Brevet FR2849344A1 — publié le 20040625

La présente invention concerne une traversée électrique étanche d'un boîtier pour connecter électriquement un circuit électronique placé dans le boîtier avec des composants placés à l'extérieur du boîtier Elle s'applique notamment aux bottiers microélectroniques hermétiques utilisés dans des applications hyperfréquences. Un boîtier microélectronique comprend des composants non protégés (puces électroniques nues) montés sur un circuit Ces composants sont enfermés dans le boîtier pour être protégés de l'humidité et, plus généralement de l'environnement extérieur Le boîtier peut être fermé par un 10 couvercle soudé au laser Un gaz neutre (azote, argon, hélium) peut être enfermé à l'intérieur du boîtier pour éviter toute humidité. Certaines normes imposent au boîtier un seuil d'étanchéité élevé, notamment dans le domaine des boîtiers hyperfréquences La norme américaine MIL-STD-883 impose un débit de fuite inférieur à 5 10-8 15 atm cm 3/seconde Ces boîtiers sont dits hermétiques. Un problème est de réaliser des entrées-sorties pour connecter électriquement les composants placés dans un boîtier étanche ou hermétique avec des composants placés à l'extérieur du boîtier. Traditionnellement, on utilise des "perles de verre" pour réaliser des 20 traversées de la cloison du boîtier Ces perles de verres sont destinées aux connexions basses fréquences On trouvera un exemple de perle de verre dans le document de brevet FR 2642257 A 1. Les perles de verre sont des composants chers Leur montage n'est pas automatisable car il faut les raccorder aux composants à l'intérieur 25 et à l'extérieur avec beaucoup de précision, ce qui n'est pas possible avec les machines qui réalisent les soudures par ultrasons De plus, il est nécessaire de réaliser un traitement de surface (argenture par exemple) du boîtier pour braser ces perles de verre, ce traitement de surface devant ensuite être enlevé par endroits pour réaliser une soudure laser du couvercle 30 fermant le boîtier de manière étanche ou hermétique. L'invention apporte une solution plus simple à ce problème de traversée électrique de boîtiers étanches ou hermétiques A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comprenant au moins: un boîtier présentant au moins une ouverture; un circuit électronique dont au moins une partie forme un prolongement, le circuit électronique à l'exception du prolongement étant destiné à être placé dans le boîtier, le prolongement traversant l'ouverture de manière à pouvoir être connecté électriquement à l'extérieure du boîtier; des moyens fermant l'ouverture pour rendre le boîtier étanche. L'invention présente l'avantage d'apporter une fiabilité accrue vis à vis des fuites De plus, il n'est pas nécessaire de réaliser de traitement de surface de qualité élevée L'invention permet d'économiser des connecteurs 10 en réalisant des connexions directes sur le circuit électronique L'invention permet de regrouper des conducteurs sur le prolongement du circuit, formant ainsi une traversée multiple. Certains boîtiers microélectroniques comprennent des fonctions hyperfréquences et des fonctions basses fréquences Ces boîtiers ont 15 généralement une architecture dite en H, avec des fonctions hyperfréquences d'un côté du H, et des fonctions basses fréquences de l'autre côté Les fonctions hyperfréquences sont réalisées avec des puces nues qui sont dans une zone hermétique du boîtier Le raccordement électrique entre les fonctions hyperfréquences et basses fréquences est 20 réalisé par des perles de verre (connexions basses fréquences) Les fonctions hyperfréquences sont raccordées à d'autres fonctions hyperfréquences à l'extérieur de la zone hermétique par des connecteurs coaxiaux (connexions hyperfréquences). Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le circuit 25 est un circuit multicouche comprenant au moins un plan de masse, des fonctions hyperfréquences étant placées d'un côté du plan de masse, des connexions basses fréquences (pour les signaux de commande et/ou d'alimentation) étant placées de l'autre côté du plan de masse, les fonctions hyperfréquences étant reliées aux connexions basses fréquences 30 par des trous métallisés à travers le plan de masse On peut ainsi utiliser un boîtier ayant une forme plus simple, en U. Selon un mode de réalisation avantageux, des composants hyperfréquences sont montés directement sur le circuit ou par l'intermédiaire d'un ou plusieurs supports en céramique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée suivante présentée à titre d'illustration non limitative et faite en référence aux figures annexées, lesquelles représentent: la figure 1, un exemple de boîtier comprenant des perles de verre pour réaliser des raccordements; la figure 2, un exemple d'application de l'invention dans un module d'un équipement de contre-mesure; la figure 3, un exemple de dispositif selon l'invention dans une vue en perspective; la figure 4, le dispositif représenté sur la figure 3 dans une vue en coupe 10 montrant un exemple de moyens fermant l'ouverture du boîtier; la figure 5, un détail de la figure 4 montrant les moyens fermant l'ouverture du boîtier; la figure 6, un détail de la figure 4 montrant un circuit multicouche; la figure 7, une vue en coupe montrant en détail le circuit multicouche 15 représenté sur la figure 6. On se réfère maintenant à la figure 1 sur laquelle est représenté un exemple de boîtier comprenant des perles de verre pour réaliser des raccordements Le boîtier comprend essentiellement une paroi 3 séparant hermétiquement une zone intérieure 1 d'une zone extérieure 2 Un premier 20 circuit est placé dans la zone hermétique Il comprend un substrat isolant 5 dont un côté est recouvert d'un dépôt conducteur formant une masse 6 Des composants 4, tel qu'une puce nue (par exemple en As Ga) sont placés de l'autre côté du circuit Un second circuit 11 est placé à l'extérieur 2 du boîtier. Le second circuit 11 comprend des fonctions basses fréquences de 25 commande et d'alimentation Les deux circuits sont connectés par des perles de verre Une perle de verre 7 comprend une tige centrale conductrice 8, entourée par un élément en verre 12 isolant, lui-même entourée d'un tube métallique 13 La tige 8, l'élément en verre 12 et le tube 13 sont logés dans un trou réalisé dans la paroi 3 du boîtier Des extrémités de la tige dépassent 30 de part et d'autre de la paroi Une extrémité de la tige est raccordée par un fil 9 à l'un des composants 4 placé à l'intérieur 1 du boîtier L'autre extrémité de la tige est raccordée à une piste ou un composant du circuit 11 placé à l'extérieur 2 du boîtier Un signal basse fréquence passe à travers la tige Le tube 13 est raccordé par brasure 14 à la surface du trou, de manière à 35 fermer le trou de façon hermétique Ceci implique donc que la surface du boîtier, au moins à l'intérieur du trou, est métallisée La tâche consistant à raccorder les fils 9, 10 au bout de la tige 8, demandant beaucoup de précision, n'est pas automatisable De plus, la mise en place et la brasure de la perle de verre 7 n'est pas automatisable. On se réfère maintenant à la figure 2 sur laquelle est représenté 5 un exemple d'utilisation de l'invention dans un équipement de contre-mesure. L'équipement de contre-mesure comprend des modules amovibles Un module 20 comprend une antenne 21, par exemple guide d'onde L'antenne 21 est reliée à un circuit diviseur 22 de type circuit imprimé faisant partie intégrante du module 20 Le circuit diviseur 22 est relié à un boîtier 10 microélectronique 23 monté sur un support mécanique 24 L'invention est appliquée à ce boîtier microélectronique 23 Le boîtier microélectronique est relié à une carte de commande et d'alimentation 25 de type circuit imprimé. Le boîtier microélectronique 23, le support mécanique 24 et la carte de commande et d'alimentation 26 font partie intégrante du module 20 Le 15 boîtier microélectronique 23 est relié par des connecteurs coaxiaux 28 au circuit diviseur d'une part, à des composants en dehors du module d'autre part Les connecteurs coaxiaux 28 forment des entrées-sorties hyperfréquences Un connecteur basse fréquence 26 permet de relier la carte de commande et d'alimentation 26 au boîtier 23. On se réfère maintenant à la figure 3 sur laquelle est représenté un exemple de