FR2620275A1 - Boitier pour le montage en surface d'un composant fonctionnant en hyperfrequences - Google Patents

Boitier pour le montage en surface d'un composant fonctionnant en hyperfrequences Download PDF

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Didier Berger
Jean Doyen
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Thomson Hybrides et Microondes
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Abstract

L'invention concerne un boîtier CMS apte au fonctionnement en hautes et très hautes fréquences. Ce boîtier comprend une embase isolante 1, en céramique, sur une face de laquelle sont déposées des métallisations 4, 5 pour le report d'un composant 6 et de ses fils de connexions 7. En vue d'avoir les liaisons électriques les plus courtes possibles, les connexions extérieures sont prises par des trous métallisés 2, 3 à travers l'embase 1. Les métallisations des deux faces 4, 5 et 8, 9 sont appairées et en contact avec les trous métallisés qui les réunissent deux à deux. Détrompage par dissymétrie des métallisations 8 ou de l'embase 17. Le boîtier est fermé par enrobage 10 ou capot 11. Application au montage de circuits hybrides hyperfréquences.

Description

BOITIER POUR LE MONTAGE EN SURFACE
D'UN COMPOSANT FONCTIONNANT EN
HYPERFREQUENCES.
La présente invention concerne un boîtier céramique montable en surface, pour l'encapsulation d'un dispositif semiconducteur telle qu'une diode ou un transistor hyperfréquence. De façon à n'avoir que de très faibles longueurs de liaison électrique entre le composant à l'intérieur du boîtier et le circuit sur lequel est soudé le boîtier, les liaisons électriques sont effectées par trous métallisés à travers l'embase du boitier, qui est une petite plaquette de matériaux diélectrique telle qu'une céramique Des métallisations localisées sur les deux faces de la plaquette permettent de recevoir le composant et ses connexions d'un côté de la plaquette et d'établir les contacts avec le circuit extérieur sur l'autre côté de la plaquette. Un enrobage ou un capot, côté composant, achève ce boîtier qui fonctionne entre 1,5 MHz et 40 GHz.
Des boîtiers d'encapsulation de composant semiconducteurs utilisant comme embase une plaquette de céramique sont connus, et ils furent même les premiers types de boîtier utilisés pour les circuits intégrés. On connaît par exemple les boîtiers plats, ou "flat pack", les boîtiers DIL céramique-métal ou plus récemment les porteurs de puces "Chip
Carrier". Dans les deux premiers types, les connections externes sont constituées par une grille métallique, découpée, qui entoure la puce et repose sur l'embase diélectrique : selon l'application les connexions extérieures sont à plat ou repliées à angle droit. Dans les Chip Carrier, les connexions extérieures sont soit constituées par une grille métallique repliée extérieurement sur l'embase, soit serigraphié.Mais dans tous ces cas, d'une part les dimensions du boîtier, beaucoup plus grand que la puce qu'il protége, sont prévues pour permettre une manipulation aisée, et d'autre part les longueurs des liaisons électriques n'interviennent pas. Avec des circuits intégrés ou composant silicium fonctionnant à des vitesses relativement lentes (5 MHz), la longueur d'une connexion de sortie est pratiquement sans influence. Les Chip carrier les plus petits, disponsibles dans le commerce, font de l'ordre de 5ml de côté avec passage des connexions de sortie entre l'embase et le capot, à travers une épaisseur de verre. Mais ces boîtiers ne conviennent pas pour encapsuler un composant hyperfréquence, travaillant entre 1 et 40 GHz par exemple : les capacités des selfs de connexion de sortie sont trop importantes.
L'invention propose un boîtier pour le montage en surface dont les dimensions sont étudiées pour le fonctionnement en haute et très haute fréquence. De plus, il est prévu pour la facilité du montage de la puce dans le boîtier et pour la commodité de manipulation. Il comporte essentiellement une plaquette isolante, munie sur ses deux faces de métallisation appairées : à une métallisation sur une face correspond une métallisation sur une autre face. Les liaisons entre deux métallisations appairées sont prises au plus court, à travers des trous percés dans la plaquette, et soit métallisés, remplis d'une pâte conductrice, soit bouchés par un morceau de fil métallique, en contact avec les métallisations.Sur une face de l'embase, le composant est fixé sur une métallisation, et des fils ou rubans métalliques établissent les liaisons entre les électrodes d'accès du composant et les autres métallisations.
Sur l'autre face de l'embase les métallisations sont brasées sur les pistes correspondantes aux circuits extérieurs. Le boîtier est rendu étanche par enrobage de la face composant, ou hérmétique par soudure d'un capot.
