Brevet FR2923009A1 — publié le 20090501

DETECTEUR DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE ET NOTAMMENT DETECTEUR INFRAROUGE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un détecteur de rayonnement électromagnétique, et plus particulièrement un détecteur de rayonnement infrarouge. Elle concerne plus spécifiquement de tels détecteurs devant être encapsulés sous vide ou sous atmosphère contrôlée. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE De manière traditionnelle, les détecteurs de rayonnement électromagnétiques sont formés sur un substrat de nature appropriée, par exemple de type semi-conducteur 15 (silicium, etc.) Certains de ces détecteurs nécessitent pour leur fonctionnement de travailler sous vide ou sous atmosphère contrôlée (pression réduite de gaz lourd par exemple, etc...) et généralement, de manière hermétique par rapport à l'atmosphère ambiante. 20 On leur adjoint de fait un boîtier ou capot de protection afin de définir une cavité au-dessus dudit détecteur, renfermant l'atmosphère contrôlée adéquate ou le vide. Ce boîtier intègre une fenêtre transparente aux rayonnements à détecter par le détecteur, voire une lentille de concentration du rayonnement au niveau dudit détecteur. 25 La mise en oeuvre d'une telle encapsulation doit être compatible avec un certain nombre de caractéristiques, économiques et techniques, parmi lesquelles : - la taille : les boîtiers d'encapsulation doivent être les plus petits possibles, en raison notamment de leur intégration dans des dispositifs pour lesquels par nature ou par destination, l'encombrement est un souci permanent ; 30 - le coût, défini par les coûts cumulés des constituants et des techniques d'assemblage, ainsi que le rendement de ces technologies ; - la durée de vie liée à l'évolution de la pression au sein du boîtier qui doit rester suffisamment basse pendant toute la durée de vie du produit. 35 Ces différents impératifs sont particulièrement avérés dans le domaine des puces optiques d'imagerie, et de manière générale, aux rétines d'imagerie infrarouge à base de microbolomètres. 10 On a représenté en relation avec les figures 1 et 2 une vue en section schématique d'un tel principe d'encapsulation de détecteurs. Fondamentalement, le détecteur proprement dit (3) est déposé sur un substrat (2), lui-même déposé sur la base (4) d'un boîtier (1) formant cavité (8). Cette cavité est hermétiquement scellée par une fenêtre (6) transparente aux rayonnements de longueurs d'ondes à détecter, ladite fenêtre étant susceptible d'être maintenue en place au moyen d'un porte-fenêtre (7), hermétiquement scellé sur le boîtier. On souhaite disposer, après scellement, d'un taux de fuite inférieur à 10-12 millibars.litre/seconde à l'hélium. La cavité est conditionnée sous vide à une pression inférieure à 10-2 millibars pendant toute la durée de vie du produit. Afin de garantir une durée de vie satisfaisante du détecteur ainsi encapsulé, et typiquement de l'ordre de dix ans à température ambiante, le conditionnement sous vide des détecteurs, infrarouges notamment, est réalisé suivant un cycle de dégazage sous un vide poussé de l'ordre de 10-6 millibars à une température donnée. Cette température est limitée par les sous-ensembles constituant les détecteurs et par les technologies d'assemblage et de scellement mises en oeuvre. Typiquement, la plage de températures utilisée pour les procédés de dégazage de détecteurs infrarouges s'étend de 70°C à 350°C. Plus la température de dégazage est élevée, plus le cycle de dégazage peut être court, ce qui impacte directement les capacités de production, et par voie de conséquence, améliore les coûts de fabrication d'un tel détecteur. Par ailleurs, les formats de tels composants étant de plus en plus importants en termes de nombre de pixels (format), il est nécessaire d'assembler des pièces de boîtier de dimensions de plus en plus importantes. De plus, les matériaux assemblés présentent parfois des différences de coefficient de dilatation thermique importantes. Ainsi, et dans le cas de détecteurs infrarouges notamment, on utilise couramment, pour la réalisation du boîtier, un alliage de fer, nickel et cobalt à faible coefficient de dilatation thermique et commercialisé par exemple sous la marque déposée KOVAR�, ou de l'alumine, et pour la fenêtre transparente aux rayons infrarouges, du germanium. En effet, ce dernier présente, de manière connue, de bonnes caractéristiques optiques dans la gamme de longueurs d'ondes de l'infrarouge, outre un coefficient de dilatation adapté aux matériaux constitutifs du boîtier. Cependant, le coût du germanium est élevé, de sorte qu'il est de plus en plus souvent remplacé par du silicium pour des questions économiques. Cependant, le silicium présente un coefficient de dilatation thermique moins bien adapté aux matériaux utilisés usuellement pour le boîtier, typiquement de l'ordre de 3 ppm par degré pour le silicium, contre 6 ppm par degré pour les matériaux du boîtier et le germanium. Ce faisant, les contraintes et les déformations générées par ces assemblages silicium/KOVAR� ou silicium/alumine dans le cadre de la réalisation de tels boîtiers, réduisent la fiabilité, voire rendent impossibles les assemblages hermétiques, d'autant plus que les températures d'assemblage ou de dégazage sont élevées. Or, il est rappelé que la température d'assemblage, notamment de dégazage, doit être la plus haute possible pour garantir une durée de vie satisfaisante du détecteur. La présente invention a pour objectif de pallier ces inconvénients et de permettre la réalisation de tels détecteurs encapsulés présentant une grande fiabilité, outre une longévité compatible avec les données économiques en vigueur. