FR2663159A1 - Hermetic packaging system for a hybrid module - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME DE CONDITIONNEMENT HERMETIQUE
D'UN MODULE HYBRIDE.HERMETIC CONDITIONING SYSTEM
OF A HYBRID MODULE.
La présente invention concerne un système de conditionnement hermétique d'un module de circuit hybride, qui permet de supprimer le boîtier métallique généralement utilisé pour protéger un circuit hybride. Selon ce système de conditionnement, les connexions électriques extérieures sont reportées dans le substrat du circuit hybride. The present invention relates to a hermetic packaging system for a hybrid circuit module, which makes it possible to eliminate the metal case generally used to protect a hybrid circuit. According to this conditioning system, the external electrical connections are transferred to the substrate of the hybrid circuit.
Les modules électroniques hybrides destinés à des applications professionnelles sont fréquemment protégés par des boîtiers métalliques hermétiques, qui comportent dans leurs parois latérales des trous permettant le passage de broches métalliques qui constituent les connexions d'accès extérieures du module hybride. Un exemple - parmi d'autres - de ce type de circuit hybride encapsulé est donné en figure 1. Hybrid electronic modules intended for professional applications are frequently protected by hermetic metal cases, which have holes in their side walls allowing the passage of metal pins which constitute the external access connections of the hybrid module. One example - among others - of this type of encapsulated hybrid circuit is given in Figure 1.
Un circuit hybride, comprenant des composants actifs et passifs 1 rapportés sur un substrat 2, est fixé sur le fond d'un boîtier métallique 3 fermé par un couvercle 4. Les accès électriques entre l'intérieur et l'extérieur du boitier se font par des broches métalliques 5 qui sont fixées à travers les parois latérales du boîtier 1. A hybrid circuit, comprising active and passive components 1 attached to a substrate 2, is fixed to the bottom of a metal case 3 closed by a cover 4. The electrical accesses between the inside and the outside of the case are made by metal pins 5 which are fixed through the side walls of the housing 1.
L'herméticité de ce module électronique, au niveau des broches 5 est assurée par des perles de verre 6, selon la technique de scellement verre-métal. The hermeticity of this electronic module, at the level of the pins 5 is ensured by glass beads 6, according to the glass-metal sealing technique.
Ce type de conditionnement impose d'utiliser pour le métal du boîtier - des alliages ayant un coefficient de dilatation accordé à celui des verres de scellement 6 dans la gamme de température de réalisation du boîtier et d'utilisation du module (environ de 600 C à + 9000 C). Peu d'alliages répondent à ces caractéristiques, le plus utilisé étant le kovar, alliage ternaire de fer, de cobalt et de nikel. (technique de scellement verre accordé) - des alliages ayant des tenues mécaniques élevées, notamment le module de Young, comme par exemple l'acier (technique de scellement verre en compression). This type of packaging makes it necessary to use for the metal of the housing - alloys having a coefficient of expansion granted to that of the sealing glasses 6 in the temperature range of production of the housing and use of the module (about 600 ° C. to + 9000 C). Few alloys meet these characteristics, the most used being kovar, a ternary alloy of iron, cobalt and nikel. (tuned glass sealing technique) - alloys with high mechanical strengths, in particular the Young's modulus, such as steel (compression glass sealing technique).
Les inconvénients de ce type de conditionnement sont de plusieurs types - coût du boîtier élevé surtout pour un boîtier réalisé sur mesures : difficulté et précision d'usinage, rendement de scellement. The disadvantages of this type of packaging are of several types - high case cost, especially for a case made to measure: difficulty and precision of machining, sealing efficiency.
