FR2812968A1 - Capteur micro-usine avec protection isolante des connexions - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne les capteurs de grandeurs physiques tels que les capteurs de pression ou d'accélération, et plus précisément le montage de la partie active du capteur sur une embase (30) portant des broches de connexion (32).Selon l'invention, on prépare une partie active du capteur, composée par exemple de plaques de silicium micro-usinées (10, 12) portant des éléments électroniques, des conducteurs électriques, et des plots de connexion (22). On prépare aussi une embase (30) pourvue de broches (32) et on relie électriquement les plots (22) aux extrémités de broche par des éléments conducteurs (fils 40). Puis on plonge la plaque et les extrémités de broche dans un bain électrolytique, de manière à effectuer un dépôt électrolytique de métal conducteur (42) sur les extrémités de broche, les plots, et les éléments conducteurs qui les relient; enfin on effectue une oxydation ou nitruration de ce métal pour constituer un revêtement isolant (44) sur les extrémités de broches de connexion, les plots, et les éléments conducteurs qui les relient.Application aux capteurs de pression, d'efforts, d'accélérations, etc., destinés à fonctionner en environnement sévère.

Description

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CAPTEUR MICRO-USINE AVEC PROTECTION ISOLANTE DES CONNEXIONS L'invention concerne le montage de capteurs de grandeurs physiques susceptibles de fonctionner en environnement sévère.
De manière générale, le montage consiste à reporter un capteur micro-usiné sur une embase pourvue de broches de connexion électriques. Le capteur est réalisé par exemple à partir d'une ou plusieurs plaques de silicium usinées, comportant des éléments mécaniques (membranes, poutres, masses sismiques, etc.), des éléments électroniques (armatures de capacités, ou jauges de contrainte notamment), des connexions électriques, et des plots de contact métalliques permettant la liaison électrique avec les broches de l'embase lorsque le capteur est fixé sur l'embase.
Classiquement, le capteur est collé ou brasé par sa face arrière sur l'embase, dans une partie centrale de celle-ci entourée par les broches de connexion qui traversent l'embase. Les plots de connexion du capteur, sur la face avant de celui-ci, sont reliés par des fils soudés (technique dite du wire-bonding ) entre les plots de connexion et les sommets des broches de connexion qui dépassent de la surface de l'embase.
On doit alors, pour assurer un fonctionnement correct en milieu agressif; humide ou gazeux, recouvrir les fils soudés, les plots de connexion, et les extrémités de broche, d'une couche isolante de protection qui évite d'une part les dégradations du capteur et d'autre part les courants de fuite entre broches lorsque l'environnement liquide ou gazeux n'est pas parfaitement isolant. Ces résistances de fuite viennent en effet perturber la mesure de grandeur physique qui repose souvent sur de très faibles variations différentielles de résistances ou sur des signaux électriques de très faible niveau.
On dépose alors sur les parties conductrices un matériau polymérisable telle qu'une résine au silicone. On peut déposer aussi du parylène. Mais dans des applications telles que des capteurs de pression, comportant une membrane mince en contact avec le milieu dont on veut mesurer la pression, il faut éviter de déposer ce matériau sur la membrane, car cela engendrerait des erreurs de mesure difficiles à connaître et à
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compenser. II faut donc prendre des précautions particulières de dépôt, voire même à un travail manuel. D'autre part, ce type de revêtement n'est pas toujours suffisamment résistant à des milieux agressifs.
L'invention propose d'effectuer sur les parties conductrices un dépôt électrolytique de métal, suivi d'une oxydation ou nitruration de ce métal, de manière à recouvrir d'une couche d'oxyde ou nitrure isolante toutes les parties conductrices susceptibles d'être ultérieurement en contact avec un milieu ambiant non parfaitement isolant.
Plus précisément, l'invention propose un procédé de réalisation d'un capteur de grandeur physique, consistant à préparer une partie active de capteur et une embase, la partie active comprenant au moins une plaque pourvue de plots de connexion conducteurs sur une face, et l'embase étant pourvue de broches conductrices, à relier électriquement les plots et les broches par des éléments conducteurs, puis à plonger la plaque et les extrémités de broche dans un bain électrolytique, à effectuer un dépôt électrolytique d'au moins un métal conducteur sur les extrémités de broche, les plots, et les éléments conducteurs qui les relient, et à effectuer une oxydation ou nitruration de ce métal pour constituer un revêtement isolant sur les plots de connexion, les extrémités de broches de connexion, et les éléments conducteurs qui les relient. Le dépôt électrolytique ne se produit que sur les parties conductrices, mais pas sur les parties isolantes.
