FR2776127A1 - Eclateur pour circuits integres mis sous module de facon hermetique - Google Patents
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Abstract
Procédé et assemblage pour un éclateur (16). L'assemblage comprend une première électrode (18) au moins partiellement conductrice; une seconde électrode (20) au moins partiellement conductrice, la première électrode et la seconde électrode étant espacées; une première couche conductrice qui est au-dessus de la première électrode (18) et une seconde couche conductrice qui est au-dessus de la seconde électrode (20); un éclateur (16) formé entre la première couche conductrice et la seconde couche conductrice; et une pluralité de résistances discrètes (24, 26) en communication électrique avec chaque couche à proximité de l'espace d'éclateur de telle sorte que les résistances absorbent l'énergie et limitent l'énergie dissipée lors d'une décharge d'étincelle dans l'espace d'éclateur.
Description
La présente invention concerne un éclateur et plus particulièrement, la
présente invention est dirigée vers un éclateur présentant une dissipation thermique améliorée pour empêcher la
formation d'une rupture de circuit dans des applications haute tension.
Les circuits intégrés en silicium se dirigent de façon inexorable vers des géométries plus fines et des fréquences plus élevées et l'utilisation de ces circuits s'étend par ailleurs dans de nouveaux domaines qui nécessitent une performance améliorée. Le plus important de ces nouveaux domaines est le domaine des hautes
1 0 tensions.
Dans l'art actuel, lorsque des tensions de fonctionnement de
circuit sont bien au-dessous du niveau exigé pour une protection vis-à-
vis d'une décharge électrostatique et que des diodes intégrées qui présentent des tensions de claquage appropriées sont souvent non
disponibles, un problème se pose.
Une complication supplémentaire dans les applications de tensions plus élevées se rapporte à l'augmentation concomitante de la quantité d'énergie qui doit être dissipée dans la diode lorsque la
tension augmente.
Au vu des complications inhérentes de l'art, les circuits intégrés
haute tension n'ont pas encore atteint leur maturité.
Au fil des années, depuis l'invention des circuits intégrés, un nombre plus important de fonctions de circuit haute tension ont été intégrées dans le circuit intégré en silicium. Avant l'arrivée de cette incorporation, les fonctions de circuit haute tension étaient mises en oeuvre à l'aide de composants discrets ou étaient conçues selon des modules hybrides. Ces deux technologies se sont avérées être peu pratiques du point de vue de l'efficacité des coûts pour une fonction de
circuit donnée.
Dans le principe, un éclateur simple pourrait être utilisé pour assurer une protection pour des circuits intégrés haute tension tout particulièrement du fait qu'il permet d'assurer une protection vis-à-vis de tensions élevées dans les deux sens. Un éclateur peut être conçu de manière à fonctionner à moins de 1000 V. Les deux problèmes à résoudre sont comment absorber en sécurité la dissipation d'énergie
augmentée et comment réduire la tension.
La présente invention vise à surmonter les limitations de l'art en ce qui concemrne la capacité de manipulation de tension et la dissipation thermique. En utilisant la technologie de la présente invention, il est possible de réduire le problème de la dissipation en faisant en sorte que la partie active de l'éclateur soit suffisamment importante de telle sorte que la chaleur soit dissipée sur une zone plus importante, ce qui
génère une augmentation beaucoup plus faible de la température.
Cependant, sans la prise d'autres mesures, la dimension du dispositif
serait importante de façon gênante.
La présente invention résout ce problème en utilisant du polysilicium (appelé aussi silicium polycristallin) en tant que matériau d'éclateur de telle sorte que le problème de dissipation soit fortement réduit. Le point de fusion plus élevé du polysilicium atténue ou supprime la formation d'un circuit ouvert et réduit la probabilité que des
voies conductrices soient formées à partir du matériau évaporé.
Selon un aspect de la présente invention, on propose un assemblage d'éclateur qui convient pour une utilisation dans un circuit intégré, comprenant: une première électrode au moins partiellement conductrice une seconde électrode au moins partiellement conductrice, la première électrode et la seconde électrode étant espacées; une première couche conductrice qui s'étend au-dessus de la
première électrode et une seconde couche conductrice qui s'étend au-
dessus de la seconde électrode; un éclateur formé entre la première couche conductrice et la seconde couche conductrice; et une pluralité de résistances discrètes en communication électrique avec chaque couche à proximité de l'espace de l'éclateur de telle sorte que les résistances absorbent l'énergie et limitent l'énergie
dissipée lors d'une décharge d'étincelle dans l'espace de l'éclateur.