dispositif selon l'invention Le dispositif comprend le boîtier 23 Le bottier peut être formé par deux pièces: une pièce 32 en forme du U et un couvercle 34 Le boîtier présente au moins une ouverture 33 Cette ouverture peut être formée par une fente 33 traversant la paroi de la pièce 32 25 en forme de U Le dispositif comprend aussi un circuit électronique 30, de type circuit imprimé Au moins une partie du circuit électronique 30 forme un prolongement Le prolongement peut être une languette s'étendant à partir d'un bord du circuit Le circuit électronique 30, à l'exception de son prolongement, est destiné à être placé dans le boîtier Lorsque le circuit 30 électronique 30 est dans le boîtier, des moyens de fermeture sont prévus pour rendre le boîtier étanche ou hermétique. Lorsque le circuit électronique 30 est dans le boîtier, le prolongement 31 traverse l'ouverture 33 de manière à pouvoir être connecté électriquement à l'extérieur du boîtier A cet effet, des pistes sont prévues 35 dans le circuit électronique 30, ces pistes étant aussi sur le prolongement 31. Ainsi, l'invention permet de remplacer l'opération de câblage sur des tiges par une opération de câblage sur des pistes, cette dernière étant automatisable. De plus, dans les dispositifs à base de perles de verre, il était 5 nécessaire de prévoir un traitement de surface pour braser ces perles de verres Ce traitement de surface peut être supprimé grâce à l'invention. Toutefois, même si l'invention permet de s'affranchir d'un traitement de surface pour les entrées-sorties basses fréquences (les perles de verre sont supprimées), elle ne le permet pas pour les entrées-sorties 10 hyperfréquences classiques, c'est à dire formées par des connecteurs coaxiaux brasés sur le boîtier. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, des connecteurs coaxiaux 28 sont munis de joints et vissés (au lieu d'être brasés) sur le boîtier 23 Ainsi, on ne réalise plus aucune brasure sur le 15 boîtier. On peut réaliser un traitement de surface pour former une liaison de masse hyperfréquence entre la masse du circuit et la masse du connecteur Ce traitement de surface toutefois n'est pas prévu pour réaliser des brasures Pour assurer la fonction de retour de masse entre le circuit 30 20 et les connecteurs hyperfréquences 28 (voir figure 2) un traitement de surface bas cot tel que l'alodine (chromatation chimique) est suffisant dans la plupart des applications hyperfréquences. Selon un autre mode de réalisation, des entrées-sorties hyperfréquences peuvent être réalisées dans le prolongement du circuit lui25 même On peut ainsi supprimer totalement les connecteurs coaxiaux (non représenté) Le boîtier peut alors être non conducteur, par exemple en plastique Les signaux hyperfréquence peuvent être par exemple acheminés entre deux plans de masse du circuit, formant ainsi l'équivalent d'un câble blindé (piste entourée de deux plans isolants, eux-mêmes entourés de deux 30 plans de masses). On se réfère maintenant aux figures 4 et 5 sur lesquelles est représenté un exemple de moyens fermant l'ouverture 33 du boîtier Lorsque le circuit électronique 30 est en place dans le boîtier 32, 34, on remplit l'ouverture 33 de colle 53 De préférence, on utilise une colle 35 microélectronique, c'est à dire une colle électriquement neutre et n'émettant pas de solvant La colle de remplissage peut être une colle Epoxy ou Silicone De préférence, la composition de la colle est adaptée pour effectuer des remplissages De préférence, la colle ne nécessite pas d'agent primaire pour adhérer à la surface du boîtier. Avantageusement, I'ouverture 33 est formée par une cavité 51 débouchant sur une fente 52 La cavité peut déboucher sur le côté extérieur 2 et la fente sur le côté intérieur 1 ou réciproquement La section de la fente 52 est légèrement supérieure à celle de la languette 31 afin de permettre d'y insérer la languette La cavité 51 est destinée à être remplie de colle 53. 