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc un détecteur de rayonnements électromagnétiques et notamment infrarouges à encapsulation étanche ou hermétique, comprenant un support destiné à recevoir un ou plusieurs détecteurs, ledit support comportant une base et des parois latérales définissant une cavité, ladite cavité étant obturée par une fenêtre transparente dans la gamme de longueurs d'ondes de sensibilité du ou des détecteurs. Selon l'invention, ladite fenêtre est rapportée sur un porte-fenêtre scellé hermétiquement sur le bord supérieur des parois latérales du support, ledit porte fenêtre n'étant pas inscrit dans un plan unique et étant pourvu d'une zone d'absorption de contraintes, périphérique par rapport à la fenêtre, et s'étendant selon une direction autre que celles du plan principal dans lequel s'inscrit la fenêtre ou d'un plan parallèle à celle-ci. Cette zone est qualifiée d'ondulée, ou � d'ondulation � dans la suite du document.35 En d'autres termes, l'invention consiste à conférer au porte-fenêtre une forme appropriée pour permettre d'absorber les phénomènes de dilatation thermique nés des procédures de dégazage et de scellement associées, mises en oeuvre pour l'encapsulation et résultant de l'utilisation de matériaux de coefficient de dilatation thermique différents tout en conservant le scellement hermétique requis pour l'application envisagée. Selon l'invention, la zone ondulée du porte-fenêtre s'étend préférentiellement selon un périmètre fermé, c'est-à-dire s'étend de manière continue sur toute la périphérie 10 de la fenêtre. Selon une autre variante de l'invention, le porte-fenêtre s'étend selon deux plans parallèles reliés entre eux par une zone linéaire ou non linéaire, ladite zone étant destinée à permettre l'absorption des phénomènes de dilatation thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la base et les parois latérales de la cavité sont réalisées en alliage fer, cobalt et nickel et notamment KOVAR� ou en alumine, et le porte-fenêtre est réalisé en métal, typiquement un alliage du type � FeNi36 � ou � FeNi42 � selon la terminologie normalisée du métier. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans 25 lesquels : les figures 1 et 2 sont, comme déjà dit, des vues schématiques en section d'un boîtier d'encapsulation d'un détecteur selon l'état antérieur de la technique ; la figure 3 est une représentation schématique en section d'un détecteur encapsulé conforme à l'invention ; 30 la figure 4 est une représentation schématique en section d'une autre forme de réalisation d'un détecteur encapsulé conforme à l'invention. MODE DE REALISATION DE L'INVENTION 35 On a représenté en relation avec les figures 3 et 4 le détecteur encapsulé conforme à l'invention. 15 20 Fondamentalement, le détecteur proprement dit (3) est rapporté ou formé sur un substrat (2) par exemple en silicium, lui-même fixé par collage ou brasage sur la base (4) d'un boîtier (1). La base (4) est en outre surmontée de parois latérales (5) périphériques, lesdites parois (5) étant réalisées soit par report d'un cadre métallique ou d'alliage fer, cobalt, nickel type KOVAR�, soit par construction de couches céramiques (alumine), voire même une combinaison des deux. Le boîtier définit donc une cavité (8), scellée hermétiquement par une fenêtre transparente (6) dans la gamme de longueurs d'ondes du détecteur (3), en l'espèce infrarouge, et plus particulièrement entre 8 et 14 �m, ladite fenêtre étant elle-même rapportée sur un porte-fenêtre (7), métallique, scellé hermétiquement sur le rebord ou bord supérieur des parois latérales (5). Selon l'invention, ce porte-fenêtre (7) présente une ondulation (9) tel qu'on peut bien l'observer sur la figure 3. Cette ondulation, ménagée à la périphérie de la fenêtre (6), s'étend dans une direction autre que celles du plan principal dans lequel s'inscrit la fenêtre (6) ou un plan parallèle à celle-ci. En l'espèce, l'ondulation (9) s'étend dans un plan vertical et court latéralement (parallèlement au plan principal) préférentiellement sur toute la périphérie de la fenêtre. Le porte-fenêtre (7) muni de son ondulation (9) étant réalisé en un matériau, et notamment en métal capable de se déformer dans son domaine élastique sous les contraintes générées par les différences des coefficients de dilatation thermique entre la fenêtre (6) et