Brevet FR2842353A1 — publié le 20040116

DETECTEUR DE GRANDEUR DYNAMIQUE A SEMI-CONDUCTEURS La présente invention est relative à un détecteur de grandeur dynamique à semi-conducteurs et concerne plus particulièrement un adhésif pour coller une puce de détection. Du verre à bas point de fusion a été utilisé comme colle pour coller, par exemple, sur une membrane métallique une puce de détection de pression qui constitue un détecteur de grandeur dynamique à semi-conducteurs. Les verres à bas point de fusion sont classés en verre avec plomb ou sans plomb en raison de considérations écologiques, et en particulier les verres avec plomb qui contiennent de l'oxyde de plomb posent un problème lors de leur utilisation compte tenu de récentes atteintes à l'environnement. D'autre part, les verres sans plomb nécessitent une température de collage par exemple de 400 à 500'C, car il est difficile d'abaisser le point de fusion sans ajouter de l'oxyde de plomb. Par conséquent, les problèmes qui se posent sont qu'une énergie thermique supplémentaire est nécessaire pour le collage ou que la puce de détection peut être endommagée par la température de collage. Depuis quelques années, on étudie la fixation de la puce de détection à l'aide d'une résine organique, qui permettrait un collage à basse température. Cependant, d'après les résultats d'études menées par les inventeurs de la présente invention, si on utilisait comme adhésif une résine organique telle qu'une résine époxy, la déformation due au retrait lors de la prise deviendrait si grande que des contraintes seraient générées dans la puce de détection au point de modifier les données fournies par le détecteur. De plus, si un tel détecteur était en fait mis sous boîtier, la contrainte se relâcherait en raison du phénomène de fluage à la température d'utilisation. De ce fait, les données fournies par le détecteur auraient tendance à varier également du fait du phénomène de fluage. La présente invention a été réalisée compte tenu des aspects ci30 dessus dans le but de réaliser un détecteur de grandeur dynamique à semiconducteurs dont la variation des données produites soit relativement faible. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, un détecteur de grandeur dynamique à semi-conducteurs selon la présente invention comprend une partie de support, un adhésif et une puce de détection. L'adhésif est situé sur une surface de la partie de support. La puce de détection se trouve sur l'adhésif. La puce de détection et la partie de support ont été collées l'une à l'autre par chauffage de l'adhésif. L'adhésif a un facteur égal ou inférieur à 0,5% à la température à laquelle l'adhésif est chauffé pour coller la puce de détection et la partie de support l'une à l'autre dans le but de réduire les contraintes provoquées par le retrait de l'adhésif lors de son durcissement. Les objectifs, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres, de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ciaprès faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la Figure lA est une vue schématique en perspective d'un détecteur de pression selon une forme de réalisation de la présente invention; la Figure lB est une vue schématique en coupe en perspective du détecteur de la Figure lA, prise suivant la ligne IB-IB; la Figure 2 est une vue en plan du détecteur de la Figure lA, vue d'au-dessus de la puce de détection du détecteur de la Figure 1 A; 1 5 la Figure 3 est une courbe qui illustre la corrélation entre les données fournies par le détecteur et le facteur de déformation; la Figure 4 est un tableau qui indique les paramètres d'une simulation; et la Figure 5 est un graphique qui illustre la corrélation entre les données fournies par le détecteur et le temps au facteur de déformation à 120'C. On va maintenant décrire la présente invention en détail en référence à diverses formes de réalisation. Première forme de réalisation La Figure lA est une vue schématique en perspective d'un détecteur de pression 1 constituant un exemple de la présente invention. Le détecteur de pression 1, qui est un détecteur de grandeur dynamique à semi-conducteurs, peut par exemple servir à commander la pression d'injection de carburant du moteur ou la pression de freinage dans un véhicule. Le détecteur de pression 1 comprend une tige métallique 3, ou une platine métallique 3, qui comporte une membrane métallique 2 en forme de disque, ou une partie de support 2. Le détecteur de pression 1 comprend également un adhésif 4 et une puce de détection 5. La puce de détection 5 a été collée à la surface supérieure de la partie de support 2 à une température de collage prédéterminée à l'aide de l'adhésif 4. Comme représenté sur les figures lA et 1B, la tige métallique 3 a une cavité 6 sous la surface supérieure o se trouve la puce de détection 5. Un agent de pression prédéterminé