De façon plus précise l'invention concerne un boîtier pour le montage en surface d'un composant en hyperfréquence, comportant une embase en matériau isolant, sur une première face de laquelle sont déposées au moins deux métallisations pour le report d'un composant et d'au moins une de ses connexions d'accès, ce boîtier étant caractérisé en ce que les liaisons électriques entre le composant encapsulé et un circuit extérieur sont assurées par au moins deux trous métallisés à travers l'embase, ces trous métallisés établissant au plus court un contact entre les métallisations portées par la première face de l'embase et les métallisations, déposées sur la deuxième face de l'embase, ces dernières étant destinées au report du boîtier, par soudure, sur un circuit extérieur.
L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple d'application, et de différentes formes, cette description s'appuyant sur les figures -jointes en annexe qui représentent - Figure 1 : vue en coupe d'un boîtier montable en surface, pour l'encapsulation étanche d'un composant haute et très haute fréquence.
- Figure 2 : vue en plan de la face inférieure de l'embase isolante du boîtier de la figure précédente, pour un composant à deux connexions d'accès.
- Figure 3 : vue en coupe d'un boîtier montable en surface pour encapsulation hermétique.
- Figure 4 : vue en plan d'un boîtier montable en surface à plus de deux connexions d'accés.
- Figure 5 : vue en plan d'un boîtier montable en surface pour circuit intégré.
La figure 1 représente la vue en coupe d'un boîtier montable en surface, dans une réalisation étanche. Ce boîtier est établi à partir d'une plaquette de matériau isolant diélectrique, qui sert d'embase 1. Cette embase est de dimensions qui sont justes suffisantes pour pouvoir y fixer une puce semiconductrice et prendre les connexions autour de cette puce : elle peut faire par exemple deux millimètres de côté. A travers l'embase sont percés deux trous 2 et 3 en des positions appropriées et qui seront précisées ultérieurement. Sur une première face de l'embase 1 sont déposées au moins deux métallisations, en couches minces ou en couches épaisses, de 4 et 5. L'une au moins parmi les métallisations, la métallisation 4 sur la figure 1, est de dimensions appropriées pour recevoir la puce du composant semi-conducteur 6.L'autre, ou les autres métallisations 5, sont de dimensions appropriées pour qu'un fil ou un ruban métallique 7 puisse y être soudé, ou thermo compressé afin de prendre les contacts électriques sur les plôts de sortie du composant semiconducteur 6. Sur l'autre face de l'embase 1 sont déposées une même pluralité de métallisations 8 et 9 que celles qui sont déposées en 4 et 5 sur la première face.
L'aspect important de ce boîtier montable en surface est que les métallisations telles que 4 et 8 ou 5 et 9 sont appairées, et qu'au moins une partie de chacune des métallisations, sur les deux faces de l'embase 1, recouvre le trou 2 ou 3 qui réunit entre elles deux métallisations 4 et 8 ou 5 et 9 par le chemin électrique le plus court qu'il soit possible de concevoir. En effet les trous 2 et 3 percés dans l'embase 1 sont soit métallisés par une pâte conductrice qui est soumise à la cuisson en même temps que les métallisations de surface 4,5,8 et 9, soit ils sont bouchés au moyen d'un élément de fil conducteur, dont la nature du métal dépend de la nature des métallisations déposées en surface de l'embase. Ce peut être un élément de fil de cuivre, d'aluminium ou d'or ou de tout autre métal bon conducteur de l'électricité.
Le matériau choisi pour réaliser l'embase 1 est un isolant telle qu'une céramique, alumine ou céramique plus sophistiquée pour les hyperfréquences, et sa rigidité diélectrique , ses pertes, sa conductivité thermique et son coefficient de dilatation sont compatibles avec l'utilisation que l'on veut faire du boîtier, et la nature ou la puissance de la puce semiconductrice qui est montée dans ce boîtier. C'est de toute façon un matériau très rigide, de telle sorte que l'épaisseur dans l'embase I peut être très fine, tel que 200 microns d'épaisseur. Ainsi la longueur de liaisons électriques qui remplissent les trous 2 et 3 perforés à travers l'embase 1 est minimale.
L'encapsulation du composant semiconducteur peut être achevé par moulage, du côté du composant naturellement, par une résine silicone par exemple et le profil de cette encapsulation est représenté en 10.
Ce type de boîtier a de nombreux avantages: sa surface inférieure est parfaitement plane, à l'épaisseur des métallisations près, mais qui est sans commune mesure avec les connexions de sortie de boîtier tels que les boîtiers DIL : par conséquent c'est un boîtier parfaitement adapté au montage en surface sur des circuits hybrides fonctionnant en haute et très haute fréquence. Puisqu'il a été conçu pour avoir une longueur de liaison minimale entre le composant et le circuit extérieur dans lequel ce composant 6 doit venir s'imbriquer, ce boîtier est de faible encombrement, bien qu'il possède un nombre de sortie qui n'est pas limité : un exemple en est donné en figure 5.