le boîtier (1), permet ainsi d'absorber ces phénomènes de dilatation thermique lors de la phase de refroidissement après dégazage et scellement, imprimée à l'ensemble et telle que mentionnée précédemment. Ce faisant, on conserve l'étanchéité ou l'herméticité requises pour la réalisation de tels détecteurs. En d'autres termes, le porte-fenêtre (7) peut se déformer librement dans son plan sans reporter des contraintes générées par le boîtier vers la fenêtre (6). Ce faisant, il devient possible de mettre en oeuvre les matériaux les plus adaptés pour la fenêtre, typiquement du silicium, quels que soient le ou les matériaux constitutifs du support (4, 5) et ce, sans observer les problèmes mécaniques de rupture, de descellement, de fatigue sous sollicitation répétée. De fait, on n'observe plus de perte d'intégrité physique, voire de fuite, même du composant ainsi réalisé. Au surplus, il devient possible de mettre en oeuvre des températures plus élevées pour l'assemblage de composants, outre pour la phase de dégazage et de scellement. En effet, même lorsque l'assemblage est réalisé à haute température sur des pièces de grande dimension, les contraintes mécaniques élevées apparaissent lors du refroidissement dès que toutes les jonctions fusibles sont solidifiées, en particulier entre la fenêtre (6) et le boîtier (4, 5), contraintes qui sont absorbées par le porte- fenêtre (7) qui se déforme au niveau de son ondulation (9). Au surplus, l'ondulation (9) du porte-fenêtre peut dépasser le plan supérieur de ladite fenêtre. Ce faisant, elle assure également la protection de la fenêtre contre les agressions mécaniques extérieures nées des chocs et autres frottements divers en phase d'intégration en caméra par exemple. Selon un autre mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4, l'ondulation (9) est remplacée par l'architecture suivante : le porte-fenêtre (7) s'étend selon deux plans principaux (10) et (11) reliés entre eux par un plan intermédiaire (12). Plus précisément, la fenêtre (6) est rapportée sur le plan inférieur (11) du porte-fenêtre (7), plan inférieur (11) qui, relié au plan supérieur (10), permet son scellement hermétique sur le bord supérieur des parois (5) du support. La déformation du porte-fenêtre intervient donc au niveau de la zone de liaison (12) qui permet d'absorber les contraintes mécaniques nées des dilatation thermiques. Là encore, dans cette forme de réalisation, la fenêtre (6) est protégée mécaniquement des agressions mécaniques extérieures en raison de son positionnement selon un volume inscrit dans le volume défini par les variation du plan constitutif du porte-fenêtre (7). On conçoit dès lors, qu'en raison de la structure particulière du porte fenêtre de l'invention, il devient possible de s'affranchir des problèmes nés des phénomènes de dilatation thermique, tout en ayant recours à des matériaux moins coûteux que ceux mis en oeuvre dans l'art antérieur pour s'opposer à de tels phénomènes. On garantit ainsi la longévité requise des détecteurs fonctionnant sous atmosphère contrôlée ou sous vide, et notamment les détecteurs infrarouges. REVENDICATIONS 1. Détecteur de rayonnements électromagnétiques et notamment infrarouges à encapsulation étanche ou hermétique comprenant un support (4, 5) destiné à recevoir un ou plusieurs détecteurs (2, 3), ledit support comportant une base (4) et des parois latérales (5) définissant une cavité (8), ladite cavité étant obturée par une fenêtre (6) transparente dans la gamme de longueurs d'ondes de sensibilité du ou des détecteurs, caractérisé en ce que ladite fenêtre (6) est rapportée sur un porte-fenêtre (7) scellé hermétiquement sur le bord supérieur des parois latérales (5) du support, ledit porte fenêtre (7) n'étant pas inscrit dans un plan unique et étant pourvu d'une zone d'absorption de contraintes (9, 12), périphérique par rapport à la fenêtre, et s'étendant selon une direction autre que celles du plan principal dans lequel s'inscrit la fenêtre ou d'un plan parallèle à celle-ci. 2. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte fenêtre (7) est sensiblement plan et dont la zone d'absorption de contraintes est constituée d'une ondulation (9) s'étendant hors dudit plan. 3. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte fenêtre s'étend sensiblement selon deux plans (10, 11) parallèles entre eux, et en ce que la zone d'absorption de contraintes est constituée d'une zone (12) reliant les deux plans (10, 11). 4. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone d'absorption de contraintes (9, 12) du porte fenêtre (7) s'étend selon un périmètre fermé. 30 5. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la base (4) et les parois latérales (5) définissant la cavité (8) sont réalisées en alliage fer, cobalt et nickel et notamment KOVAR� ou en alumine. 35 6. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le porte-fenêtre (7) est réalisé en métal de type alliage fer-nickel. 25 7. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fenêtre (6) est réalisée en silicium.