tel qu'un gaz et un liquide est introduit dans la cavité 6, et la pression de l'agent de pression est détecté d'après la déformation de la partie de support 2 et la déformation de la puce de détection 5. La température de collage au moment du collage de la puce de détection 5 à la partie de support 2 à l'aide de l'adhésif 4 est de préférence égale ou inférieure à 350'C. Si la température de collage est supérieure à 350'C, les éléments constituant la puce de détection 5, qui ne sont pas représentés sur la figure, peuvent être détruits par la chaleur. Dans la présente invention, comme décrit plus loin, il est possible de faire suffisamment adhérer l'une à l'autre la puce de détection 5 et la partie de support 2 à une température basse inférieure à 3500 en utilisant comme adhésif 4 une résine organique. De plus, il est possible de réduire le cot en réduisant la consommation d'énergie thermique lors de l'étape de collage grâce au collage à basse température. La tige métallique 3 est par exemple en KOVAR, qui est un alliage de FeNi-Co. La tige métallique 3 doit de préférence être en matière à coefficient de dilatation linéaire le plus proche possible de celui de la puce de détection 5. La tige métallique 3 comporte la cavité 6, qui a été usinée en forme de cylindre par coupe, et la partie de support 2, qui est une membrane, se trouve à une extrémité de la tige métallique 3. Comme illustré par une flèche sur la Figure 1B, l'agent de pression est introduit dans la cavité 6 par son entrée pour mettre sous pression la partie de support 2. La puce de détection 5 est par exemple constituée par un substrat carré en silicium monocristallin, donc un substrat semiconducteur. La puce de détection 5 a été fixée à la surface supérieure de la partie de support 2, sur une première surface de celle-ci, à l'aide de l'adhésif 4. Bien que cela ne soit pas illustré sur la figure, dans une deuxième surface de la puce de détection 5, opposée à la première surface, quatre éléments piézorésistifs à résistance prédéterminée ont été formés et installés à des emplacements prédéterminés. Les éléments piézorésistifs constituent un montage en pont en combinaison avec des conducteurs et des électrodes, qui ne sont pas non plus représentés sur la figure. La deuxième surface a été couverte d'un film de passivation tel que du nitrure de silicium, qui n'est pas non plus représenté sur la figure. Le détecteur de pression 1 détecte une pression de la manière suivante. Lorsqu'une pression est appliquée dans la direction indiquée par la flèche de la Figure 1B, la partie de support 2 et la puce de détection 5 sont déformées par l'agent de pression pour générer une contrainte dans la puce de détection 5. A cet instant, chacun des éléments piézorésistifs précités a son propre niveau de contrainte. La différence entre les niveaux de contraintes provoque la variation des données fournies par le détecteur, et la variation des données fournies par le détecteur est détectée comme variation de la pression. Une résine organique, un polymère à cristaux liquides, une matière obtenue en ajoutant une charge organique dans une résine organique, ou une matière hybride dans laquelle une résine organique et une charge inorganique ont été chimiquement associées peut servir d'adhésif 4 pour coller la puce de détection 5 à la partie de support 2. La caractéristique commune des adhésifs 4 constitués des matières ci-dessus est que chacun des adhésifs 4 a un facteur de déformation égal ou inférieur à 0,5%, qui est défini d'après la valeur de retrait de chacun des adhésifs 4 au moment de leur durcissement, et que chacun des adhésifs 4 est mis en forme de film. Le facteur de déformation de l'adhésif 4 est défini par l'équation 1 ciaprès: facteur de déformation (%) = {(aa-bb)/aa} x 100 eq. 1, o aa désigne le diamètre de l'adhésif 4 avant le chauffage de l'adhésif 4 et bb désigne le diamètre de l'adhésif 4 après retrait, formé par chauffage de l'adhésif 4 à une température prédéterminée, par exemple comprise entre 100 et 250'C, pendant une durée prédéterminée, par exemple comprise entre 1 et 8 heures, pour fixer la puce de détection 5 à la partie de support 2. La Figure 3 est une courbe qui illustre la corrélation entre les données fournies par le détecteur et le facteur de déformation. Les valeurs fournies par le détecteur, reportées sur la Figure 3, ont été calculées par une simulation utilisant les paramètres énumérés sur la Figure 4. Si la tolérance concernant les données erronées du détecteur de pression 1 qui sont causées par la déformation de l'adhésif 4 est de B mV, le facteur de déformation doit être d'environ 0,5% ou moins pour que les données de détection erronées respectent la tolérance. Il peut se produire un cas dans lequel les données fournies par le détecteur de pression 1 s'écartent de leur valeur initiale à la température ambiante