Par ailleurs en raison des très faibles longueurs de liaisons électrique, les éléments parasites tels que capacité et self qui, normalement, se développent rapidement dans le domaine des hypérfréquences, sont très faibles : les métallisations appairées sur les deux faces de l'embase ne présentent pas de capacités puisqu'elles sont court circuitées par les trous métallisés 2 et 3, et ceux-ci eux mêmes ne présentent quasiment pas de selfs. L'épaisseur de la plaquette d'embase 1 étant faible, et le matériau étant choisi avec une bonne conductibilité thermique, la résistance thermique du boîtier est faible. En outre l'adaptation d'impédance à une valeur normalisée de 50. Ohms est possible, en Jouant sur les dimensions des métallisations, et sur le diamètre des trous métallisés 2 et 3.Enfin il est possible de détromper le boîtier de plusieurs façons, dont l'une est représentée en figure 2 et il est également possible de blinder, contre les rayonnements électromagnétiques, le composant encapsulé en recouvrant au moins l'enrobage plastique 10 par une peinture ou une laque conductrice de l'électricité, cette laque conductrice pouvant par ailleurs être mise à la masse par la tranche de l'embase 1.
La Figure 2 représente la vue en plan de la face intérieure du boîtier de la figure 1. Elle a pour principal objet de montrer qu'il est possible de détromper le boîtier, c'est à dire de repérer par exemple l'anode et la cathode d'une diode en faisant au moins une métallisation différente des autres. Sur cette figure 2 la métallisation 8 est plus grande que la métallisation 9, ce qui permet de reconnaître celle des métallisations qui est liée par exemple au substrat du composant encapsulé 6. Bien entendu ces métallisations doivent recouvrir les trous métallisés 2 et 3, avec lesquels les contacts peuvent être établis par des moyens connus de l'homme de l'art selon qu'il s'agit d'éléments de film métallique ou d'un bouchage d'un trou dans la céramique au moyen d'une pâte conductrice.
La figure 3 présente une variante du boîtier selon l'invention, dans le cas où il est nécessaire que l'encapsulation soit hermétique. Pour des matériels destinés à l'espace, ou militaires, il est préférable que l'enrobage plastique 10 soit remplacé par un capot métallique 11, qui est fixé sur l'embase 1 par un Joint 12 de verre ou de brasure.
Si le composant encapsulé est par exemple la puce d'un transistor hyperfréquence, la face inférieure du boîtier d'encapsulation est représentée en figure 4, et elle comporte trois métallisations 8,9 et 13 pour la source, la grille et le drain du transistor. La métallisation 4 sur laquelle est soudée la puce de transistor est représentée en pointillés et elle doit correspondre au moins en partie à la métallisation 8 avec laquelle elle est appairée. En outre pour détromper le boîtier il est possible de réaliser par exemple une métallisaton 8 qui soit plus grande : ce sera par exemple la métallisation de source.
Enfin, ce boîtier est applicable également à des circuits intégrés en haute et très haute fréquence, et la vue en plan de la face Inférieure d'un tel boîtier de circuit intégré est représentée en figure 5. De même qu'en figure 4 la trace de la métallisation 4 sur laquelle est fixée la puce du circuit intégré est représentée en pointillés. Les différentes métallisations 14,15,16 etc... sont portées à la périphérie de l'embase 1, qui est alors préférablement de forme carrée, ou rectangulaire s'il y a un grand nombre de connexions d'accès au circuit intégré. L'une de ces métallisations, la métallisation 16 peut être réalisée plus grande que les autres pour détromper le boîtier et repérer par exemple le substrat du circuit integré. Mais en outre l'un des coins de l'embase 1, peut être tronqué en 17 de façon à donner une origine au numérotage des métallisations de report du boîtier sur un circuit extérieur.
Le boîtier selon l'invention est utilisé pour reporter des composants tels que des diodes, Si ou AsGa de tous types (PIN, varactors), des transistors, des capacités MOS, des résistances silicium ou des circuits intégrés GaAs sur des plaquettes de céramiques qui supportent les circuits hybrides hyperfréquences ou, de façon plus générale sur les supports de circuits imprimés, mais il est préférablement utilisé dans le domaine des hyperfréquences, entre 1,5 Mhz et une quarantaine de gigahertz, car des solutions simples existent également pour les basses fréquences, dans le montage en surface de composants. Il est précisé par les revendications suivantes.

