WO2023078959A1 - Système d'encapsulation de dispositif à ondes élastiques de surface - Google Patents

Système d'encapsulation de dispositif à ondes élastiques de surface Download PDF

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WO2023078959A1
WO2023078959A1 PCT/EP2022/080596 EP2022080596W WO2023078959A1 WO 2023078959 A1 WO2023078959 A1 WO 2023078959A1 EP 2022080596 W EP2022080596 W EP 2022080596W WO 2023078959 A1 WO2023078959 A1 WO 2023078959A1
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substrate
base substrate
encapsulation system
interdigital transducer
connection means
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PCT/EP2022/080596
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Thierry LAROCHE
Sylvain Ballandras
Gabrielle ASPAR
Emilie Courjon
Florent Bernard
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Soitec
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    • H03H9/02818—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02834—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence

Definitions

  • the invention that is the subject of this application relates to surface elastic wave devices, also called surface acoustic wave devices or SAW devices according to the acronym of the English term, “Surface Acoustic Wave”. It relates in particular to a system for protecting said SAW devices, as well as a corresponding method for manufacturing such a device.
  • SAW devices are sensitive to variations in the resonant frequency of elastic waves on the surface of piezoelectric materials according to external stimuli. These external stimuli can be electrical, physical, chemical or biological in nature. The great versatility, reliability, sensitivity and economic production of these devices makes their application highly desirable in a large number of fields. Thus SAW devices are used in various applications, in particular as sensors of temperature, pressure, force, etc.
  • SAW devices have two main limitations: on the one hand the risks to proper operation incurred by exposure of the sensitive parts of the devices to the external environment, and on the other hand the size due to the communication connectors at the station. control.
  • S. Ballandras et al. "P11-5 Micro-Machined, All Quartz Package, Passive Wireless SAW Pressure and Temperature Sensor," 2006 IEEE Ultrasonics Symposium, 2006, pp. 1441-1444, doi: 10.1109/ULTSYM.2006.363, and more particularly p.1443, a first encapsulation system allowing the protection of a sensor comprising three SAW devices for determining pressure and temperature.
  • the present invention aims to provide an improved SAW device protection solution, and in particular a solution which combines robustness with compactness and more economical production.
  • the invention relates to a SAW device encapsulation system, comprising said SAW device comprising at least a base substrate and an interdigital transducer, also called interdigital comb transducer or interdigital transducer, formed on said base substrate, the encapsulation system further comprising a sealing bead which seals a second substrate with said base substrate so as to form a cavity enveloping said interdigital transducer , as well as a connection means for connecting an antenna, linked to at least one interdigital transducer.
  • the encapsulation system is characterized in that said antenna connection means, in particular a coaxial miniature radiofrequency connector, is arranged outside the cavity on the base substrate or on the second substrate.
  • the total space occupied by the system can be reduced, increasing its compactness and versatility of placement, especially in existing structures, as well as in tight spaces.
  • this encapsulation system can advantageously dissipate the exposure of the communication paths to the risks presented by the external environment.
  • the reliability and robustness of the implementation of the protected surface elastic wave device can be increased.
  • the link between said interdigital transducer and the antenna connection means may comprise wired wiring.
  • connection means can be dimensioned and operated with high precision.
  • the link between said interdigital transducer and the antenna connection means may comprise at least one via passing through the second substrate.
  • the formation of one or more vias forming electrically conductive metal bridges in the second substrate can make it possible to establish a communication link between the interdigital transducer(s) inside the cavity of the encapsulation system, and an antenna connection means arranged on the second substrate.
  • the communication link resides mainly inside the cavity of the system, being able to protect it advantageously from risks presented by the external environment, such as high temperatures, chemical pollution or mechanical shocks.
  • the via can be assembled in the second substrate with an electrical routing, such as an electrically conductive track or layer, placed on the second substrate so as to establish an electrical link with an antenna connection means.
  • the electrical connection of the vias with the SAW device can be made for example by using one or more solder beads or solder bumps, also called bumps, placed in the cavity between the SAW device and the second substrate establishing an electrical link with the vias in the second substrate.
  • the sealing bead is formed using glass frit, and the solder bumps are of a noble metal, in particular gold.
  • the link between said interdigital transducer and the antenna connection means may comprise at least one metal pad formed on or in the base substrate and passing through the sealing bead.
  • Such a metal pad passing through the sealing bead can allow resumption of connection and communication with one or more interdigital transducers hermetically enclosed in the cavity of the encapsulation system following the sealing of the two substrates, without degrading or modifying the substrates themselves.
  • the link with a connection means for an antenna arranged outside the cavity on a base substrate or a second substrate can be operated and adjusted after the closure of the the hermetic cavity, without constraints linked to the restricted space of the cavity or to the sequencing of the production steps of the encapsulation system.
  • the metallic pad can here correspond to a metallic track in the same material as the interdigital transducer or transducers, for example in aluminium, gold, platinum, or copper or else a mixture of these materials, in particular AlCu.
  • the face of the base substrate opposite the second substrate may comprise a metal layer.
  • Such metallization of the rear surface of the base substrate of the encapsulated SAW device aims to obtain better thermal conductivity, in particular making it possible to optimize the correct operation of a SAW device arranged as a temperature sensor.
  • the base substrate can be equipped with at least one metallic via, in particular a via arranged so as to be electrically insulated from the interdigital transducer and preferably in the same material as a layer metal on the side of the base substrate opposite the second substrate.
  • the at least one metallic via crosses the base substrate completely from the lower face to the upper face of the base substrate and/or only partially crosses the base substrate, starting from the lower face but not ending in the upper face, in particular in the part of the base substrate facing the electrodes.
  • one or more metal vias added in the base substrate can serve as thermal bridges for the SAW device and similarly make it possible to optimize the correct operation of a SAW device arranged as a temperature sensor.
  • the metallic vias can preferably be in the same material as a metallic layer of thermal conductivity arranged on the base substrate.
  • the vias added in the base substrate can be arranged so as to be electrically isolated from the interdigital transducer(s). The risk of the electrodes of the transducer(s) of the SAW device being short-circuited can thus be reduced.
  • the sealing bead can be formed by anodic welding or glass frit.
  • glass frit for sealing the substrates and forming the hermetic cavity can provide a durable and hermetic seal, which is also compatible with the introduction of metallic conduction pads transversely to the sealing bead, without damaging or the sealing cord, nor the pad(s) themselves. Thus, reconnection with the SAW device enclosed in the system cavity can be made possible.
  • the glass frit can moreover be chosen so as to have a coefficient of expansion corresponding to that of the material of the base substrate and/or of the second substrate.
  • thermoelastic tensions induced by temperature variations can be limited, and even greatly reduced.
  • Such a choice of material can therefore increase the mechanical durability of the encapsulation system as well as the operating reliability of a SAW device.
  • the base substrate may comprise a piezoelectric material, in particular a material chosen from quartz (SiO2), lithium tantalate (LiTaO3), lithium niobate (LiNbO3), nitride (AIN), zinc oxide (ZnO), gallium orthophosphate (GaPO4), barium titanate (BaTiO3), langasite (La3Ga5SiO14), langanite (La3Ga5.5Nb0.5O14), gallium nitride (GaN), lead titano-zirconate (PZT) or langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14).
  • a piezoelectric material in particular a material chosen from quartz (SiO2), lithium tantalate (LiTaO3), lithium niobate (LiNbO3), nitride (AIN), zinc oxide (ZnO), gallium orthophosphate (GaPO4), barium titanate (BaTiO3), langasite (La3Ga
  • the second substrate may comprise the same material as the base substrate.
  • the thermal expansion differential between the two substrates can be reduced, thus advantageously increasing the durability and robustness of the seal, and therefore the hermeticity of the encapsulation system.
  • the invention also relates to a method for manufacturing an encapsulation system of a SAW device, in particular an encapsulation system as described above.