- poids élevé et conductivité thermique faible surtout pour le kovar - coefficient de dilatation non accordé à celui des substrats verre, alumine etc... utilisés en microélectronique hybride dans le cas de l'acier, - nécessité de reporter le boîtier sur un support par exemple circuit imprimé classique avec soudage des broches ou de l'enficher dans un connecteur. Ces modes de report rendent difficiles l'intégration de radiateurs dans le cas de dissipation élevée.- high weight and low thermal conductivity especially for kovar - coefficient of expansion not accorded to that of glass substrates, alumina etc ... used in hybrid microelectronics in the case of steel, - need to transfer the housing to a support by example classic printed circuit with soldering of the pins or plugging it into a connector. These transfer modes make it difficult to integrate radiators in the case of high dissipation.
Pour pallier à ces inconvénients, et cependant conserver une protection du circuit hybride, l'invention propose une structure permettant de supprimer le boîtier métallique. Le système est composé de deux parties. La face du circuit hybride qui supporte les composants actifs et passifs est protégée par un cadre et un couvercle. La face du côté substrat est collée sur un support, par exemple en alliage d'aluminium. Le substrat du circuit hybride passe entre le support et le cadre - et non plus à l'intérieur du cadre comme dans l'art connu - et les broches d'accès traversent le substrat et le support, ce qui évite les scellements verre-métal. To overcome these drawbacks, and yet keep the hybrid circuit protected, the invention provides a structure for eliminating the metal case. The system is made up of two parts. The face of the hybrid circuit which supports the active and passive components is protected by a frame and a cover. The face of the substrate side is bonded to a support, for example made of aluminum alloy. The substrate of the hybrid circuit passes between the support and the frame - and no longer inside the frame as in the known art - and the access pins pass through the substrate and the support, which avoids glass-metal seals .
De façon plus précise l'invention concerne un système de conditionnement hermétique d'un module de circuit hybride, comprenant un substrat isolant sur lequel sont rapportés des composants actifs et passifs, reliés par un circuit d'interconnexions et protégés de façon hermétique par un cadre et un couvercle, ce système étant caractérisé en ce que les connexions d'accès extérieures du circuit hybride sont fixées sur au moins un côté du substrat, les liaisons électriques entre l'intérieur et l'extérieur du système de conditionnement étant portées par le substrat. More specifically, the invention relates to a hermetic packaging system for a hybrid circuit module, comprising an insulating substrate on which active and passive components are attached, connected by an interconnection circuit and hermetically protected by a frame. and a cover, this system being characterized in that the external access connections of the hybrid circuit are fixed on at least one side of the substrate, the electrical connections between the interior and the exterior of the packaging system being carried by the substrate .
L'invention sera mieux comprise par la description de deux exemples de réalisations, appuyée sur les figures jointes en annexes qui représentent - figure 1 : vue en coupe d'un circuit hybride encapsulé selon l'art connu, exposé précédemment, - figures 2 et 3 : système de conditionnement d'un circuit hybride selon l'invention, dans deux formes de réalisation. The invention will be better understood from the description of two exemplary embodiments, based on the appended figures which represent - FIG. 1: sectional view of a hybrid circuit encapsulated according to the known art, explained above, - Figures 2 and 3: system for conditioning a hybrid circuit according to the invention, in two embodiments.
La figure 2 montre comment un circuit hybride classique, ne comportant de composants actifs et passifs que sur une seule face du substrat, peut être protégé de façon hermétique, en s'affranchissant d'un boîtier entièrement métallique et des scellements verre-métal inhérents. FIG. 2 shows how a conventional hybrid circuit, comprising active and passive components only on one side of the substrate, can be hermetically protected, by dispensing with an entirely metallic casing and inherent glass-metal seals.
Ce module de circuit hybride comporte un substrat principal 7, sur lequel sont rapportés des composants 8 et éventuellement des macro-composants 9 tels qu'un substrat secondaire haute densité à plusieurs couches de polymide. Tous les types de substrats connus, simple couche ou multicouches, cocuits, couches minces ou épaisses, entrent dans le domaine de l'invention. This hybrid circuit module comprises a main substrate 7, on which components 8 and possibly macro-components 9 are attached, such as a high density secondary substrate with several layers of polymide. All types of known substrates, single layer or multilayer, cocooked, thin or thick layers, fall within the scope of the invention.
