale à celle wl des circuits intégrés, typiquement de 450 tjm. Le porte-composant sert ainsi à la fois directement de retour de masse du circuit intégré 1M vers la semelle 2 et également de puits thermique, sans nécessiter le perçage de trous métallisés dans un quelconque substrat isolant pour relier une embase métallique du circuit intégré et la semelle de masse selon le US-A-5.541.565. Le procédé de mise à la masse selon l'invention permet d'obtenir une meilleure qualité de masse électrique et thermique que le brevet précité US-A-5.541.565. La fréquence de coupure du filtre passe-bas équivalent à une ligne à microruban comprenant un fil de connexion 7 représentatif d'une inductance et les bornes 13 et 51 aux extrémités du fil de connexion 7 représentatives de deux capacités est d'autant plus grande que l'inductance est diminuée, c'est-à-dire que la longueur du fil 7 est petite. L'adaptation d'impédance entre le plot 13 du circuit intégré correspondant 1M et l'extrémité 51 du ruban de ligne correspondant 5 sera d'autant plus optimale que la largeur W4-W1 de l'interstice entre le substrat 4 et le circuit intégré 1M sous le fil de connexion 7 est petite et la ligne à microruban entre bornes 13 et 51 présente peu de discontinuités en épaisseur. L'adaptation d'impédance peut être effectuée par grattage au diamant de la plage métallique constituée par l'extrémité du microruban 51. Au-delà d'une longueur de fil de connexion de 500 m environ, il serait nécessaire de prévoir une ligne d'adaptation d'impédance spécifique. Deux cales parallèlépipèdiques 81 en matériau diélectrique sont collées sur la face supérieure du substrat diélectrique 4 et sont disposées au bord des parois transversales 44 de la fenêtre 40, c'est-àdire en regard des côtés des circuits intégrés 1M qui ne comportent pas de plots métalliques. La largeur des cales 4, dont les faces collées sont des carrés selon la réalisation illustrée, est sensiblement égale à la largeur W4 de la fenêtre 4. Sur les cales 81 ayant une épaisseur inférieure à quelques dizaines de Fm, typiquement 150 zm, sont collées et centrées les extrémités longitudinales d'une lamelle de protection 82 en matériau diélectrique ayant une épaisseur de 150 pm environ. La largeur W8 de la lamelle est supérieure à celle w4 de la fenêtre 40. Le matériau diélectrique des cales et de la lamelle est du verre ou de l'alumine. La surface de la lamelle 82 est ainsi réduite au strict minimum pour protéger le porte-composant 3 avec les circuits intégrés 1M sur celui-ci. La hauteur des cales 81 est quelque peu supérieure à la flèche des "arcs" formés par les fils de connexion 7, indépendamment de l'épaisseur des circuits intégrés 1M. Selon une autre réalisation, la fenêtre dans le substrat 4 est plus longue et les cales sont collées sur la semelle de masse, aux extrémités longitudinales de la fenêtre et sont ainsi plus épaisses. La protection du circuit micro-électronique 1 est complétée en répandant une résine époxydique, ou silicium 9 jusqu'à polymérisation, autour du portecomposant 3 entre le pourtour de la lamelle 82 et le bord de la face supérieure de celle-ci d'une part, et le bord de la fenêtre 40 sur le substrat diélectrique 4, selon la technique dite "Bubble Glob Top". REVENDICATIONS 1 - Dispositif de connexion et protection d'un circuit micro-électronique hyperfréquence (1) comprenant des fils de connexion conducteurs (7) pour connecter des bornes électriques (13) du circuit micro-électronique à des extrémités (51) de rubans conducteurs (5) de ligne hyperfréquence, une semelle métallique de masse (2), un substrat diélectrique (4) fixé sur la semelle et ayant une face supportant les rubans de ligne (5), et un porte-composant métallique (3) logé dans une fenêtre (40) pratiquée dans le substrat diélectrique (4), le circuit microélectronique (1) ayant une première face (11) fixée sur le porte-composant (3) et une seconde face (12) comportant lesdites bornes électriques (13), caractérisé en ce que la seconde face (12) du circuit micro-électronique (1) est sensiblement coplanaire aux extrémités (51) des rubans de ligne (5), et les bornes (13) du circuit micro-électronique sont réparties le long de côtés du circuit microélectronique ayant entre eux une largeur de circuit micro-électronique (W1) qui est sensiblement inférieure à celle (W4) de la fenêtre (40). 2 - Dispositif de connexion et protection conforme à la revendication 1, dans lequel les bornes (13) du circuit micro-électronique (1) sont à une distance ((W4-W1)/2) des extrémités (51) des rubans de ligne (5) de l'ordre de 50 à 75 Am. 3 - Dispositif de connexion et protection conforme à la revendication 1 ou 2, dans lequel la fenêtre (40) a une largeur (W4) sensiblement supérieure à celle (W1) du circuit micro-électronique (1) 4 - Dispositif de connexion et protection conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la fenêtre (40) a une largeur (W4) comprise entre environ 4/3 et 6/5 de la largeur du circuit micro-électronique, de préférence inférieure à 600 Am. 5 - Dispositif de connexion et protection conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le porte-composant (3) et le circuit micro-électronique (1) ont des largeurs (W3,W1) sensiblement égales. 6 - Dispositif de connexion et protection conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit micro-électronique est composé de plusieurs circuits intégrés monolithiques à microondes (1M) alignés longitudinalement sur le portecomposant (3) et ayant leurs bornes électriques (13) alignées le long des bords longitudinaux (30) du porte-composant. 7 - Dispositif de connexion et protection conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant deux cales diélectriques (81) reposant sur le substrat (4) devant des extrémités transversales (44) de la fenêtre (40) perpendiculaires aux côtés du circuit micro-électronique (1) où sont réparties les bornes (13) du circuit micro-électronique, et une lamelle diélectrique (82) fixée sur les cales et pardessus le circuit micro-électronique. 8 - Dispositif de connexion et protection conforme à la revendication 7, dans lequel la largeur (W8) de la lamelle diélectrique (82) est supérieure à la largeur (W4) de la fenêtre (40).