  • the method is remarkable in that it comprises the following steps: i. providing a base substrate comprising at least one interdigital transducer, ii. sealing a second substrate to the first substrate so as to form a cavity enveloping said at least one interdigital transducer, and iii.
  • this method can lead to a SAW device encapsulation system providing more robust, compact and economical protection than previously known for the sensitive parts of such a device.
  • the second substrate of step ii) can be provided with at least one via and the method can further comprise a step of electrical connection of the at least one transducer with the antenna connection means using the at least one minus one via.
  • a via through the second substrate can make it possible to establish the electrical link between the interdigital transducer of stage i wrapped in the cavity, and the connection means for antenna arranged according to stage iii on the second substrate.
  • an electrical link can be obtained that runs mainly, or at least in part, inside the cavity formed by the seal, which can advantageously protect this link from risks presented by the external environment.
  • the via can be assembled in the second substrate with electrical routing placed on the second substrate and solder beads placed in the cavity at the interface with the interdigital transducer.
  • the base substrate provided in step i may comprise a metal layer on its face opposite the second substrate and/or at least one metal via.
  • This or these characteristics may allow better thermal conductivity towards the encapsulated SAW device and thereby improved use of said SAW device, for example as a temperature sensor.
  • the vias included in the base substrate can be arranged so as to be electrically isolated from the interdigital transducer(s). This can advantageously reduce the risk of the electrodes of the interdigital transducer(s) being short-circuited.
  • step ii may comprise the formation of at least one metal pad passing through the seal.
  • the formation of such a metal pad is advantageous because it can make it possible to establish a communication link with one or more interdigital transducers hermetically enclosed in the cavity of the encapsulation system without modifying or degrading one of the two substrates, after the sealing of the two substrates.
  • step iii can comprise a connection by wired wiring.
  • Wired cabling can provide an inexpensive and reliable communication link.
  • FIG. 1 schematically represents a section through an encapsulation system according to a first embodiment of the invention according to which the antenna connection means is arranged on the base substrate.
  • FIG. 2 schematically represents a section through an encapsulation system according to a second embodiment of the invention according to which the antenna connection means is arranged on the second substrate.
  • FIG. 3 schematically represents a section through an encapsulation system according to a third embodiment of the invention in which the antenna connection means is also arranged on the second substrate.
  • Figure 4 schematically shows a section through an encapsulation system according to a fourth embodiment of the invention.
  • Figure 5 schematically illustrates an example of a method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically represents the cross section of the first embodiment of the encapsulation system which is the subject of the invention.
  • an encapsulation system 1 of a SAW device 3 comprising a base substrate 5 and at least one interdigital transducer 7, or 'IdT' according to the acronym of the English term "Interdigital Transducer", having two metal electrodes at interdigital combs.
  • the SAW 3 device may include other elements, such as at least one mirror, at least one resonance cavity, electrical connections, electronic components, etc.
  • FIG. 1 also shows a sealing bead 9 sealing a second substrate 11 on the base substrate 5 so as to form a cavity 13.
  • the base substrate 5 and the second substrate 11 are arranged substantially arranged in the xy plane in the Cartesian reference system illustrated in FIG. 1.
  • the base substrate 5 has, relative to the z axis, an upper face 5a lower 5b.
  • the second substrate 11 has an upper face 11a and a lower face 11b.
  • a radiofrequency connector 15 in particular a coaxial miniature radiofrequency connector, arranged outside the cavity 13 on the base substrate 5.
  • the SAW device 3 is electrically connected to the radio frequency connector 15 using an electrical connection 17, for example a conductive metal connection pad 19 arranged on the upper face 5a of the base substrate 5.
  • the electrical connection 17 is extends from inside the cavity 13 passing through the sealing bead 9 to the radiofrequency connector 15.
  • the base substrate 5 is a piezoelectric substrate, for example a bulk or piezoelectric on insulator (or “piezo on insulator (POI)” type substrate).
  • the base substrate 1 is a single crystal SiO2 quartz substrate, in particular with an ST crystal orientation cut.
  • piezoelectric materials can be envisaged for the base substrate 5, such as lithium tantalate (LiTaO3), lithium niobate (LiNbO3), aluminum nitride (AIN), zinc oxide (ZnO), gallium orthophosphate (GaPO4), barium titanate (BaTiO3), langasite (La3Ga5SiO14), langanite (La3Ga5.5Nb0.5O14), gallium nitride (GaN), lead titanium-zirconate (PZT) or langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14).
  • LiTaO3 lithium tantalate
  • LiNbO3 lithium niobate
  • AIN aluminum nitride
  • ZnO zinc oxide
  • BaTiO3 barium titanate
  • langasite La3Ga5SiO14
  • langanite La3Ga5.5Nb0.5O14
  • GaN gallium nitride
  • PZT lead titanium-zi
  • the second substrate 11 is preferably of the same material as the base substrate 5. By choosing the same material for the second substrate 11, the thermal expansion differential between the two substrates is reduced. Thus, the device can be used in a wide temperature range ranging for example from 75 K to 700 K without being exposed to mechanical stresses induced by temperature changes. Thus, the durability of the encapsulation system 1 can be improved.
  • the second substrate 11 is sealed on the first substrate 5 using the sealing bead 9.
  • sealing by glass frit is preferably used to form the sealing bead 9 surrounding the transducer 7 arranged on the upper face 5b of the base substrate 5.
  • glass frit sealing is particularly recommended in the present case of the choice of quartz for the material of the base substrate as well as the second substrate, because the coefficient of expansion remains essentially the same.
  • another method of sealing the substrates can be used, for example anodic soldering, bonding or eutectic bonding.
  • the sealing bead 9 is arranged taking care to leave a space d1 around the transducer 7 and any other element of the SAW device 3, so as not to comply with his operation.
  • the space d1 is at least 450 ⁇ m, preferably at least 500 ⁇ m.
  • Another space d2 is granted between the lower face 11b of the second substrate 11 and the upper edge in direction Z of the transducer 7 or any other element of the SAW device 3.
  • the contour defined by the sealing bead 9 on the upper face 5a of the base substrate 5 can be substantially circular, rectangular, or customized depending on the arrangement of the SAW device 3 and its components, or depending on the surface of the base substrate 3 requiring protection by encapsulation.
  • the assembly of the base substrate 5, with the sealing bead 9 and the second substrate 11 creates the cavity 13 inside the assembly in which the sensitive parts of the SAW device 3 are located.
  • an encapsulation of said sensitive parts is established, and in particular of the transducer 7.
  • the cavity in which the transducer 7 is located can be placed under vacuum or under a controlled atmosphere, such as an atmosphere under nitrogen.
  • the antenna connection means chosen is the radio frequency connector 15.
  • the radio frequency connector 15 is a U.FL type male connector from Hirose, chosen as the antenna connection means used for the interrogation. away from the SAW device 3.
  • This connector is particularly advantageous due to its small dimensions, with a diameter of approximately 1.25mm and a mating height of less than 2mm, and its conduction properties, with a bandwidth of up to 18Ghz.
  • This connector also has a robustness of the order of at least 10,000 mating cycles.
  • connectors according to IEC 61169-1 such as MCX, MMCX, SSMA, SSMB connectors, and in particular radio frequency connectors according to IEC 61169-65 or according to IEC 61169-64.
  • an encapsulation system 1 of SAW device 3 comprising at least one interdigital transducer 7 formed on a base substrate 1, protecting the sensitive parts of the SAW device against the risks presented by the environment, in particular chemical pollution, mechanical shocks, and/or excessively high temperatures or pressures.
  • This embodiment is particularly advantageous because it makes it possible to avoid modifying or degrading the second substrate 11 to establish the link between the connection means for the antenna and the interdigital transducer 7. In an additional advantage, this embodiment makes it possible to obtain of a thin encapsulated device in the Z direction.
  • the radiofrequency connector 15 is arranged on the second substrate 11.
