FR2812969A1 - Capteur micro-usine avec soudure electrolytique et procede de fabrication - 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) dont les extrémités supérieures sont disposées dans l'espace chacune en regard d'un plot respectif (22). On applique la face portant les plots contre la partie supérieure des broches, et on plonge l'ensemble dans un bain électrolytique pour déposer du métal (34) qui vient souder rigidement les broches sur les plots. De préférence on recouvre ensuite d'un isolant (36) les parties conductrices (plots et broches) de l'ensemble, pour éviter des fuites électriques entre broches soumises à des potentiels différents.
Description
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CAPTEUR MICRO-USINE AVEC SOUDURE ELECTROLYTIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION L'invention concerne le montage de capteurs de grandeurs physiques susceptibles de fonctionner en environnement sévère.
CAPTEUR MICRO-USINE AVEC SOUDURE ELECTROLYTIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION 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 et les sommets des broches de connexion qui dépassent de la surface de l'embase.
Cette solution est coûteuse, soit en temps de réalisation soit en prix de machine de soudage automatique.
L'invention vise à proposer une solution moins coûteuse, présentant de bonnes qualités de résistance mécanique, un encombrement réduit, et utilisable dans un grand nombre d'applications, incluant notamment des capteurs de pression et des accéléromètres.
Selon l'invention on propose un capteur de grandeur physique comportant au moins une plaque micro-usinée pourvue de plots de connexion conducteurs sur une face principale, et une embase pourvue de broches de connexion conductrices, la face principale étant tournée vers l'embase et chaque plot de connexion venant en regard d'une extrémité de broche correspondante, un dépôt électrolytique de métal ou de métaux enrobant l'extrémité de chaque broche et le plot de connexion correspondant de manière à établir une fixation rigide entre cette extrémité et le plot.
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Par dépôt électrolytique, on entend un dépôt de métal ou de métaux (alliage de métaux ou dépôt de plusieurs métaux) 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 sans alimentation en courant (dépôt dit electroless ).
Le procédé de réalisation selon l'invention consiste donc - à préparer une partie active de capteur et une embase, la partie active comprenant au moins une plaque pourvue de plots de connexion sur une face avant, et l'embase étant pourvue de broches conductrices dont les extrémités sont disposées spatialement de telle sorte que chaque extrémité vienne s'appuyer contre un plot respectif de la plaque lorsque la face avant de celle-ci est rapprochée de l'embase, - à maintenir la plaque contre l'embase et plonger la plaque et au moins les extrémités de broche dans un bain électrolytique, et effectuer un dépôt électrolytique de métal conducteur sur les extrémités de broche et les plots avec une épaisseur de métal suffisante pour assurer une fixation rigide entre les broches et les plots par le métal déposé.
Le dépôt électroltytique sur les plots et sur les broches réalise en quelque sorte une soudure avec apport de métal entre ces plots et les broches, et la résistance de cette soudure en environnement difficile est bien plus élevée que celle qu'on obtiendrait si on utilisait une simple colle conductrice entre les broches et les plots. De plus, cette fixation se fait sans avoir besoin de porter les plots à haute température comme ce serait le cas avec une véritable soudure ou brasure. Par ailleurs, l'opération de fixation par dépôt électrolytique se fait sans contrainte mécanique entre les plots et les broches.
Ce procédé peut être mis en oeuvre de manière collective pour des lots de capteurs, sans impliquer de machine coûteuse telles que celles qui permettent de faire du wire-bonding automatique.
Les broches peuvent avoir, au dessus de la surface de l'embase une hauteur importante, par exemple de quelques millimètres pour une embase d'un centimètre de diamètre, de sorte que le capteur est suspendu d'une manière relativement souple du fait de la souplesse propre des
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broches. II est donc moins soumis aux contraintes que peut supporter l'embase, en particulier aux contraintes de dilatation thermique, aux chocs, aux vibrations, etc.
De préférence, les broches de connexion et les plots de connexion recouverts de métal électrolytique sont recouverts d'une couche isolante pour supprimer les risques de court-circuit ou les chemins de fuite de courant entre broches lorsque celles-ci sont disposées dans un environnement liquide ou gazeux non parfaitement isolant (air humide et salin par exemple, ou eau).
La couche isolante peut être produite par oxydation ou nitruration électrolytique, ou par un deuxième dépôt métallique conducteur et une oxydation ou nitruration de ce deuxième dépôt. Elle peut être faite aussi par dépôt d'isolant minéral par décomposition chimique éventuellement assistée par plasma. Pour des environnements moins sévères, un dépôt de couche organique isolante peut être envisagé.
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 une phase du procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 2 représente une phase ultérieure du procédé ; - la figure 3 représente le capteur selon l'invention à la fin du procédé de fabrication.
L'invention sera décrite uniquement 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 un capteur selon l'invention, avec une partie active et une embase, dans une phase qui précède la fixation de la partie active sur l'embase. La partie active du capteur est constituée dans cet
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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 bas 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 au moins égal au nombre de plots de connexion présents sur le capteur et nécessaires au fonctionnement de celui-ci. La partie supérieure des broches est située au dessus de l'embase et dépasse de la surface de celle-ci. 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 disposition spatiale des broches dans l'embase est telle que lorsqu'on rapproche la face avant du capteur (face inférieure sur la figure 1) de la partie supérieure de l'embase, chaque broche vient s'appuyer en contact direct (mécanique et électrique) respectivement avec un plot de connexion 22 du capteur.