Claims (9)

IONDICATIONS
1 - Bottier pour le montage en surface d'un composant fonctionnant en hyperfrequence, comportant une embase (1) en matériau isolant, sur une première face de laquelle sont déposées au moins deux métallisations (4,5) pour le report d'un composant (6) et d'au moins une des ses connexions d'accès, ce boîtier étant caractérisé en ce que les liaisons électriques entre le composant (6) encapsulé et un cirucit extérieur sont assurées par au moins deux trous métallisés (2,3) à travers l'embase (1), ces trous métallisés (2,3) établissant au plus court un contact entre les métallisations (4,5) portées par la première face de l'embase (1) et des métallisations (8,9), déposées sur la deuxième face de l'embase (1), ces dernières (8,9) étant destinées au rapport du boîtier, par soudure, sur un circuit extérieur.
2 - Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (2,3) dans l'embase (1) sont rendus conducteurs par une pâte conductrice.
3 - Bottier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (2,3) dans l'embase (1) sont rendus conducteurs par un élément de fil métallique.
4 - Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les métallisations (4,5) de la première face de l'embase (1) et les métallisations (8,9) de la deuxième face de l'embase sont appairées, et recouvrent chacune une extrémité du trou métallisé (2,3) qui les relie électriquement.
5 - Bottier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un enrobage polymère (10) du composant encapsulé (6) et de ses fils de liaisons (7) avec les métallisations (5) de la première face de l'embase (1).
6 - Boîtier selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est blindé contre les radiations électromagnétiques par une peinture ou une laque conductrice qui recouvre l'enrobage (10).
7 - Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un capot (11) métallique de protection du composant encapsulé (6), ce capot (11) étant soudé ou collé (12) sur l'embase (1).
8 - Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détrompage de ses métallisations (8,9) de report sur un circuit extérieur est obtenu par dissymétrie des dites métallisations (8).
9 - Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détrompage de ses métallisations (14,15 > 16....) de report sur un circuit extérieur est obtenu par une entaille (17) d'un coin de l'embase isolante (1).
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