réelle, qui est par exemple comprise entre -40 et 120'C, lors de l'utilisation du détecteur de pression 1, même si la valeur initiale est conforme à une caractéristique prédéterminée du produit. Considérant le cas, les inventeurs de la présente invention ont confirmé, par simulation, la mesure dans laquelle les données fournies par le détecteur de pression 1 s'écartent de leur valeur initiale lorsque la contrainte générée dans la puce de détection 5 du fait du retrait de l'adhésif 4 pendant son durcissement se relâche et diminue avec le temps en raison du phénomène de fluage, à 1200C, qui constitue la valeur maximale de température ambiante réelle précitée. La Figure 5 présente les résultats de la simulation. La simulation a été réalisée en utilisant les paramètres énumérés sur la Figure 4. Sur la Figure 5, les symboles x, A et oi représentent respectivement les valeurs simulées à des facteurs de déformation de 0,5, 1,0 et 1,6%. Le symbole * représente la valeur réellement mesurée à un facteur de déformation de 1, 6%. Les facteurs de déformation ci-dessus sont obtenus respectivement en chauffant à 80'C pendant deux heures, à 150'C pendant quatre heures et à 230'C pendant une heure. Dans le cas présent, si la tolérance de l'écart par rapport aux données initiales fournies par le détecteur est de i C mV, le facteur de déformation de l'adhésif 4 doit être d'environ 0,5% ou moins, comme représenté sur la Figure 5. Par conséquent, comme il ressort des résultats présentés sur les figures 3 et 5, il est possible de contrôler les écarts par rapport aux données initiales fournies par le détecteur du fait du retrait de l'adhésif 4 lors de son durcissement et du phénomène de fluage généré à la température ambiante réelle lors de l'utilisation du détecteur de pression 1. On va maintenant fournir une explication à propos de l'adhésif 4. Si on utilisait uniquement une résine époxy comme résine organique pour l'adhésif 4, le facteur de déformation serait d'environ 1,8% en raison de la réduction de volume provoquée par le passage de la phase liquide à la phase solide et par la volatilisation du solvant à la température de collage. De ce fait, la contrainte générée dans la puce de détection 5 du fait de la déformation provoquerait une augmentation de l'écart dans les données fournies par le détecteur. Cependant, par exemple, si une fine couche de résine époxy liquide est appliquée sur un film de support en PET et autres, et subit un semidurcissement pour former un adhésif 4 en forme de film, il est possible de réduire le facteur de déformation à environ 0,5% à la température du moment o la puce de détection 5 est collée à la partie de support 2, car l'adhésif 4 est sensiblement à l'état solide, bien qu'une réaction de durcissement supplémentaire soit encore nécessaire. Par conséquent, l'adhésif 4 en forme de film peut être utilisé pour fabriquer le détecteur de pression 1. On peut signaler qu'un polyimide et un polyuréthanne peuvent être utilisés comme résine organique à la place de la résine époxy. Selon une autre possibilité, un adhésif en forme de film 4 peut être formé à l'aide d'un polymère à cristaux liquides à la place de la résine époxy liquide. Un polymère à cristaux liquides est cristallin à l'état liquide, si bien qu'il n'y a pas la réduction de volume provoquée pendant le passage de la phase amorphe à la phase cristalline dans des résines organiques ordinaires, et le facteur de contraction global est relativement faible. De plus, un polymère à cristaux liquides a une orientation et est orienté dans sa direction d'écoulement, aussi le coefficient de dilatation linéaire dans la direction est-il extrêmement faible. Par conséquent, il est possible de réduire le facteur de déformation de l'adhésif 4 à 0,5% ou moins en utilisant un polymère à cristaux liquides comme résine organique pour l'adhésif 4, et il également possible de réduire à environ 0,05 mV l'écart des données fournies à la température ambiante réelle lors de l'utilisation du détecteur de pression 1. Selon une autre possibilité, comme décrit plus haut, une matière obtenue en ajoutant une quantité prédéterminée de charge inorganique dans une résine organique peut être utilisée pour l'adhésif 4 afin de coller la puce de détection à la partie de support 2. En particulier, par exemple, la matière réalisée en ajoutant du silicium monocristallin ou de l'oxyde de silicium dans une résine époxy, un polyimide ou un polyuréthanne dans une proportion de 70 à 90% en poids pour 10 à % en poids peut être mise en forme de film. Le coefficient de dilatation linéaire de la résine organique atteint par exemple 40 à 70 ppm. Cependant, il est possible de rendre le coefficient de dilatation linéaire de l'adhésif 4 proche de celui du substrat en silicium utilisé comme substrat semi-conducteur de la puce de détection 5 et de celui de la tige