Par dépôt électrolytique, on entend un dépôt de métal (métal simple ou alliage ou combinaison de métaux déposés simultanément ou successivement) sur une zone conductrice, obtenu par migration d'ions métallliques en provenance d'une solution liquide. La migration peut être provoquée soit par le passage d'un courant électrique (bain électrolytique classique avec électrodes d'amenée de courant), soit par réaction chimique (dépôt dit electroless ).
Ce procédé peut être mis en oeuvre soit dans le cas où des fils de wire-bonding sont soudés entre les plots et les extrémités de broche soit dans le cas où les extrémités de broches sont soudées directement chacune sur un plot respectif.
Le dépôt électrolytique destiné à être ensuite oxydé ou nitruré peut être notamment un dépôt de tantale, donnant lieu à un revêtement d'oxyde
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ou nitrure de tantale, particulièrement résistant aux agressions chimiques ou à la température et à la pression.
L'oxydation sera en général faite par une étape postérieure à l'étape de dépôt électrolytique de métal, mais il est parfois possible d'obtenir directement l'oxyde métallique pendant l'électrolyse elle-même plutôt que de procéder successivement à un dépôt de métal suivi d'une oxydation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un capteur dont la partie active est reliée par des fils soudés aux broches de l'embase; - la figure 2 représente le capteur de la figure 1, après dépôt électrolytique de métal sur les fils soudés et sur les plots de connexion ; - la figure 3 représente le capteur selon l'invention, après oxydation superficielle du dépôt électrolytique ; - la figure 4 représente un capteur dont la partie active est montée retournée et est soudée sur une embase par une opération de dépôt électrolytique de métal; -la figure 5 représente le capteur de la figure 4 après dépôt électrolytique d'une deuxième couche métallique et après oxydation superficielle de cette deuxième couche métallique. L'invention sera décrite à propos d'un capteur de pression devant fonctionner en environnement sévère, par exemple un capteur de pression de gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne ou un capteur de pression placé à l'intérieur du cylindre d'un tel moteur. L'environnement est sévère en raison des très hautes températures (plusieurs centaines de degrés celsius) et de la nocivité du milieu ambiant (gaz agressifs).
L'invention est applicable cependant à d'autres capteurs.
La figure 1 représente le capteur dans une phase intermédiaire de fabrication, dans laquelle la partie active du capteur a été soudée sur une embase et des fils de liaison ont été soudés entre des plots de connexion de la partie active et des broches de connexion montées sur l'embase.
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La partie active du capteur est constituée dans cet exemple à partir de deux plaques de silicium soudées 10 et 12, usinées de manière à délimiter une cavité 14 fermée par une membrane mince de silicium 16. La plaque 10 pourrait être en verre.
Sur la membrane 16 sont formées, par des procédés de fabrication de microélectronique, les éléments électroniques 18 nécessaires à la détection des déformations de celle-ci. Dans un exemple ces éléments sont des jauges de contrainte formées directement dans le silicium (par implantation de dopants appropriés dans le silicium) ou formées dans une couche de silicium séparé du substrat de silicium par une couche isolante (structure silicium sur isolant, dite SOI pour silicon on insulator ). Pour des environnements très sévères, ces jauges peuvent être réalisées sur la membrane à l'intérieur de la cavité 14; si l'environnement est moins difficile, elles peuvent être formées à l'extérieur de la cavité 14. Les jauges sont sensibles aux déformations de la membrane, provoquées par les variations de pression qu'on veut mesurer. Des connexions électriques 20 servant à l'alimentation des jauges et à la transmission de mesures faites sur ces jauges, sont formées sur la partie active du capteur. Ces connexions aboutissent, sur une face avant de la partie active du capteur à des plots de connexion 22 qui sont des surfaces métalliques conductrices servant à la liaison électrique avec des broches externes. La face avant, ou face principale, de la partie active du capteur est celle qui est tournée vers le haut sur la figure 1. La face avant est en général protégée par une couche de passivation 24 (en oxyde ou nitrure de silicium par exemple) qui recouvre toute la surface à l'exception des plots de connexion 22 ou au moins de leur partie centrale. Pour le montage de la partie active du capteur sur une embase, on réalise une embase 30 traversée par des broches de connexion métalliques 32 dont le nombre est égal au nombre de plots de connexion présents sur le capteur et nécessaires au fonctionnement de celui-ci. La partie supérieure des broches débouche à la surface supérieure ou au dessus de la surface supérieure de l'embase. La partie inférieure descend au dessous de la surface inférieure de l'embase et pourra être enfichée par exemple dans un connecteur femelle ou dans des trous d'un circuit imprimé, ou reliée par soudure à des fils conducteurs individuels, etc.