  • This embodiment differs from the embodiment described above relating to FIG. 1 in particular by this different arrangement of the radiofrequency connector 15, as well as by the separate implementation of the electrical link 17 between the radiofrequency connector 15 and the interdigital transducer 7.
  • the encapsulation system 21 according to the second embodiment represented by FIG. 2 comprises, like the first mode represented by FIG. 1, the SAW device 3 with the base substrate 5 and the interdigital transducer 7 as well as the sealing bead 9 sealing the second substrate 11 on the base substrate 5 so as to form the cavity 13. 17 with the interdigital transducer 7.
  • the electrical connection is made via an electrical routing 25 disposed on or in the upper surface 11a of the second substrate 11, but according to a variant the radiofrequency connector may be in direct contact with the vias 23.
  • the electrical connection of the vias 23 with the SAW device 3 is made using one or more solder beads or solder bumps 27, also called bumps, placed in the cavity 13 between the SAW device 3, in particular its transducer 7, and the lower face 11b of the second substrate 11 establishing an electrical link with vias 23 in the second substrate 7.
  • the sealing bead 9 is formed using glass frit, and the solder bumps 27 are of noble metal, in particular gold.
  • this second embodiment By implementing this second embodiment, a versatile, economical and reliable SAW device protection solution is also obtained.
  • this embodiment is advantageous because it makes it possible to avoid interrupting and degrading the sealing bead 9, and makes it possible to obtain a thinner device in the Y direction.
  • This mode has an additional advantage by a particularly fast manufacturing, with only one sealing step. No assembly of parts or connections is necessary subsequently to the sealing of the base substrate 5 with the second substrate 11.
  • a radio frequency connector 15 is arranged on the second substrate 11 and interfaced with an interdigital transducer 7 by an electrical link 17 comprising a wired wiring 33.
  • the third embodiment represented by FIG. 3 comprises another encapsulation system 31.
  • the radiofrequency connector 15 is positioned on the upper face 11a of the second substrate 11, but the electrical connection with the SAW device 3 is no longer made using vias 23 as illustrated in the second embodiment of the invention.
  • the electrical link 17 comprises the conductive metal pad 19 passing through the sealing bead 9 as in the first embodiment and in addition a wired wiring 33.
  • the wired wiring 33 establishes the electrical connection between the metal pad conductor 19 interfaced with the interdigital transducer 7 of the SAW device 3 and the antenna connection means.
  • This connection can be direct or via a conductive layer 35 arranged on the upper face 11a of the second substrate 11, on which is arranged the connection means for the antenna, in particular a radio frequency connector 15.
  • this third embodiment also presents a versatile, economical and reliable SAW device protection solution.
  • the fourth embodiment represented by FIG. 4 is based on the first embodiment and comprises an encapsulation system 41 with a metallic layer 43 on the lower face 5b of the base substrate 5.
  • at least one, here two, metallic via 45a, 45b is formed in the base substrate 5.
  • a metallic via 45a crosses the base substrate completely from the lower face 5b to the upper face 5a.
  • Another via 45b crosses the base substrate 5 only partially, starting from the lower face 5b but not terminating not in the upper face 5a. The via 45b therefore does not modify the composition of the upper face 5a of the base substrate 5.
  • the metallic layer 43 and the vias 45a, 45b improve the thermal conductivity between the ambient environment of the encapsulated SAW device 3 and the interior of the cavity 13 in which the interdigital transducer 7 is placed.
  • the vias 45a, 45b form thermal bridges in the base substrate 5. They then represent point locations of increased thermal conductivity in the base substrate 5 of the SAW device 3 which can direct thermal energy from the encapsulated cavity 13 to the ambient environment. This improves the use of the encapsulation system that is the subject of the invention, in particular when the SAW 3 device is arranged as a temperature sensor.
  • the via(s) 45a, 45b are arranged in such a way that they are electrically isolated from the interdigital transducer(s) 7. Thus the correct operation of the SAW device 3 can be guaranteed. In particular, the risk of short-circuiting the electrodes of an interdigital transducer is thus reduced.
  • one or more non-through metal vias 45b can be arranged opposite the interdigital transducer 7.
  • through vias 45a can be arranged in the base substrate 5.
  • the thermal conductivity is increased without interfering with the correct operation of the SAW device 3 and in particular of the interdigital transducer 7, which is sensitive to variations in the surface elastic wave frequency on face 5a.
  • the use of through 45a or non-through 45b metal vias can be omitted or mixed depending on the structure and dimensions of the encapsulation system 1, 21, 31, 41.
  • vias 45a, 45b can be arranged in matrix form for better thermal distribution, and this in an adequate manner so as not to interfere with the creation and propagation of the elastic wave.
  • the metallic vias 45a, 45b and the metallic layer 43 arranged on the lower face 5b of the base substrate 5 are preferably made of the same metallic material. This allows them to be produced together in one production step and facilitates the migration of heat flows.
  • this fourth embodiment also presents a versatile, economical and reliable SAW device protection solution which is moreover optimized for a device.
  • this fourth mode can also be produced on the basis of the second or third embodiment.
  • a method of manufacturing a SAW device encapsulation system is described with reference to Figure 5, according to a fifth embodiment of the invention. This method can be implemented for example in order to obtain an encapsulation system as illustrated in Figures 1 to 4.
  • Figure 5 shows a number of steps to operate in sequence.
  • the method begins with step E1 of supplying a base substrate 5 comprising at least the interdigital transducer 7.
  • a base substrate 5 made of ST-cut quartz is provided.
  • a second substrate 11 is sealed on the base substrate 5 so as to form a cavity 13 surrounding the transducer(s) 7.
  • the second substrate 11 can be sealed with the base substrate 5 using frit of glass and forming a sealing bead 9 to obtain the cavity 13.
  • an antenna connection means such as a radiofrequency connector 15, is arranged outside the cavity 13 on the base substrate 5.
  • the antenna connection means is arranged on the second substrate E5B or on the electrical routing 25, 35 outside the cavity 13.
  • the radio frequency connector 15 is for example arranged by soldering on the electrical routing 25, 35 or the metal pad 19.
  • a coaxial miniature radiofrequency connector such as a Hirose type U. FL connector can be arranged on a base substrate 5 or a second substrate 11.
  • Step E5A or E5B can be performed after step E3 as described, but alternatively the connection means can also be arranged before step E3 of sealing.
  • the method according to the invention also comprises a step of electrical connection of the interdigital transducer with the antenna connection means, as illustrated for example by the electrical link 17 in the first to fourth embodiments described above.
  • the base substrate 5 provided in step E1 can comprise a metallic layer 43 on its lower face 5b and at least one metallic via 45a, 45b.
  • an encapsulation system according to the fourth embodiment illustrated in FIG. 4 can be obtained.
  • the metallic layer 43 and the via metal 45a, 45b in the base substrate 5 provided can be in the same material. This makes it possible on the one hand to increase the thermal conduction compatibility between layer 43 and vias 45a, 45b, and on the other hand to carry out a combined production in one step of the vias 45a, 45b and of the metallic layer. 43
  • the second base substrate 11 sealed on the base substrate 5 in step E3 can comprise at least one via 23.
  • Beads or solder bumps 27 are placed so as to obtain an electrical connection of the at least one transducer 7 with the antenna connection means using the at least one via 23.
  • an encapsulation system can be obtained according to the second embodiment illustrated in FIG. 2.
  • the method according to this variant has the advantage of particularly rapid manufacture: thus, by preparing the second substrate 11 with the electrical routing 25, the radio frequency connector 15 and the via(s) 23, and by placing the corresponding solder beads or bumps 27 on the SAW device 3, the encapsulation system 21 can be finalized in a single sealing step. It is preferable to place the beads or bumps during this sealing step ii to avoid melting or degradation of the solder beads or bumps during a subsequent sealing step.