10 L'épaisseur L de la cavité est déterminée en fonction de la porosité de la colle pour assurer le niveau d'étanchéité souhaité L'épaisseur L permet en outre d'assurer un bon collage (surface de collage importante) Par exemple pour obtenir un boîtier hermétique, l'épaisseur L peut être de l'ordre de 7 à 8 mm. Des dilatations différentielles du boîtier et du circuit peuvent entraîner des contraintes de cisaillement sur la colle 53 Par exemple le circuit électronique 30 peut se déplacer dans son plan par rapport au boîtier de quelques centièmes de mm Ces contraintes de cisaillement risquent de fissurer la colle 53, faisant diminuer le niveau d'étanchéité du boîtier. Avantageusement, afin de résoudre ce problème, la cavité 51 présente une section supérieure à la section de la languette 31 La section de la cavité est telle que la distance, entre la languette 31 et la surface de la cavité (formée par la pièce 32 dans cet exemple), est supérieure à une distance E déterminée La distance E et la souplesse de la colle sont 25 déterminées pour permettre à la colle 53 de résister aux contraintes de cisaillement En outre, la cavité 51 laissant un vide de largeur E entre le circuit 30 et le boîtier, I'opération de remplissage de colle est plus aisée et plus fiable On peut prévoir une distance E de l'ordre de 4 mm par exemple. Si la colle de remplissage 53 est trop fluide pour rester en place 30 dans la cavité 51, on peut prévoir une seconde colle formant un joint 54 dans la fente 52 On choisit une seconde colle moins fluide, avec laquelle on bouche la fente 52 La seconde colle peut être appliquée avec une seringue. Elle peut ensuite être durcie par polymérisation On peut ensuite appliquer la colle de remplissage 53 dans la cavité 51, le joint 54 I'empêchant de couler 35 dans le boîtier (ou à l'extérieur si la cavité débouche à l'intérieur du boîtier). Selon un mode de réalisation avantageux, la languette 31 est munie d'au moins un connecteur 35 Lors des opérations de maintenance par exemple, ce connecteur permet de démonter le boîtier du module (voir figure 2) sans avoir à réaliser de soudure Sans ce connecteur, il serait nécessaire de réaliser des soudures au bout des pistes, sur la languette 31. Les circuits réalisés en céramique sont durs et fragiles Par conséquent, ces circuits peuvent se casser s'ils sont trop grand On limite pour cette raison usuellement leur taille à 40 ou 50 mm de côté. Selon un mode de réalisation avantageux, le circuit est réalisé en 10 matière organique (fibre de verre et résine par exemple) Les circuits réalisés en matière organique étant plus souples, ils peuvent se conformer à la surface du boîtier On peut ainsi réaliser des circuits de grande taille, par exemple avec un côté de l'ordre de 150 mm En outre, le circuit organique permet de réaliser des interconnexions et il est plus facile à découper que de 15 la céramique Le circuit électronique 30 peut être fixé par vis au fond du boîtier, c'est à dire de la pièce 32 dans cet exemple (voir figure 4). Selon un mode de réalisation avantageux, le boîtier est réalisé en aluminium L'aluminium présente une meilleure conduction thermique que le Dilver ("Kovar" dans la littérature anglo-saxonne) ou le titane En outre il est 20 plus facile à usiner, cote moins cher, et est plus léger. On se réfère maintenant aux figures 6 et 7 sur lesquelles est représenté un mode de réalisation avantageux dans lequel le circuit est un circuit multicouche Il peut comprendre par exemple quatre couches 63, 64, 65, 66, ces couches étant des couches conductrices, isolées entre elles par 25 des couches isolantes (par conséquent au nombre de trois). Au moins une des couches 64 forme un plan de masse Des fonctions hyperfréquences sont placées d'un côté 62 du plan de masse, sur une couche 63 Des connexions basses fréquences peuvent être placées de l'autre côté 61 du plan de masse Les fonctions hyperfréquences peuvent 30 être reliées aux connexions basses fréquences par des trous métallisés 67 a à travers le plan de masse 64. Avantageusement, les signaux basses fréquence sont acheminés par une couche 65 du circuit multicouche Le trou métallisé 67 a permet au signal basse fréquence de passer à travers le plan de masse 64 du circuit, le 35 trou métallisé étant relié à une piste à l'intérieur du circuit Un second trou métallisé 67 b (dans le prolongement du