L'une des particularités de ce substrat 7, pour être utilisable selon l'invention, est d'être prolongé, sur au moins un bord latéral, par une bande 10 dont on verra plus loin qu'elle sert à supporter les connexions d'accès extérieures, dans une forme de réalisation. One of the features of this substrate 7, to be usable according to the invention, is to be extended, on at least one lateral edge, by a strip 10 which we will see later that it serves to support the connections of external access, in one embodiment.
Les composants 8,9 de ce circuit hybride sont protégés de façon hermétique contre les agressions mécaniques, électriques ou gazeuses, par un cadre il et un couvercle 12. The components 8, 9 of this hybrid circuit are hermetically protected against mechanical, electrical or gaseous attack, by a frame il and a cover 12.
Le cadre et le couvercle assurent la fonction herméticité du module. Le cadre 11 peut être réalisé en kovar ou en alumine métallisée comportant un anneau en kovar permettant la soudure du couvercle. Le couvercle 12 peut être réalisé en kovar ou en nickel par gravure chimique ou découpe laser. Le cadre est soudé sur le substrat principal 7 de telle façon qu'il n'englobe pas la bande latérale 10 du substrat 7. The frame and the cover ensure the hermetic function of the module. The frame 11 can be made of kovar or metallized alumina comprising a kovar ring allowing the welding of the cover. The cover 12 can be made of kovar or nickel by chemical etching or laser cutting. The frame is welded to the main substrate 7 so that it does not include the side strip 10 of the substrate 7.
La face du substrat 7 qui ne supporte pas de composants 8,9 est collée, par l'intermédiaire d'un film souple 13, sur un support épais 14, qui est avantageusement en alliage d'aluminium, en raison de ses bonnes qualités thermiques. The face of the substrate 7 which does not support components 8, 9 is bonded, by means of a flexible film 13, to a thick support 14, which is advantageously made of aluminum alloy, due to its good thermal qualities. .
Le support 14 en alliage d'aluminium assure trois fonctions - la fonction support mécanique rigide, - la fonction dissipateur de chaleur, - la fonction fixation mécanique. Sa surface est dépendante de la fonction électronique intégrée. Son épaisseur dépend de la puissance dissipée par le module. Il peut comporter des ailettes permettant d'améliorer les échanges thermiques sur sa face libre (non représentées sur la figure 2). The support 14 made of aluminum alloy performs three functions - the rigid mechanical support function, - the heat sink function, - the mechanical fixing function. Its surface is dependent on the integrated electronic function. Its thickness depends on the power dissipated by the module. It may include fins making it possible to improve the heat exchanges on its free face (not shown in FIG. 2).
Ainsi, le circuit hybride se trouve pris en sandwich entre un support qui sert de radiateur et un cadre de protection hermétique. Thus, the hybrid circuit is sandwiched between a support which serves as a radiator and an airtight protective frame.
Les accès électriques extérieurs mettent en oeuvre plusieurs moyens qui font partie de la technologie courante des circuits hybrides, mais qui évitent de recourir aux scellements à travers le cadre 11. Ils se font à travers le substrat principal 7, qui assure quatre fonctions - fonction support de composants, - fonction support d'interconnexion de faible densité, - fonction herméticité du module, - fonction entrée-sortie des signaux électriques par l'intermédiaire des broches. The external electrical accesses employ several means which are part of the current technology of hybrid circuits, but which avoid resorting to seals through the frame 11. They are made through the main substrate 7, which performs four functions - support function of components, - low density interconnection support function, - hermeticity function of the module, - input-output function of the electrical signals via the pins.
Les interconnexions à faible densité qui sont supportées par la face supérieure du substrat 7 passent sur la face inférieure par l'intermédiaire de trous métallisés 15. The low density interconnections which are supported by the upper face of the substrate 7 pass on the lower face by means of metallized holes 15.