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Abstract

L'invention porte sur un système d'encapsulation (1) compacte et robuste pour protection de dispositif à onde de surface. Le système d'encapsulation (10) comprend un dispositif SAW (3) ainsi qu'un cordon de scellement (9) qui scelle un second substrat (11) sur le substrat de base (1) du dispositif SAW (3) de manière à former une cavité 13, ainsi qu'un moyen de connexion (11) agencé extérieurement à la cavité (13) sur le système d'encapsulation (1).

Description

Description
Titre de l’invention : Système d’encapsulation de dispositif à ondes élastiques de surface
Domaine de l’invention
L’invention objet de la présente demande porte sur les dispositifs à ondes élastiques de surface, aussi appelés dispositifs à ondes acoustiques de surface ou encore dispositifs SAW selon l’acronyme du terme anglais, « Surface Acoustic Wave ». Elle concerne en particulier un système de protection desdits dispositifs SAW, ainsi qu’un procédé correspondant de fabrication d’un tel dispositif.
Arrière-plan technologique de l’invention
Les dispositifs SAW sont sensibles aux variations de la fréquence résonante d’ondes élastiques en surface de matériaux piézoélectriques selon stimuli externes. Ces stimuli externes peuvent être de nature électrique, physique, chimique ou biologique. La grande versatilité, fiabilité, sensibilité et production économique de ces dispositifs rend leur application hautement désirable dans un grand nombre de domaines. Ainsi les dispositifs SAW sont utilisés dans de diverses applications, notamment comme capteurs de température, de pression, de force, etc.
L’applicabilité de dispositifs SAW présente deux limitations principales : d’une part les risques au bon fonctionnement encourus par exposition des parties sensibles des dispositifs à l’environnement extérieur, et d’autre part l’encombrement dû à la connectique de communication au poste de contrôle. Ainsi est divulgué dans S. Ballandras et al., "P11-5 Micro-Machined, All Quartz Package, Passive Wireless SAW Pressure and Temperature Sensor," 2006 IEEE Ultrasonics Symposium, 2006, pp. 1441-1444, doi: 10.1109/ULTSYM.2006.363, et plus particulièrement p.1443, un premier système d’encapsulation permettant la protection d’un capteur comprenant trois dispositifs SAW pour déterminer la pression et la température.
Objet de l’invention
Compte tenu de ce qui précède, la présente invention a pour objectif d’apporter une solution améliorée de protection de dispositif SAW, et notamment une solution qui réunis robustesse avec compacité et une production plus économique.
Brève description de l’invention
A cet égard l’invention concerne un système d’encapsulation de dispositif SAW, comprenant ledit dispositif SAW comprenant au moins un substrat de base et un transducteur interdigital, aussi appelé transducteur à peignes interdigités ou encore transducteur interdigité, formé sur ledit substrat de base, le système d’encapsulation comprenant par ailleurs un cordon de scellement qui scelle un second substrat avec ledit substrat de base de manière à former une cavité enveloppant ledit transducteur interdigital, ainsi qu’un moyen de connexion pour connecter une antenne, lié à au moins un transducteur interdigital. Le système d’encapsulation est caractérisé en ce que ledit moyen de connexion pour antenne, en particulier un connecteur radiofréquence miniature coaxial, est agencé extérieurement à la cavité sur le substrat de base ou sur le second substrat.
En intégrant la connectique pour antenne directement au système d’encapsulation peut être obtenu une protection de dispositif SAW plus robuste, compacte et économique que connue auparavant. Ainsi l’intégration directe de l’antenne peut éliminer les voies de communication nécessaires précédemment et les contraintes additionnelles présentées par celles-ci. Cela présente un nombre d’avantages :
Dans un premier temps, l’espace total occupé par le système peut être diminué, augmentant sa compacité et sa versatilité de placement, notamment dans des structures déjà existantes, ainsi que dans des espaces restreints.
Ensuite, le nombre de composants et d’étapes de production du système peut être réduit, réduisant les coûts de production d’un tel système d’encapsulation.
Finalement, en réduisant les longueurs des voies conductrices de communication entre dispositif SAW et un moyen de connexion pour antenne déporté peut être avantageusement dissipée par ce système d’encapsulation l’exposition des voies de communication aux risques présentés par l’environnement externe. Ainsi peut être augmentée la fiabilité et robustesse de mise-en-œuvre du dispositif à ondes élastiques de surface protégé.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le lien entre ledit transducteur interdigital et le moyen de connexion pour antenne peut comprendre un câblage filaire.
L’établissement d’un lien comprenant un câblage filaire, par exemple par méthode de ‘wirebonding’, peut assurer la communication entre le ou les transducteurs interdigitaux avec des moyens peu coûteux. Ainsi peuvent être utilisés des fils largement accessibles commercialement, dont les éléments conducteurs sont en matériaux tels que de l’aluminium, du cuivre, de l’argent, du platine ou de l’or. Les propriétés physiques, électriques et électromagnétiques de ces fils étant étudiées et prédéterminées, la communication entre transducteurs interdigitaux et moyen de connexion peut être dimensionnée et opérée avec haute précision. Dans un mode de réalisation de l’invention, le lien entre ledit transducteur interdigital et le moyen de connexion pour antenne peut comprendre au moins un via traversant le second substrat.
La formation d’un ou de plusieurs vias formant des pont métalliques conducteurs d’électricité dans le second substrat peut permettre d’établir un lien de communication entre le ou les transducteurs interdigitaux à l’intérieur de la cavité du système d’encapsulation, et un moyen de connexion pour antenne agencé sur le second substrat. Ainsi, le lien de communication réside majoritairement à l’intérieur de la cavité du système, pouvant le protéger avantageusement de risques présentés par l’environnement externe, tels que hautes températures, pollution chimique ou chocs mécaniques. Par exemple peut être assemblé le via dans le second substrat avec un routage électrique, telle qu’une piste ou couche électriquement conductible, disposé sur le second substrat de manière à établir un lien électrique avec un moyen de connexion pour antenne. A l’intérieur de la cavité, la connexion électrique des vias avec le dispositif SAW peut se faire par exemple en utilisant une ou plusieurs perles de soudure ou bosses de soudure, également appelés bumps, placées dans la cavité entre le dispositif SAW et le second substrat établissant un lien électrique avec les vias dans le second substrat.
Dans un exemple, le cordon de scellement est formé en utilisant de la fritte de verre, et les perles de soudure sont en métal noble, en particulier en or.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le lien entre ledit transducteur interdigital et le moyen de connexion pour antenne peut comprendre au moins un pad métallique formé sur ou dans le substrat de base et traversant le cordon de scellement.
La formation d’un tel pad métallique traversant le cordon de scellement peut permettre la reprise de connexion et la communication avec un ou plusieurs transducteurs interdigitaux hermétiquement enfermés dans la cavité du système d’encapsulation suite au scellement des deux substrats, sans dégrader ou modifier les substrats eux-mêmes. De plus, grâce à un tel pad conducteur de connexion traversant le cordon de scellement, le lien avec un moyen de connexion pour antenne agencé extérieurement à la cavité sur un substrat de base ou un second substrat peut être opéré et ajusté postérieurement à la fermeture de la cavité hermétique, sans contraintes liées à l’espace restreint de la cavité ou au séquencement des étapes de production du système d’encapsulation. Le pad métallique peut ici correspondre à une piste métallique dans un même matériau que le ou les transducteurs interdigitaux, par exemple en aluminium, or, platine, ou cuivre ou encore un mélange de ces matériaux, en particulier en AlCu. Dans un mode de réalisation de l’invention, la face du substrat de base opposée au second substrat peut comprendre une couche métallique.