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L'embase peut être isolante ou conductrice, mais dans ce dernier cas il faut prévoir qu'un isolant 33 (par exemple du verre dans le cas d'une embase en métal) remplit les passages dans lesquels les broches sont insérées, afin d'isoler électriquement les broches les unes des autres. Dans une réalisation, l'embase est en alliage métallique tel que du Kovar, avec traversées de verre. Elle pourrait être en céramique isolante, voire en matière plastique pour des environnements à températures modérées.
La partie active du capteur est collée ou soudée par sa face arrière sur la surface supérieure de l'embase.
Des fils de liaison conducteurs 40 (par exemple des fils d'or) sont soudés entre les plots de connexion 12 et les sommets des broches 32.
Le procédé selon l'invention consiste alors à plonger dans un bain électrolytique la partie active du capteur ainsi que la partie supérieure des broches, pour qu'un dépôt métallique conducteur se forme, par migration électrolytique, à la fois sur les plots 22, sur les fils 40, et sur la partie supérieure des broches 32. Le dépôt électrolytique ne se forme que sur les parties conductrices plongées dans le bain ; il ne se forme pas en particulier sur la membrane 16 recouverte de la couche de passivation 24, de sorte que les caractéristiques mécaniques de la membrane ne sont pas altérées par le dépôt électrolytique. Un ou plusieurs métaux peuvent être déposés, notamment un alliage ou un dépôt simultané de plusieurs métaux.
La figure 2 représente le capteur ainsi recouvert d'un dépôt électrolytique 42 sur toutes ses parties conductrices au dessus de l'embase les parties situées au dessous de l'embase ne sont pas plongées dans le bain.
Le métal déposé par électrolyse peut être notamment du tantale, mais d'autres métaux sont possibles, en particulier du nickel ou du tungstène ou du molybdène. Une combinaison de métaux (alliage ou co-dépôt) peut aussi être envisagée. Les plots de connexion peuvent être en or ou en d'autres métaux ou combinaison de métaux (plusieurs couches métalliques superposées parfois). Si le dépôt est fait par électrolyse classique avec passage de courant dans une solution contenant des ions métalliques, on s'arrange pour connecter toutes les broches ensemble pendant le temps de l'électrolyse (de préférence par l'arrière de l'embase, c'est-à-dire par une partie qui ne plonge pas dans le bain électrolytique). Une différence de
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potentiel d'électrolyse appropriée est appliquée entre ces broches et une autre électrode plongeant dans le bain.
Un dépôt électroless est également possible ; dans ce cas l'électrolyse se produit par simple réaction chimique entre les broches ou plots de connexion et la solution ionique du bain électrolytique, sans application de différences de potentiel externes.
On procède alors à une opération d'oxydation ou nitruration superficielle de la couche électrolytique 42. La couche superficielle oxydée ou nitrurée 44 ainsi formée (figure 3) est isolante et très résistante aux agressions de l'environnement extérieur. I=n particulier, l'oxyde de tantale qui se forme dans le cas où la couche 42 est en tantale, est très résistant, même à haute température, à la pénétration d'humidité, à la salinité de l'air, aux agents corrosifs, etc. Toutes les parties conductrices situées au dessus de l'embase et qui avaient été recouvertes par le dépôt électrolytique 42 sont ainsi recouvertes de la couche de protection isolante 44.
Outre le fait qu'elle protège les parties conductrices contre le milieu agressif, la couche de protection isolante 44 a l'avantage d'éviter d'avoir à protéger le capteur par un bain d'huile isolante et une membrane métallique comme on le faisait parfois dans la technique antérieure pour éviter les fuites électriques entre broches portées à des potentiels différents. Ce type de montage était coûteux, et la présence du bain d'huile modifiait les caractéristiques propres du capteur: par exemple, dans le cas d'un capteur de pression, la pression extérieure est transmise à travers le bain d'huile, ce qui engendre des erreurs de mesure difficiles à compenser.
La figure 3 représente le capteur pourvu de la couche 44 sur toutes les parties conductrices situées au dessus de l'embase.