Elles sont isolées du support métallique 14 par le film isolant 13, et certaines d'entre elles se dirigent vers la zone 10 du substrat qui est située en dehors du cadre 11 : le franchissement de l'intérieur vers l'extérieur du dispositif de conditionnement hermétique se fait non plus à travers les parois latérales, mais par le substrat 7. Dans la zone extérieure 10, les pistes métalliques de ces interconnexions sont soudées sur des broches 16, en forme de clous, qui traversent le substrat.They are isolated from the metal support 14 by the insulating film 13, and some of them are directed towards the zone 10 of the substrate which is situated outside the frame 11: the crossing from the inside towards the outside of the packaging device. hermetic is no longer done through the side walls, but through the substrate 7. In the external zone 10, the metal tracks of these interconnections are welded on pins 16, in the form of nails, which pass through the substrate.
Un trou 17, pratiqué dans le support métallique 14, évite que les broches 16 ne soient court-circuitées.A hole 17, made in the metal support 14, prevents the pins 16 from being short-circuited.
Les broches 16 peuvent être perpendiculaires au substrat, mais elles peuvent aussi, comme représenté en pointillés sur la figure 2, être recourbées et parallèles au substrat. Les sections et espacements des broches sont compatibles avec les connecteurs existant sur le marché. The pins 16 can be perpendicular to the substrate, but they can also, as shown in dotted lines in FIG. 2, be bent and parallel to the substrate. The sections and spacing of the pins are compatible with existing connectors on the market.
Le système de conditionnement de la figure 2 permet - soit de fixer un radiateur, à ailettes par exemple, sur la face libre du support métallique 14, - soit de réaliser une structure double face, en montant deux dispositifs, semblables à celui représenté, sur les deux faces d'un unique support métallique 14. Dans ce cas, les liaisons électriques entre les deux circuits sont réalisées par des broches telles que 16 qui coopèrent avec des trous métallisés. The packaging system of FIG. 2 allows - either to fix a radiator, with fins for example, on the free face of the metal support 14, - or to produce a double-sided structure, by mounting two devices, similar to that shown, on the two faces of a single metal support 14. In this case, the electrical connections between the two circuits are produced by pins such as 16 which cooperate with metallized holes.
Selon les impératifs de montage du circuit hybride, il peut être intéressant qu'il se présente selon la variante de réalisation représentée en figure 3. Dans cette variante, les broches de sorties 16 sortent à travers le support métallique 14, par la face inférieure du système. Deux cas sont alors possibles - soit le substrat 7 comprend une région 10 extérieure au cadre 11, comme représenté en figure 2, ce qui permet d'avoir une connectique de chaque côté du substrat 7, - soit le substrat 7 est complètement recouvert par le cadre 11 et le couvercle 12, les broches 16 sont à l'intérieur du boîtier, et toutes sortent du boîtier par sa face inférieure, à travers le substrat. Depending on the mounting requirements of the hybrid circuit, it may be advantageous for it to be present according to the variant embodiment shown in FIG. 3. In this variant, the output pins 16 exit through the metal support 14, through the underside of the system. Two cases are then possible - either the substrate 7 comprises a region 10 external to the frame 11, as shown in FIG. 2, which makes it possible to have a connection on each side of the substrate 7, - or the substrate 7 is completely covered by the frame 11 and the cover 12, the pins 16 are inside the case, and all of them come out of the case by its underside, through the substrate.
Ce type de conditionnement permet - de réduire de manière non négligeable le coût des modules, - d'intégrer directement le radiateur au module, - d'augmenter fortement la dissipation thermique donc la densité de puissance, - de diminuer le poids et le volume du module pour une fonction électronique donnée, - de supprimer les opérations de câblage par soudure, - de permettre le démontage du module sans détérioration. This type of packaging makes it possible - to significantly reduce the cost of the modules, - to integrate the radiator directly into the module, - to greatly increase the heat dissipation and therefore the power density, - to reduce the weight and volume of the module for a given electronic function, - to eliminate wiring operations by soldering, - to allow dismantling of the module without deterioration.