Une telle métallisation de la surface arrière du substrat de base du dispositif SAW encapsulé vise à obtenir une meilleure conductivité thermique, notamment permettant d’optimiser le bon fonctionnement d’un dispositif SAW agencé en capteur de température.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le substrat de base peut être équipé d’au moins un via métallique, en particulier un via agencé de façon à être électriquement isolé du transducteur interdigital et de préférence dans un même matériau qu’une couche métallique sur la face du substrat de base opposée au second substrat. Dans un autre mode le au moins un via métallique traverse le substrat de base complètement de la face inférieure à la face supérieure du substrat de base et/ou ne traverse le substrat de base que partiellement, partant de la face inférieure mais n’aboutissant pas dans la face supérieure, notamment dans la partie du substrat de base en regard des électrodes. Ainsi, sans perturber les ondes se propageant proche de la surface supérieure du substrat de base, un pont thermique peut être réalisé.
Dans ce mode de réalisation alternatif, un ou des vias métalliques ajoutés dans le substrat de base peuvent servir de ponts thermiques pour le dispositif SAW et similairement permettre d’optimiser le bon fonctionnement d’un dispositif SAW agencé en capteur de température. Les vias métalliques peuvent être de préférence dans un même matériau qu’une couche métallique de conductivité thermique agencée sur le substrat de base. Ainsi la conduction de chaleur vers le dispositif SAW peut encore plus être augmentée. Par ailleurs, les vias ajoutés dans le substrat de base peuvent être arrangés de façon à être électriquement isolés du ou des transducteurs interdigitaux. Ainsi peut être réduit le risque d’une mise en court-circuit des électrodes du ou des transducteurs du dispositif SAW.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le cordon de scellement peut être formé par soudure anodique ou fritte de verre.
En formant le cordon de scellement par soudure anodique peut être obtenu un scellement des deux substrats très durable et hermétique. La soudure est particulièrement avantageuse car elle ne nécessite pas l’utilisation de matériaux de scellement additionnels, qui risquent d’être coûteux et d’interférer avec le bon fonctionnement du dispositif SAW.
L’utilisation de fritte de verre pour le scellement des substrats et la formation de la cavité hermétique peut accorder un scellement durable et hermétique, qui en plus est compatible avec l’introduction de pads métalliques de conduction transversalement au cordon de scellement, sans endommager ni le cordon de scellement, ni le ou les pads eux-mêmes. Ainsi, une reprise de connexion avec le dispositif SAW enfermé dans la cavité du système peut être rendue possible.
Dans ce mode de réalisation, la fritte de verre peut par ailleurs être choisie de manière à présenter un coefficient de dilatation correspondant à celui du matériau du substrat de base et/ou du second substrat.
En choisissant un matériau de fritte de verre dont le coefficient de dilatation correspond à celui du matériau du substrat de base ou du second substrat, préférablement des deux, les tensions thermoélastiques induites par variations de températures peuvent être limitées, et même fortement réduites. Un tel choix de matériau peut donc permettre d’augmenter la durabilité mécanique du système d’encapsulation ainsi que la fiabilité d’opération d’un dispositif SAW.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le substrat de base peut comprendre un matériau piézoélectrique, en particulier un matériau choisi parmi le quartz (SiO2), le tantalate de lithium (LiTaO3), le niobate de lithium (LiNbO3), le nitrure d’aluminium (AIN), l’oxyde de zinc (ZnO), l’orthophosphate de gallium (GaPO4), le titanate de baryum (BaTiO3), le langasite (La3Ga5SiO14), le langanite (La3Ga5.5Nb0.5O14), le nitrure de gallium (GaN), le titano-zirconate de plomb (PZT) ou le langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14).
Ces matériaux présentent des fréquences de résonance particulièrement sensibles à des stimuli externes et peuvent donc être employés avantageusement dans des dispositifs SAW.
Dans un mode de réalisation de l’invention présente, le second substrat peut comprendre un même matériau que le substrat de base.
En assimilant le matériau du second substrat à celui du substrat de base peut être réduit le différentiel de dilatation thermique entre les deux substrats, ainsi augmentant avantageusement la durabilité et robustesse du scellement, et donc de l’herméticité du système d’encapsulation.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un système d’encapsulation d’un dispositif SAW, en particulier d’un système d’encapsulation tel que décrit ci-dessus. Le procédé est remarquable en ce qu’il comprend les étapes suivantes : i. La fourniture d’un substrat de base comprenant au moins un transducteur interdigital, ii. Le scellement d’un second substrat sur le premier substrat de manière à former une cavité enveloppant le ou lesdits transducteurs interdigitaux, et iii. L’agencement extérieur à la cavité d’un moyen de connexion pour antenne, en particulier un connecteur radiofréquence miniature coaxial, sur le substrat de base ou le second substrat. Comme indiqué ci-dessus, ce procédé peut permettre d’aboutir à un système d’encapsulation de dispositif SAW accordant une protection plus robuste, compacte et économique que connu auparavant des parties sensibles d’un tel dispositif.
Selon une caractéristique avantageuse, le second substrat de l’étape ii) peut être fourni avec au moins un via et le procédé peut comprendre de plus une étape de connexion électrique du au moins un transducteur avec le moyen de connexion pour antenne en utilisant le au moins un via. Un tel via à travers le second substrat peut permettre d’établir le lien électrique entre le transducteur interdigital de l’étape i enveloppé dans la cavité, et le moyen de connexion pour antenne agencé selon l’étape iii sur le second substrat. Ainsi peut être obtenu un lien électrique parcourant principalement, ou au moins en partie, l’intérieur de la cavité formée par le scellement, ce qui peut protéger avantageusement ce lien de risques présentés par l’environnement externe. Par exemple peut être assemblé le via dans le second substrat avec un routage électrique disposé sur le second substrat et des perles de soudures disposées dans la cavité en interface avec le transducteur interdigital.
Selon une autre caractéristique avantageuse, le substrat de base fourni dans l’étape i peut comprendre une couche métallique sur sa face opposée au second substrat et/ou au moins un via métallique. Cette ou ces caractéristiques peuvent permettre une meilleure conductivité thermique vers le dispositif SAW encapsulé et par cela une utilisation améliorée dudit dispositif SAW, par exemple comme capteur de température. En particulier, les vias compris dans le substrat de base peuvent être arrangés de façon à être électriquement isolés du ou des transducteurs interdigitaux. Ainsi peut être avantageusement réduit le risque d’une mise en court-circuit des électrodes du ou des transducteurs interdigitaux.
Selon une autre caractéristique avantageuse complémentaire du procédé, l’étape ii peut comprendre la formation d’au moins un pad métallique traversant le scellement. La formation d’un tel pad métallique est avantageuse car elle peut permettre d’établir un lien de communication avec un ou plusieurs transducteurs interdigitaux hermétiquement enfermés dans la cavité du système d’encapsulation sans modifier ou dégrader un des deux substrats, postérieurement au scellement des deux substrats.
Selon une dernière caractéristique avantageuse du procédé, l’étape iii peut comprendre une connexion par câblage filaire. Un câblage filaire peut assurer un lien de communication peu coûteux et fiable.
Brève description des dessins
Les objets, caractéristiques et avantages de l’invention telle qu’exposée ci-dessus seront plus exhaustivement compris et appréciés par l’étude de la description suivante plus détaillée de modes de réalisation préférés de l’invention, ainsi que des dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement une coupe à travers un système d’encapsulation selon un premier mode de réalisation de l’invention selon lequel le moyen de connexion pour antenne est agencé sur le substrat de base.
La figure 2 représente schématiquement une coupe à travers un système d’encapsulation selon un deuxième mode de réalisation de l’invention selon lequel le moyen de connexion pour antenne est agencé sur le second substrat.
La figure 3 représente schématiquement une coupe à travers un système d’encapsulation selon un troisième mode de réalisation de l’invention selon lequel le moyen de connexion pour antenne est aussi agencé sur le second substrat.
La figure 4 représente schématiquement une coupe à travers un système d’encapsulation selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 illustre schématiquement un exemple d’un procédé selon l’invention.