Les résistances discrètes peuvent comprendre n'importe quel matériau approprié pouvant fonctionner en tant que résistance. Des exemples appropriés incluent le polysilicium, un métal réfractaire et des
alliages à point de fusion élevé.
Selon un autre aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, on propose un assemblage d'éclateur qui convient pour une utilisation dans un circuit intégré, comprenant: un module scellé hermétiquement, le module contenant: une première électrode au moins partiellement conductrice comportant une partie conductrice et une partie isolée; une seconde électrode au moins partiellement conductrice comportant une partie conductrice et une partie isolée, la première électrode et la seconde électrode étant espacées et définissant un éclateur entre elles; et une pluralité de résistances en communication électrique avec chaque électrode et l'éclateur de telle sorte qu'un courant électrique entre les électrodes soit divisé par les résistances pour réduire l'énergie thermique dissipée dans une étincelle déchargée dans
I'espace de l'éclateur.
A titre d'alternatives, un métal présentant un point de fusion plus élevé que celui de l'aluminium au lieu du polysilicium pourrait être utilisé. N'importe quelle couche de polysilicium ou n'importe quelle couche conductrice présentant un point de fusion suffisamment élevé
pourrait être utilisée pour la structure de l'éclateur.
L'invention décrite ici peut être appliquée à n'importe quel circuit intégré qui nécessite une protection à une tension élevée ou à n'importe quel type de circuit intégré, plus particulièrement lorsqu'il utilise seulement des couches conductrices qui sont communes à n'importe quel circuit intégré (par exemple des circuits intégrés MOS,
IIIN, en carbure de silicium, bipolaires).
Il est possible que l'application puisse se trouver à l'extérieur de circuits intégrés o des éclateurs définis de façon très fine sont nécessaires. Les circuits intégrés micromécaniques constituent également une technologie émergente qui est due à la découverte de l'endommagement dû à une décharge électrostatique (ESD). Ces composants tout petits seront très susceptibles vis-à-vis d'une ESD mais dans de nombreux cas, il n'y aura pas de circuit électronique pour assurer la protection par des diodes. Il serait simple et efficace du point de vue des coûts d'intégrer des éclateurs dans ces dispositifs et si
nécessaire, d'introduire un gaz spécial à la pression requise.
L'invention ayant été ainsi décrite de façon générale, référence sera maintenant faite aux dessins annexés qui représentent des modes de réalisation préférés et parmi lesquels: la figure 1 est une illustration schématique d'un assemblage d'éclateur de l'art antérieur; la figure 2 est une illustration schématique d'un mode de réalisation de la présente invention; et la figure 3 est une illustration schématique d'un autre mode de
réalisation de la présente invention.
Des index de référence similaires utilisés dans la description
permettent de repérer des éléments similaires.
Par report maintenant aux dessins, la figure 1 représente un assemblage d'éclateur indiqué de façon globale au moyen d'un index de référence 10, lequel est connu de l'art. L'agencement inclut deux conducteurs métalliques isolés 12 et 14 selon une relation
d'espacement qui forment un éclateur 16.
La figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'assemblage d'éclateur 10' selon un mode de réalisation. Selon cet agencement, les électrodes comprennent deux électrodes métalliques
isolées 18 et 20 qui sont isolées l'une de l'autre par un éclateur 16.
L'agencement 10' inclut également une couche en polysilicium au-
dessous de chaque plot de liaison 22. Celle-ci remplace un contact métal AI sur métal par un contact polysilicium sur métal au niveau du plot de liaison 22, afin d'éviter de petits contacts entre le métal et l'aluminium, qui peuvent être endommagés par la température et le courant. Par report maintenant à la figure 3, est représenté un mode de réalisation supplémentaire de l'assemblage d'éclateur de la présente invention. L'assemblage est indiqué par un index de référence 10" et il inclut des électrodes 18 et 20. Chacune des électrodes inclut en outre un réseau de résistances ballast 24 et 26 s'étendant d'un seul tenant depuis. L'assemblage 10" est très similaire à l'agencement de la figure 2. L'éclateur 16 lui-même est formé entre les longues bandes de polysilicium connectées aux électrodes 18 et 20 par les résistances 24 et 26. Les résistances 24 et 26 distribuent le courant généré pendant une décharge électrostatique le long des bandes. Lorsqu'une décharge électrostatique se produit entre les deux électrodes 18 et 20, l'éclateur 16 est soumis à un claquage du fait d'une ionisation par avalanche. La tension est divisée entre les résistances 24 et 26 qui absorbent l'énergie et qui limitent la dissipation d'énergie lors de la décharge d'étincelle. Les résistances 24, 26 contribuent à l'étalement du courant de façon régulière le long de l'éclateur 16. En ce qui concerne la valeur de la tension de claquage pour l'éclateur, le type de gaz, la longueur d'espace d'éclateur et la pression peuvent être choisis afin de produire la tension requise conformément à la loi de Pascal. Les gaz appropriés incluent les gaz nobles. Typiquement, des pressions faibles devraient être utilisées pour obtenir des tensions de claquage faibles
conformément à la loi de Panchen.