En effet, le montage du module est aisé. Indeed, the assembly of the module is easy.
Le substrat principal est réalisé, par exemple, en technologie double face couche mince à trous métallisés. The main substrate is produced, for example, in double-sided thin layer technology with metallized holes.
Sur ce substrat sont reportés, par exemple, par soudure à l'aide de préformes Au/Sn le cadre et les broches d'entrées-sorties. Ce report est effectué en une seule opération dans un four à passage multi-zones, et il est suivi d'un test d'herméticité du joint du soudure entre le substrat et le cadre. On this substrate are transferred, for example, by welding using Au / Sn preforms the frame and the input-output pins. This transfer is carried out in a single operation in a multi-zone passage oven, and it is followed by a hermetic seal test of the weld between the substrate and the frame.
Le substrat principal muni de son cadre et de ses broches est ensuite reporté sur le support métallique par collage à l'aide d'un film souple. Celui-ci permet d'amortir lors des variations de température la différence entre les coefficients de température du substrat principal et du support métallique. The main substrate provided with its frame and its pins is then transferred to the metal support by bonding using a flexible film. This makes it possible to dampen during temperature variations the difference between the temperature coefficients of the main substrate and the metal support.
L'opération suivante consiste à reporter et à interconnecter les composants sur le substrat principal selon les techniques classiques utilisées en microélectronique hybride. On peut aussi reporter un substrat grande densité lui-même muni de ses composants, par exemple un substrat en technologie multicouche mince. The following operation consists in transferring and interconnecting the components on the main substrate according to the conventional techniques used in hybrid microelectronics. It is also possible to transfer a high density substrate itself provided with its components, for example a substrate in thin multilayer technology.
La dernière opération consiste à fermer le module à l'aide du couvercle. La fermeture peut être réalisée par soudure laser, soudure électrique ou par soudure à l'aide d'une préforme. The last step is to close the module with the cover. The closure can be achieved by laser welding, electrical welding or by welding using a preform.
L'invention a été décrite en s'appuyant sur un exemple de réalisation, mais des variantes évidentes pour l'homme de l'art sont possibles, sans sortir du domaine de l'invention qui est précisée par les revendications suivantes. The invention has been described on the basis of an exemplary embodiment, but variants obvious to those skilled in the art are possible, without departing from the scope of the invention which is specified by the following claims.
Claims (7)
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| FR9007281A FR2663159B1 (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | SYSTEM FOR HERMETICALLY CONDITIONING A HYBRID MODULE. |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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| FR2663159A1 true FR2663159A1 (en) | 1991-12-13 |
| FR2663159B1 FR2663159B1 (en) | 1997-01-24 |
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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Citations (2)
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| EP0228953A1 (en) * | 1985-12-17 | 1987-07-15 | Thomson-Csf | Encapsulation housing for an electronic circuit |
| DE3936322A1 (en) * | 1988-11-03 | 1990-05-10 | Micro Strates Inc | CERAMIC SUBSTRATE WITH METAL-FILLED THROUGH HOLES FOR HYBRID MICROCIRCUITS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF |
-
1990
- 1990-06-12 FR FR9007281A patent/FR2663159B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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| EP0228953A1 (en) * | 1985-12-17 | 1987-07-15 | Thomson-Csf | Encapsulation housing for an electronic circuit |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PROCEEDINGS OF THE IEEE 1989 NATIONAL AEROSPACE AND ELECTRONICS CONFERENCE vol.4,22-26 mai 1986 New York, NY pages 1682 - 1688; J.J. Licari: "Fabrication and packaging of high-density multichip interconnect (HDMI) substrates" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2663159B1 (en) | 1997-01-24 |
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