Description détaillée de l’invention
Dans la suite, les mêmes références sur les figures sont utilisées pour des éléments de même nature. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas à l’échelle. En particulier, les épaisseurs en direction Z des éléments individuels des figures 1 à 4 ne sont pas à échelle ni relativement les uns aux autres, ni relativement aux dimensions des éléments en direction Y.
La figure 1 représente schématiquement la coupe transversale du premier mode de réalisation du système d’encapsulation objet de l’invention. Y est figuré un système d’encapsulation 1 d’un dispositif SAW 3 comprenant un substrat de base 5 et au moins un transducteur interdigital 7, ou ‘IdT’ selon l’acronyme du terme anglais « Interdigital Transducer », présentant deux électrodes métalliques à peignes interdigités. Le dispositif SAW 3 peut comprendre d’autres éléments, tels qu’au moins un miroir, au moins une cavité de résonance, des connexions électriques, des composants électroniques, etc. La figure 1 montre par ailleurs un cordon de scellement 9 scellant un second substrat 11 sur le substrat de base 5 de manière à former une cavité 13.
Le substrat de base 5 et le second substrat 11 sont disposés sensiblement agencés dans le plan xy dans le système cartésien de référence illustré dans la figure 1. Ainsi le substrat de base 5 présente relativement à l’axe z une face supérieure 5a et une face inférieure 5b. Similairement, le second substrat 11 présente une face supérieure 11a et une face inférieure 11 b. Est figuré aussi schématiquement un connecteur radiofréquence 15, en particulier un connecteur radiofréquence miniature coaxial, agencé extérieurement à la cavité 13 sur le substrat de base 5. Le dispositif SAW 3 est connecté électriquement au connecteur radiofréquence 15 en utilisant une connexion électrique 17, par exemple un pad métallique conducteur de connexion 19 disposé sur la face supérieure 5a du substrat de base 5. La connexion électrique 17 s’étend de l’intérieur de la cavité 13 en passant par le cordon de scellement 9 jusqu’au connecteur radiofréquence 15.
Le substrat de base 5 est un substrat piézoélectrique, par exemple un substrat de type bulk ou piézoélectrique sur isolant (ou « piezo on insulator (POI) » en anglais). Par exemple, le substrat de base 1 est un substrat quartz monocristallin SiO2, en particulier avec une coupe d’orientation cristalline ST.
D’autres matériaux piézoélectriques sont envisageables pour le substrat de base 5, tels que le tantalate de lithium (LiTaO3), le niobate de lithium (LiNbO3), le nitrure d’aluminium (AIN), l’oxyde de zinc (ZnO), l’orthophosphate de gallium (GaPO4), le titanate de baryum (BaTiO3), le langasite (La3Ga5SiO14), le langanite (La3Ga5.5Nb0.5O14), le nitrure de gallium (GaN), le titano-zirconate de plomb (PZT) ou le langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14).
Le second substrat 11 est de préférence du même matériau que le substrat de base 5. En choisissant le même matériau pour le second substrat 11 est réduit le différentiel de dilatation thermique entre les deux substrats. Ainsi, le dispositif peut être utilisé dans une large plage de température allant par exemple de 75 K à 700 K sans être exposé à des contraintes mécaniques induites par des changements de températures. Ainsi, la durabilité du système d’encapsulation 1 peut être améliorée.
Le second substrat 11 est scellé sur le premier substrat 5 en utilisant le cordon de scellement 9. Dans le cas d’un substrat de base 5 et d’un second substrat 11 en quartz, un scellement par fritte de verre est de préférence utilisé pour former le cordon de scellement 9 entourant le transducteur 7 disposée sur la face supérieure 5b du substrat de base 5.
En raison de la correspondance matérielle, le scellement par fritte de verre est particulièrement recommandé dans le cas présent du choix de quartz pour matériau du substrat de base ainsi que du second substrat, car le coefficient de dilatation reste essentiellement le même.
Selon le choix de matériau de substrat, une autre méthode de scellement des substrats peut être utilisé, par exemple la soudure anodique, le collage ou la liaison eutectique.
De préférence le cordon de scellement 9 est disposé en veillant à laisser un espace d1 autour du transducteur 7 et tout autre élément du dispositif SAW 3, de manière à ne pas obtempérer son opération. Typiquement l’espace d1 est d’au moins 450 pm, de préférence d’au moins 500 pm.
Un autre espace d2, typiquement de au moins 5 pm, notamment entre 6 pm et 9 pm, est accordé entre la face inférieure 11b du second substrat 11 et le bord supérieur en direction Z du transducteur 7 ou tout autre élément du dispositif SAW 3.
Le contour défini par le cordon de scellement 9 sur la face supérieure 5a du substrat de base 5 peut être sensiblement circulaire, rectangulaire, ou personnalisé en fonction de l’arrangement du dispositif SAW 3 et de ses composants, ou en fonction de la surface du substrat de base 3 requérant protection par encapsulation.
L’assemblage du substrat de base 5, avec le cordon de scellement 9 et le second substrat 11 créé la cavité 13 intérieure à l’assemblage dans laquelle se trouvent les parties sensibles du dispositif SAW 3. Ainsi est établit une encapsulation desdites parties sensibles, et notamment du transducteur 7. Dans certains modes de réalisation, la cavité dans laquelle se trouve le transducteur 7 peut être mise sous vide ou sous une atmosphère contrôlée, telle qu’une atmosphère sous azote.
Dans ce mode de réalisation, le moyen de connexion pour antenne choisi est le connecteur radiofréquence 15. De préférence, le connecteur radiofréquence 15 est un connecteur mâle de type U. FL de Hirose, choisi comme moyen de connexion pour antenne servant à l’interrogation à distance du dispositif SAW 3.
Ce connecteur est particulièrement avantageux en raison de ses petites dimensions, avec un diamètre d’environ 1.25mm et une hauteur d’accouplement inférieure à 2mm, et de ses propriétés de conduction, avec une bande-passante jusqu’à 18Ghz.
Ce connecteur présente par ailleurs une robustesse de l’ordre d’au moins 10'000 cycles d’accouplement.
D’autres connecteurs miniature ou micro-miniature coaxiaux que le Hirose type U. FL sont pour autant envisageables, et notamment des connecteurs selon IEC 61169-1 tels que des connecteurs de MCX, MMCX, SSMA, SSMB, et en particulier des connecteurs radiofréquence selon IEC 61169-65 ou selon IEC 61169-64.
La connexion électrique 17, réalisée par le pad métallique 19, établit un lien de communication avec le transducteur interdigital 7 et permet la transmission de signaux radiofréquence dans le cadre d’une interrogation du dispositif SAW 3. Par le mode de réalisation exposé ci-dessus et illustré dans la figure 1 est obtenu un système d’encapsulation 1 de dispositif SAW 3 comprenant au moins un transducteur interdigital 7 formé sur un substrat de base 1 , protégeant les parties sensibles du dispositif SAW contre les risques présentés par l’environnement, notamment pollution chimique, chocs mécaniques, et/ou températures ou pressions trop élevées.
Grâce à l’intégration d’un connecteur radiofréquence 15 pour interrogation du dispositif SAW 3 directement au système d’encapsulation dudit dispositif SAW est obtenu une solution de protection de dispositif SAW 3 versatile, économique et fiable.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car il permet d’éviter de modifier ou de dégrader le second substrat 11 pour établir le lien entre moyen de connexion pour antenne et transducteur interdigital 7. Dans un avantage additionnel, ce mode de réalisation permet l’obtention d’un dispositif encapsulé fin en direction Z.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention illustré dans la figure 2, le connecteur radiofréquence 15 est agencé sur le second substrat 11. Ce mode de réalisation se distingue du mode de réalisation décrit ci-dessus relatif à la figure 1 en particulier par cet agencement différent du connecteur radiofréquence 15, ainsi que par la mise en œuvre distincte du lien électrique 17 entre le connecteur radiofréquence 15 et le transducteur interdigital 7.