Du fait de la présence des réseaux de résistances 24 et 26, il y a une amélioration significative en ce qui concerne le chauffage et
l'érosion dans l'éclateur 16.
Bien que la figure 3 représente une pluralité de résistances selon une relation d'espacement latéral, il sera apprécié que d'autres
agencements sont possibles et sont bien connus de l'homme de l'art.
En outre, en ce qui concerne le matériau pour les résistances, n'importe quel matériau permettant de limiter le courant électrique peut être utilisé. Des exemples appropriés incluent le polysilicium, les métaux
réfractaires, le nichrome et le sichrome.
La métallisation est maintenue assez loin de l'éclateur du fait des températures élevées générées par la décharge. Une option consiste à ôter la métallisation du dispositif en plaçant du polysilicium
au-dessous du plot de liaison de telle sorte qu'aucun contact métal-
polysilicium ne soit nécessaire sur le dispositif (voir figure 2). Le chauffage et l'érosion de l'éclateur sont minimisés en constituant I'éclateur à partir de bandes parallèles massives en polysilicium au lieu d'un point ou de points fin(s) habituel(s). Le courant est limité et est étalé régulièrement le long de l'éclateur en incorporant des résistances
ballast dans la structure (figure 3).
Indépendamment des matériaux utilisés ou de la largeur de l'éclateur (supérieure à environ 1 micromètre), la tension de claquage tend à rester à environ 800 V. Ceci est dû au fait qu'un certain libre parcours moyen minimum est requis pour initier l'ionisation et que des réductions supplémentaires au niveau de l'espace de l'éclateur ont simplement pour effet que le courant de décharge se déplace davantage en retour sur le conducteur, ce qui maintient une longueur d'étincelle essentiellement constante. Il est connu depuis longtemps que la tension de claquage d'un éclateur chutera lorsque la pression du gaz sera réduite dans l'espace de l'éclateur et nos mesures expérimentales ont démontré une réduction de la tension de claquage à environ 400 V dans un module en céramique disponible commercialement du fait de la pression réduite dans la cavité générée en réalisant un refroidissement par rapport à la température de
scellement de couvercle élevée.
Une tension de claquage plus faible pourrait être obtenue en contrôlant de façon délibérée la pression dans la cavité. Une tension de claquage encore plus faible pourrait être obtenue en introduisant des gaz spéciaux à l'intérieur de la cavité (par exemple des gaz nobles). Un dispositif qui met en oeuvre les caractéristiques structurelles clés est
représenté sur la figure 3.
A titre d'exemple, la figure 3 représente un éclateur pratique dans lequel du polysilicium est incorporé au-dessous des plots de liaison et une connexion sur l'éclateur est réalisée au moyen d'une couche continue en polysilicium. Une métallisation d'aluminium est utilisée seulement sur le plot de liaison afin de connecter le fil de liaison par l'intermédiaire d'une fenêtre de contact importante au polysilicium. L'éclateur lui-même est formé entre deux bandes longues de polysilicium connectées aux plots de liaison par un jeu de résistances parallèles conçues pour distribuer le courant de façon régulière le long des bandes de contact. Lorsqu'une ESD se produit entre les deux plots, l'éclateur st soumis à un claquage du fait d'une ionisation par avalanche. La tension est divisée entre les deux résistances, ce qui absorbe de l'énergie et limite l'énergie dissipée lors de la décharge d'étincelle. Les résistances contribuent également à l'étalement du courant de façon régulière le long de l'éclateur. Le type de gaz et la pression peuvent être choisis afin d'obtenir la tension de
claquage d'éclateur requise.