métallique 3 en ajoutant du silicium ou de l'oxyde de silicium pour abaisser le coefficient de dilatation linéaire. Les coefficients de dilatation linéaire du substrat en silicium et de la tige métallique 3 sont, par exemple, de 1 à 10 ppm. Il est possible de réduire chaque contrainte générée dans chaque élément en rendant le coefficient de dilatation linéaire de l'adhésif 4 proche de celui du substrat en silicium et de celui de la tige métallique 3. Dans ce cas également, il est possible de réduire le facteur de déformation à environ 0,5%. Selon une autre possibilité, comme décrit plus haut, une matière hybride dans laquelle ont été associées chimiquement une résine organique et une charge inorganique peut également être utilisée comme adhésif 4 pour coller la puce de détection 5 à la partie de support 2. Par exemple, une telle matière hybride peut être réalisée en mélangeant une quantité prédéterminée de résine époxy, qui est une résine organique, et une quantité prédéterminée d'alcoxysilane qui est une charge inorganique; et provoquer une réaction sol-gel, qui est une hydrolyse et une condensation d'alcoxysilane, par chauffage pendant 1 à 2 heures entre 100 et 200'C. Dans ce cas, il est possible de rendre le coefficient de dilatation linéaire de l'adhésif 4 proche de celui du substrat en silicium et de celui de la tige métallique 3 en ajoutant du silicium. De plus, l'adhésif 4 passe à l'état semi-durci du fait de la réaction sol-gel, aussi le facteur de déformation lors de la réaction de durcissement est-il réduit. De ce fait, il est possible de réduire à environ 0,5% le facteur de déformation. Dans la présente forme de réalisation, il est possible de réduire les contraintes provoquées par le retrait lors du durcissement de l'adhésif 4 au moment de l'étape de collage et il est possible de réduire l'écart initial des données fournies par le détecteur de pression 1 en utilisant: une résine organique; un polymère à cristaux liquides; une matière réalisée en ajoutant une charge inorganique dans une résine organique; ou une matière hybride dans laquelle une résine organique et une charge inorganique ont été chimiquement associées, comme adhésif à facteur de déformation égal ou inférieur à 0,5% lors du collage de la puce de détection 5 à la partie de support 2, en utilisant l'adhésif 4 à une température de collage prédéterminée. De plus, le relâchement des contraintes d au phénomène de fluage à la température ambiante réelle lors de l'utilisation du détecteur de pression 1 après la mise sous boîtier est réduite par la réduction des contraintes évoquées ci-dessus. Par conséquent, l'écart des données fournies par suite du relâchement des contraintes est supprimé et le détecteur de pression 1 fonctionne de manière stable. Autres formes de réalisation Dans la première forme de réalisation, l'adhésif 4 est mis en forme d'un film. Cependant, la présente invention ne se limite pas à cela, et l'adhésif 4 ne nécessite pas d'être mis en forme de film tant que le facteur de déformation de l'adhésif 4 est égal ou inférieur à 0,5% Dans la première forme de réalisation, la puce de détection 5 est collée à la membrane métallique 2 ou à la partie de support 2 à l'aide de l'adhésif 4 à facteur de déformation égal ou inférieur à 0,5%. Cependant, la partie de support 2 ne doit pas forcément être une membrane métallique et peut être réalisée avec une autre matière. REVENDICATIONS 1. Détecteur de grandeur dynamique à semi-conducteurs (1), caractérisé en ce qu'il comprend: une partie de support (2); un adhésif (4), situé sur une surface de la partie de support (2); et une puce de détection (5), située sur l'adhésif (4), la puce de détection (5) et la partie de support (2) ayant été fixées l'une à l'autre en chauffant l'adhésif (4) et l'adhésif (4) ayant un facteur de déformation égal ou inférieur à 0,5% à une température à laquelle l'adhésif (4) est chauffé pour fixer la puce de détection (5) et la partie de support (2) l'une à l'autre dans le but de réduire les contraintes provoquées par le retrait lors du durcissement de l'adhésif (4). 2. Détecteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'adhésif (4) se présente sous la forme d'un film. 3. Détecteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'adhésif (4) est en résine organique ou en polymère à cristaux liquides. 4. Détecteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'adhésif (4) est en matière réalisée en ajoutant une quantité prédéterminée d'une charge inorganique dans une résine organique. 5. Détecteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'adhésif (4) est en matière hybride dans laquelle une résine organique et une charge inorganique ont été chimiquement associés. 6. Détecteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la température à laquelle est chauffé l'adhésif (4) est égale ou inférieure à 3500C.