Le système d’encapsulation 21 selon de deuxième mode de réalisation représenté par la figure 2 comprend, comme le premier mode représenté par la figure 1 , le dispositif SAW 3 avec le substrat de base 5 et le transducteur interdigital 7 ainsi que le cordon de scellement 9 scellant le second substrat 11 sur le substrat de base 5 de manière à former la cavité 13. Figure 2 illustre aussi schématiquement le connecteur radiofréquence 15 agencé extérieurement à la cavité 13 sur la face supérieure 11a sur second substrat 11 et interfacé par le lien électrique 17 avec le transducteur interdigital 7.
Dans ce mode de réalisation illustré dans la figure 2, au moins un via 23, ici deux vias, traverse le second substrat 11 pour permettre une connexion électrique entre le connecteur radiofréquence 15 et le dispositif SAW 3, en particulier le transducteur 7. Dans ce mode de réalisation la connexion électrique se fait via un routage électrique 25 disposé sur ou dans la surface supérieure 11a du second substrat 11 , mais selon une variante le connecteur radiofréquence pourra être en contact direct avec les vias 23. A l’intérieur de la cavité 13, la connexion électrique des vias 23 avec le dispositif SAW 3 se fait en utilisant une ou plusieurs perles de soudure ou bosses de soudure 27, également appelés bumps, placées dans la cavité 13 entre le dispositif SAW 3, en particulier son transducteur 7, et la face inférieure 11b du second substrat 11 établissant un lien électrique avec des vias 23 dans le second substrat 7. Dans un exemple, le cordon de scellement 9 est formé en utilisant de la fritte de verre, et les perles de soudure 27 sont en métal noble, en particulier en or.
En mettant en oeuvre ce deuxième mode de réalisation est obtenu aussi une solution de protection de dispositif SAW versatile, économique et fiable. En particulier, ce mode de réalisation est avantageux car il permet d’éviter d’interrompre et de dégrader le cordon de scellement 9, et permet l’obtention d’un dispositif plus fin en direction Y. Ce mode présente un avantage additionnel par une fabrication particulièrement rapide, avec une seule étape de scellement. Aucun assemblage de parties ou de connexions est nécessaire ultérieurement au scellement du substrat de base 5 avec le second substrat 11.
Selon un troisième mode de réalisation de l’invention illustré dans la figure 3, un connecteur radiofréquence 15 est agencé sur le second substrat 11 et interfacé avec un transducteur interdigital 7 par un lien électrique 17 comprenant un câblage filaire 33.
Le troisième mode de réalisation représenté par la figure 3 comprend un autre système d’encapsulation 31. Dans le troisième mode de réalisation, le connecteur radiofréquence 15 est positionné sur la face supérieure 11a du second substrat 11 , mais la liaison électrique avec le dispositif SAW 3 ne se fait plus en utilisant des vias 23 comme illustré dans la deuxième réalisation de l’invention.
Dans ce troisième mode de réalisation, le lien électrique 17 comprend le pad métallique conducteur 19 traversant le cordon de scellement 9 comme dans le premier mode de réalisation et de plus un câblage filaire 33. Le câblage filaire 33 établit la connexion électrique entre le pad métallique conducteur 19 en interface avec le transducteur interdigital 7 du dispositif SAW 3 et le moyen de connexion pour antenne. Cette connexion peut être direct ou via une couche conductrice 35 agencée sur la face supérieure 11a du second substrat 11 , sur lequel est agencé le moyen de connexion pour antenne, en particulier un connecteur radiofréquence 15.
Ainsi ce troisième mode de réalisation présente aussi une solution de protection de dispositif SAW versatile, économique et fiable.
Le quatrième mode de réalisation représenté par la figure 4 est basé sur le premier mode de réalisation et comprend un système d’encapsulation 41 avec une couche métallique 43 sur la face inférieure 5b du substrat de base 5. De plus, au moins un, ici deux, via métallique 45a, 45b est formé dans le substrat de base 5. Un via métallique 45a traverse le substrat de base complètement de la face inférieure 5b à la face supérieure 5a. Un autre via 45b ne traverse le substrat de base 5 que partiellement, partant de la face inférieure 5b mais n’aboutissant pas dans la face supérieur 5a. Le via 45b ne modifie donc pas la composition de la face supérieure 5a du substrat de base 5.
La couche métallique 43 et les vias 45a, 45b améliorent la conductivité thermique entre l’environnement ambiant du dispositif SAW 3 encapsulé et l’intérieur de la cavité 13 dans laquelle est disposé le transducteur interdigital 7. Les vias 45a, 45b forment ponts thermiques dans le substrat de base 5. Ils représentent alors des endroits ponctuels de conductivité thermique augmentée dans le substrat de base 5 du dispositif SAW 3 qui peuvent diriger de l’énergie thermique de la cavité 13 encapsulée vers l’environnement ambiant. Cela améliore l’utilisation du système d’encapsulation objet de l’invention, en particulier lorsque le dispositif SAW 3 est agencé en capteur de température.
Le ou les vias 45a, 45b sont arrangés de manière à ce qu’ils soient électriquement isolés du ou des transducteurs interdigitaux 7. Ainsi le bon fonctionnement du dispositif SAW 3 peut être garanti. En particulier est réduit ainsi le risque d’une mise en court-circuit des électrodes d’un transducteur interdigital.
Par exemple, tel qu’illustré dans la figure 4, un ou plusieurs vias métalliques 45b non- traversant peuvent être arrangés en regard du transducteur interdigital 7. Alternativement ou additionnellement, dans des zones du dispositif SAW 3 qui n’interfèrent pas avec le fonctionnement du transducteur interdigital 7, des vias 45a traversant peuvent être arrangés dans le substrat de base 5. Ainsi, la conductivité thermique est augmentée sans interférer avec le bon fonctionnement du dispositif SAW 3 et en particulier du transducteur interdigital 7, qui est sensible aux variations de la fréquence d’ondes élastiques de surface sur la face 5a. Dans d’autres modes de réalisation, l’utilisation de vias métalliques traversant 45a ou non-traversant 45b peut être omise ou mélangée en fonction de la structure et des dimensions du système d’encapsulation 1 , 21, 31 , 41.
Par ailleurs, afin d’optimiser l’homogénéisation de la température du dispositif SAW, plusieurs vias 45a, 45b peuvent être arrangés en forme matricielle pour une meilleure distribution thermique, et ceci de façon adéquate afin de ne pas gêner la création et la propagation de l’onde élastique.
Les vias métalliques 45a, 45b et la couche métallique 43 disposée sur la face inférieure 5b du substrat de base 5 sont de préférence dans un même matériau métallique. Cela permet leur réalisation ensemble dans une étape de production et faciliter la migration des flux thermiques.
Ainsi ce quatrième mode de réalisation présente aussi une solution de protection de dispositif SAW versatile, économique et fiable qui par ailleurs est optimisée pour un dispositif SAW agencé en capteur de température. Selon des variantes ce quatrième mode peut également être réalisé sur base du deuxième ou troisième mode de réalisation.
Un procédé de fabrication d’un système d’encapsulation de dispositif SAW est décrit en référence à la figure 5, selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. Ce procédé peut être mis en œuvre par exemple afin d’obtenir un système d’encapsulation tel qu’illustré dans les figures 1 à 4. La figure 5 montre un nombre d’étapes à opérer en séquence.
Le procédé commence avec l’étape E1 de fourniture d’un substrat de base 5 comprenant au moins le transducteur interdigital 7. Par exemple est fourni un substrat de base 5 en quartz à coupe ST.
Lors de l’étape E3 est scellé un second substrat 11 sur le substrat de base 5 de manière à former une cavité 13 enveloppant le ou les transducteurs 7. Le second substrat 11 peut être scellé avec le substrat de base 5 en utilisant de la fritte de verre et formant un cordon de scellement 9 pour obtenir la cavité 13.