Les parties de broches dépassant à l'arrière de l'embase sont protégées pendant l'opération d'oxydation ou nitruration, ou bien elles sont décapées après cette opération.
L'oxydation ou nitruration de la couche électrolytique déposée peut se faire soit par recuit en atmosphère oxydante soit par trempage dans un bain chimique ou électrolytique oxydant. Parfois même elle peut se produire au cours du dépôt électroless.
L'invention est applicable également dans une autre configuration, dans laquelle la partie active du capteur est retournée avec sa face avant
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tournée vers le bas, c'est-à-dire tournée vers l'embase, la partie active étant directement soudée par ses plots conducteurs 22 sur les sommets des broches 32. La figure 4 représente une étape de fabrication intermédiaire dans laquelle on a fixé la partie active du capteur sur son embase de la manière suivante: chaque sommet de broche 32 dépasse de la surface supérieure de l'embase, en regard d'un plot respectif 22, et il est maintenu contre ce plot pendant que l'ensemble de la partie active du capteur et les sommets de plots sont plongés dans un bain électrolytique. Un dépôt métallique 34 se forme à la fois sur les plots et les extrémités de broches. Ce dépôt constitue une soudure électrolytique entre le plots et les broches et on poursuit l'électrolyse suffisamment longtemps pour que l'épaisseur déposée forme une liaison mécanique rigide entre les plots et les broches. Les éléments conducteurs qui relient les plots 22 aux sommets des broches sont dans ce cas constitués par le dépôt électrolytique 34 et non par des fils comme aux figures 1 à 3.
Si le métal ainsi déposé par voie électrolytique est facilement oxydable ou nitrurable, et si la couche d'oxyde ou nitrure alors formée présente les caractéristiques souhaitées de résistance à la corrosion, on peut effectuer son oxydation ou nitruration superficielle directement, soit par recuit en atmosphère oxydante soit par 'trempage dans un bain oxydant pour réaliser la couche de protection désirée sur les éléments conducteurs. Si au contraire le métal déposé n'est pas facile à oxyder ou nitrurer, ou si l'oxyde ou nitrure formé n'est pas suffisamment résistant dans l'environnement envisagé, on effectue un nouveau dépôt électrolytique d'un autre métal (du tantale notamment), suivi d'une oxydation ou nitruration superficielle de ce métal. C'est le cas notamment si le premier dépôt électrolytique, servant à souder les plots sur les broches, est en cuivre.
La figure 5 représente un capteur ainsi recouvert .de la première couche électrolytiquement déposée 34 (cuivre par exemple), puis d'une deuxième couche électrolytique 35 (tantale de préférence), et enfin de la couche superficielle oxydée isolante 36 (oxyde de tantale Ta205).
L'invention est particulièrement applicable à des capteurs de pression, d'efforts, d'accélérations, de température, de détection de gaz ouo de liquide, fonctionnant en environnement sévère.
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Claims (7)

  1. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un capteur de grandeur physique, consistant à préparer une partie active de capteur (10, 12) et une embase (30), la partie active comprenant au moins une plaque pourvue de plots de connexion conducteurs (22) sur une face, et l'embase étant pourvue de broches conductrices (32),à relier électriquement les plots et les broches par des éléments conducteurs (40), puis à plonger la plaque et les extrémités de broche dans un bain électrolytique, à effectuer un dépôt électrolytique d'au moins un métal conducteur (42) sur les extrémités de broche, les plots, et les éléments conducteurs qui les relient, et à effectuer une oxydation ou nitruration de ce métal pour constituer un revêtement isolant (44) sur les extrémités de broches de connexion, les plots, et les éléments conducteurs qui les relient.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt électrolytique est effectué par migration d'ions métallliques en provenance d'une solution liquide, avec passage de courant électrique dans la solution.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt électrolytique est un dépôt électroless effectué par migration d'ions métalliques en provenance d'une solution liquide sans passage de courant électrique.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal conducteur déposé électrolytiquement est du nickel ou du tantale ou du tungstène ou du molybdène.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les broches de connexion et les plots de connexion sont reliés par des fils soudés (40).
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  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments conducteurs qui relient les plots électriquement et mécaniquement aux broches, sont constituées par un dépôt métallique électrolytique (34).
  7. 7. Capteur de grandeur physique obtenu par le procédé de l'une revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur de pression, d'efforts, d'accélération, ou de détection de gaz ou de liquide.
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