circuit) permet connecter la piste à la surface du circuit, en traversant à nouveau le plan de masse 64. Avantageusement, le circuit multicouche comprend au moins un second plan de masse 66 Les signaux basses fréquences sont acheminés 5 entre les deux plans de masses 64, 66 Avantageusement, des trous métallisés (non représentés) peuvent relier les plans de masse entre eux, formant ainsi un blindage dans le plan du circuit. Le circuit 30 peut être plaqué contre le fond du boîtier, le plan de masse 66 étant en contact avec le fond du boîtier Si le fond du boîtier est 10 conducteur, des évidements peuvent y être réalisés en regard des trous métallisés 67 a (voir figure 6) pour assurer une isolation électrique. Selon un mode de réalisation non représenté, des fonctions basses fréquences peuvent aussi être placées dans le boîtier Ces fonctions peuvent être des fonctions de commande et d'alimentation Elles peuvent 15 être placées sur la surface du circuit multicouche opposée à celle comprenant des fonctions hyperfréquences De cette manière, les fonctions basses fréquences et les fonctions hyperfréquences sont séparées par un plan de masse. On se réfère maintenant à la figure 7 On peut réaliser un circuit 20 multicouche tel que celui représenté sur la figure 6 à partir de deux plaques de substrat 71, 73 Ces deux plaques sont gravées de part et d'autre Ainsi on grave d'un côté de la première plaque, la première couche 63 d'un côté, et la seconde couche 64 de l'autre côté La première couche 63 comprend des pistes gravées La seconde couche 64 est destinée à former le premier 25 plan de masse du circuit multicouche On grave d'un côté de la seconde plaque la troisième couche 65 et la quatrième couche 66 de l'autre côté La troisième couche comprend des pistes gravées (du circuit de commande et d'alimentation par exemple) La quatrième couche 66 est destinée à former le second plan de masse du circuit multicouche La deuxième couche 64 30 (première plaque 71) est enduite d'une couche de colle isolante 72 a La troisième couche 65 (seconde plaque 73) est elle aussi enduite d'une couche de colle isolante 72 b Les deux couches de colles 72 a et 72 b sont appliquées l'une contre l'autre de manière à former une couche isolante du circuit multicouche. Bien entendu, I'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation Plusieurs prolongements du circuit peuvent sortir du boîtier par autant d'ouvertures Ceci permet de réduire la longueur des pistes. REVENDICATIONS 1 Dispositif comprenant au moins: un boîtier ( 33, 34) présentant au moins une ouverture ( 33); un circuit électronique ( 30) dont au moins une partie forme un prolongement ( 31), le circuit électronique à l'exception du prolongement 5 étant destiné à être placé dans le boîtier, le prolongement traversant l'ouverture de manière à pouvoir être connecté électriquement à l'extérieure du boîtier; des moyens fermant l'ouverture pour rendre le boîtier étanche. 2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le prolongement est une languette s'étendant à partir d'un bord du circuit. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens fermant l'ouverture sont formés par une colle ( 53) remplissant l'ouverture autour du prolongement. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le prolongement est muni d'au moins un connecteur ( 35). 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit est réalisé en matière organique. 6 Dispositif selon la revendication 5, dans lequel des composants hyperfréquences sont montés directement sur le circuit ou par l'intermédiaire 25 d'un ou plusieurs supports en céramique. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit est un circuit multicouche comprenant au moins un plan de masse ( 64), des fonctions hyperfréquences étant placées d'un côté ( 62) du 30 plan de masse, des connexions basses fréquences étant placées de l'autre côté ( 61) du plan de masse, les fonctions hyperfréquences étant reliées aux connexions basses fréquences par des trous métallisés à travers le plan de masse. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des connecteurs coaxiaux munis de joints, vissés sur le boîtier.