Les variables de conception importantes sont la pression et le
type du gaz dans le module hermétique.
Autres applications Les idées mises en exergue dans la présente demande peuvent être appliquées à n'importe quel circuit intégré en silicium qui nécessite une protection pour une tension élevée. Elles peuvent également être appliquées à n'importe quel type de circuit intégré, plus particulièrement lorsqu'il utilise seulement des couches conductrices qui sont communes à n'importe quel circuit intégré (par exemple des
circuits intégrés MOS, IIIN, en carbure de silicium, bipolaires).
Il est possible qu'une application puisse être trouvée à l'extérieur des circuits intégrés o des éclateurs finement définis sont nécessaires. Les circuits intégrés micromécaniques constituent une technologie émergente qui est due à la découverte de l'endommagement par ESD. Ces composants très petits seront très susceptibles vis-à-vis d'une ESD mais dans de nombreux cas, il n'y aura pas de circuit électronique pour assurer la protection par diodes. Il serait simple et efficace du point de vue des coûts d'intégrer des éclateurs dans ces dispositifs et si nécessaire, d'introduire un gaz spécial à la pression requise. Bien que des modes de réalisation de l'invention aient été décrits ci-avant, celle-ci n'est pas limitée à ces modes de réalisation et il apparaîtra à l'homme de l'art que de nombreuses modifications font partie de la présente invention pour autant qu'elles ne s'écartent ni de l'esprit, ni de la nature et ni du cadre de l'invention revendiquée et décrite.
Claims (11)
1. Assemblage d'éclateur (10'; 10") qui convient pour une utilisation dans un circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comprend: une première électrode (18) au moins partiellement conductrice; une seconde électrode (20) au moins partiellement conductrice, ladite première électrode et ladite seconde électrode étant espacées; une première couche conductrice qui s'étend au-dessus de ladite première électrode (18) et une seconde couche conductrice qui s'étend au-dessus de ladite seconde électrode (20); un éclateur (16) formé entre ladite première couche conductrice et ladite seconde couche conductrice; et une pluralité de résistances discrètes (24, 26) en communication électrique avec chaque couche à proximité dudit éclateur de telle sorte que lesdites résistances absorbent l'énergie et limitent l'énergie dissipée lors d'une décharge d'étincelle dans l'espace
dudit éclateur.
2. -Assemblage d'éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque électrode (18, 20) comprend de l'aluminium.
3. Assemblage d'éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couche conductrice comprend du polysilicium.
4. Assemblage d'éclateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résistances de ladite pluralité de résistances
(24, 26) sont agencées en parallèle.
5. Assemblage d'éclateur selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'il est combiné avec un circuit intégré.
6. Assemblage d'éclateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit assemblage (10'; 10") et ledit circuit intégré
sont scellés hermétiquement.
7. Assemblage d'éclateur qui convient pour une utilisation dans un circuit intégré, caractérisé en ce qu'il comprend: un module scellé hermétiquement, ledit module contenant: une première électrode (18) au moins partiellement conductrice comportant une partie conductrice et une partie isolée; une seconde électrode (20) au moins partiellement conductrice comportant une partie conductrice et une partie isolée, ladite première électrode et ladite seconde électrode étant espacées et définissant un éclateur (16) entre elles; et une pluralité de résistances (24, 26) en communication électrique avec chaque dite électrode et ledit éclateur de telle sorte qu'un courant électrique entre des électrodes soit divisé par lesdites résistances pour réduire l'énergie thermique dissipée dans une
étincelle déchargée dans l'espace dudit éclateur (16).
8. Assemblage d'éclateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit module contient un gaz noble pour réduire la
tension de claquage dudit assemblage.
9. Assemblage d'éclateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque électrode (18, 20) inclut du polysilicium
et de l'aluminium.
10. Procédé de limitation de l'énergie dissipée à partir d'une décharge d'étincelle dans un assemblage d'éclateur, caractérisé en ce qu'il comprend: la fourniture de première et seconde électrodes au moins partiellement conductrices; le fait de munir chaque électrode d'une pluralité de résistances, lesdites résistances étant en communication électrique avec une électrode respective; l'espacement desdites résistances associées à une électrode respective afin de définir un éclateur entre; et la dissipation de l'énergie transmise entre lesdites électrodes
par l'intermédiaire desdites résistances.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites résistances de chaque électrode sont disposées selon une
relation d'espacement latéral.
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