Lors de l’étape E5A est agencé extérieurement à la cavité 13 un moyen de connexion pour antenne, tel qu’un connecteur radiofréquence 15, sur le substrat de base 5. Selon une alternative lors de l’étape E5B le moyen de connexion pour antenne est agencé sur le second substrat E5B ou sur le routage électrique 25, 35 en dehors de la cavité 13. Le connecteur radiofréquence 15 est par exemple agencé par soudure sur le routage électrique 25, 35 ou le pad métallique 19.
Par exemple peut être agencé un connecteur radiofréquence miniature coaxial tel qu’un connecteur Hirose type U. FL sur un substrat de base 5 ou un second substrat 11.
L’étape E5A ou E5B peut être réalisé après l’étape E3 tel que décrit, mais selon une alternative le moyen de connexion peut aussi être agencé avant l’étape E3 de scellement. Le procédé selon l’invention comprend par ailleurs une étape de connexion électrique du transducteur interdigital avec le moyen de connexion pour antenne, tel qu’illustré par exemple par le lien électrique 17 dans les modes de réalisation premier à quatrième décrits ci-dessus.
Dans une variante du procédé selon l’invention, le substrat de base 5 fourni dans l’étape E1 peut comprendre une couche métallique 43 sur sa face inférieure 5b et au moins un via métallique 45a, 45b. Ainsi peut être obtenu un système d’encapsulation selon le quatrième mode de réalisation illustré dans la figure 4. Dans cette variante, le ou les vias 45a, 45b peuvent être traversant ou non-traversant, de manière à être isolés électriquement du transducteur interdigital 7. De plus, dans cette variante, la couche métallique 43 et le via métallique 45a, 45b dans le substrat de base 5 fourni peuvent être dans un même matériau. Cela permet d’une part d’augmenter la compatibilité de conduction thermique entre couche 43 et vias 45a, 45b, et d’autre part de réaliser une production combinée en une étape des vias 45a, 45b et de la couche métallique. 43
Dans une autre variante du procédé selon l’invention, le second substrat de base 11 scellé sur le substrat de base 5 dans l’étape E3 peut comprendre au moins un via 23. Des perles ou bosses de soudure 27 sont placées de manière à obtenir une connexion électrique du au moins un transducteur 7 avec le moyen de connexion pour antenne en utilisant le au moins un via 23. Ainsi peut être obtenu un système d’encapsulation selon le deuxième mode de réalisation illustré dans la figure 2. Le procédé selon cette variante présente l’avantage d’une fabrication particulièrement rapide : ainsi, en préparant le second substrat 11 avec le routage électrique 25, le connecteur radiofréquence 15 et le ou les vias 23, et en plaçant les perles ou bosses de soudure 27 correspondantes sur le dispositif SAW 3, le système d’encapsulation 21 peut être finalisé en une seule étape de scellement. Il est préférentiel de placer les perles ou bosses lors de cette l’étape ii de scellement pour éviter la fusion ou dégradation des perles ou bosses de soudure lors d’une étape de scellement ultérieure.
Aucun assemblage de parties ou de connexions est nécessaire ultérieurement au scellement du substrat de base 5 avec le second substrat 11.
Tel que décrit dans les parties précédentes est ainsi obtenu un système d’encapsulation plus robuste, compacte et économique que connu auparavant.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de mise en œuvre et exemples décrits, et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

Revendications
1. Système d’encapsulation de dispositif à ondes élastiques de surface (dispositif SAW), comprenant ledit dispositif SAW (3) comprenant au moins un substrat de base (5) et un transducteur interdigital (7) formé sur ledit substrat de base (5) ; un cordon de scellement (9) qui scelle un second substrat (11) avec ledit substrat de base (5) de manière à former une cavité (13) enveloppant ledit transducteur interdigital (7); et un moyen de connexion pour connecter une antenne (15) lié à au moins un transducteur interdigital (7); caractérisé en ce que ledit moyen de connexion pour antenne (15), en particulier un connecteur radiofréquence miniature coaxial, est agencé extérieurement à la cavité (13) sur le substrat de base (5) ou sur le second substrat (11)
2. Système d’encapsulation selon la revendication 1 , dans lequel le lien (17) entre ledit transducteur interdigital (7) et le moyen de connexion pour antenne (15) comprend un câblage filaire (33).
3. Système d’encapsulation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le lien (17) entre ledit transducteur interdigital (7) et le moyen de connexion pour antenne (15) comprend au moins un via (23) traversant le second substrat (11).
4. Système d’encapsulation selon la revendication 3, dans lequel une ou plusieurs perles de soudure (7) sont placées dans la cavité (13) entre le dispositif SAW (3) et le second substrat (11) établissant un lien électrique (17) avec les vias (23) dans le second substrat (11).
5. Système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, dans lequel le lien (17) entre ledit transducteur interdigital (7) et le moyen de connexion pour antenne (15) comprend au moins un pad métallique (19) formé sur le substrat de base (5) et traversant le cordon de scellement (9).
6. Système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, comprenant une couche métallique (43) sur la face (5b) du substrat de base (5) opposée au second substrat (11).
7. Système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, dans lequel le substrat de base (5) comprend au moins un via (45a, 45b) métallique, en particulier un via (45a, 45b) dans un même matériau qu’une couche métallique (43) sur la face (5b) du substrat de base (5) opposée au second substrat (11) et agencé de façon à être électriquement isolé du transducteur interdigital (7).
8. Système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, dans lequel le cordon de scellement (9) est formé par soudure anodique ou par fritte de verre.
9. Système d’encapsulation selon la revendication précédente, dans lequel ladite fritte de verre du cordon de scellement (9) est choisie de manière à présenter un coefficient de dilatation correspondant à celui du matériau du substrat de base (5) et/ou du second substrat (11 ).
10. Système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, dans lequel le second substrat (11) comprend un même matériau que le substrat de base (5).
11. Procédé de fabrication d’un système d’encapsulation de dispositif SAW, en particulier d’un système d’encapsulation selon une des revendications précédentes, le procédé comprenant les étapes suivantes : i. Fourniture d’un substrat de base comprenant au moins un transducteur interdigital; ii. Scellement d’un second substrat sur le premier substrat de manière à former une cavité enveloppant le ou lesdits transducteurs interdigitaux; iii. Agencement extérieur à la cavité d’un moyen de connexion pour antenne, en particulier un connecteur radiofréquence miniature coaxial, sur le substrat de base ou le second substrat.
12. Procédé de fabrication d’un système d’encapsulation selon la revendication 11, dans lequel le second substrat de l’étape ii) est fourni avec au moins un via et comprenant de plus une étape de connexion électrique du au moins un transducteur avec le moyen de connexion pour antenne en utilisant le au moins un via.
13. Procédé de fabrication d’un système d’encapsulation selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le substrat de base fourni dans l’étape i) comprend une couche métallique sur la face opposée par rapport au deuxième substrat et/ou au moins un via métallique.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070188054A1 (en) * 2006-02-13 2007-08-16 Honeywell International Inc. Surface acoustic wave packages and methods of forming same
CN105784189A (zh) * 2016-05-05 2016-07-20 厦门大学 硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备
US20210013866A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-14 General Electric Company Systems and methods for saw wafer level assembly with top side contacts

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070188054A1 (en) * 2006-02-13 2007-08-16 Honeywell International Inc. Surface acoustic wave packages and methods of forming same
CN105784189A (zh) * 2016-05-05 2016-07-20 厦门大学 硅-玻璃-硅结构声表面波温度和压力集成传感器及制备
US20210013866A1 (en) * 2019-07-12 2021-01-14 General Electric Company Systems and methods for saw wafer level assembly with top side contacts

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S. BALLANDRAS ET AL.: "P11-5 Micro-Machined, All Quartz Package, Passive Wireless SAW Pressure and Température Sensor", 2006 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2006, pages 1441 - 1444, XP031076567, DOI: 10.1109/ULTSYM.2006.363

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