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, en les maintenant en contact avec les plots, pour qu'un dépôt métallique conducteur se forme, par migration électrolytique, à la fois sur les plots et sur la partie supérieure des broches.
L'opération de dépôt électrolytique (avec ou sans courant électrique pour réaliser l'électrolyse) est poursuivie jusqu'à ce que l'épaisseur de métal déposé soit suffisante pour assurer une liaison mécanique rigide entre chacune des broches et un plot correspondant de la partie active du capteur.
La figure 2 représente le capteur ainsi fixé rigidement à son embase. La partie des plots 22 et des broches 32 qui a été en contact avec le bain électrolytique est entièrement recouverte d'une couche 34 de métal déposé. Le métal ne s'est pas déposé sur les parties non conductrices du capteur (la couche de passivation 24 notamment). Dans l'exemple représenté, toute la partie de broche dépassant de l'embase est recouverte parce qu'on a plongé toute cette partie dans le bain, mais ce n'est pas obligatoire; il suffit que la zone de broche à proximité immédiate du plot de connexion soit plongée dans le bain.
Le métal déposé par électrolyse peut être notamment du cuivre ou de l'or, ou du nickel, mais d'autres métaux sont possibles. Plusieurs métaux peuvent être déposés. Un alliage de métaux ou un co-dépôt de deux ou plusieurs métaux peut aussi être envisagé. Les plots de connexion peuvent
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être en or ou aluminium 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 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.
L'épaisseur de dépôt de métal sur les broches peut-être de quelques dizaines de micromètres ou plus pour assurer une soudure mécanique rigide entre les broches et la surface du capteur.
La partie supérieure des broches, dépassant au dessus de la surface supérieure de l'embase, peut avoir une longueur très faible, ou bien une longueur importante pour assurer alors une certaine souplesse de liaison entre le capteur et son embase, la souplesse étant due à la flexibilité naturelle des broches, d'autant plus grande que les broches sont plus minces et que leur partie dépassante est plus longue.
Lors de la fabrication de l'embase portant les broches traversantes, on doit faire attention à ce que les extrémités de broches se situent toutes dans un même plan pour s'appuyer uniformément contre tous les plots de connexion du capteur (en faisant l'hypothèse, généralement vraie, que tous les plots sont dans un même plan). Si toutefois un léger intervalle subsistait entre une broche et un plot, il serait vite comblé par le matériau de dépôt électrolytique.
Après le dépôt électrolytique qui soude le capteur sur les broches de l'embase, il est préférable de prévoir une opération supplémentaire de protection de toutes les parties conductrices du capteur, de l'embase et des broches, par une couche isolante. Cette couche sert de couche de passivation empêchant notamment des fuites électriques de courant entre les broches lorsque celles-ci sont en atmosphère non parfaitement isolante (ambiance d'air salin, etc.). Cette couche de passivation peut non seulement
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empêcher des fuites électriques à travers l'air ambiant, mais elle peut aussi empêcher une pénétration d'humidité vers les parties conductrices du capteur. La nature de cette couche est évidemment fonction de la sévérité des conditions ambiantes: une couche minérale sera nécessaire pour des hautes températures, une couche organique peut être suffisante si la température reste au dessous de 200 c par exemple. Les couches minérales qui peuvent être déposées sont par exemple de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du carbure de silicium, et même du diamant. Alternativement, une couche organique pourrait être en silicone ou en parylène.
Un procédé particulièrement efficace pour des environnements sévères peut consister notamment à effectuer une oxydation ou nitruration électrolytique de la surface métallique conductrice des broches et des plots du capteur. Dans une réalisation, on oxyde ou nitrure électrolytiquement la couche métallique 34 qui a servi à souder le capteur sur les broches, en plongeant le capteur dans un nouveau bain électrolytique approprié à cette oxydation ou nitruration. Dans une autre réalisation, on dépose une deuxième couche métallique par électrolyse, par dessus la couche 34 (notamment si la couche 34 n'est pas facile à oxyder ou nitrurer électrolytiquement, ou si l'oxydation ou la nitruration aboutit à une couche insuffisamment résistante aux agressions de l'environnement, on peut préférer déposer une deuxième couche métallique plus facilement oxydable ou nitrurable) ; la deuxième couche peut être en nickel ou tantale par exemple ; puis on oxyde ou nitrure la deuxième couche métallique, soit en atmosphère gazeuse oxydante ou nitrurante soit en plongeant le capteur et les broches dans un bain chimique ou électrolytique oxydant ou nitrurant. Dans une troisième réalisation, la couche isolante est formée par un dépôt électrolytique d'isolant (oxyde métallique ou nitrure métallique).
Enfin, si cela est plus facile, la formation de la couche de passivation peut être effectuée plus classiquement par un dépôt de couche isolante minérale (oxyde de silicium ou nitrure de silicium) par dépôt en phase gazeuse assisté par plasma. Dans ce cas, bien sûr la couche supplémentaire ne se limite pas à recouvrir les parties conductrices apparentes du capteur, elle recouvre toutes les parties exposées à la source de produit de dépôt dans le réacteur de dépôt.
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La couche de protection isolante ainsi déposée permet notamment 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 de ce bain d'huile modifie 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 d'une couche de protection supplémentaire 36 sur toutes les parties conductrices.
On a représenté sur les figures des broches conductrices droites. On peut envisager dans certains cas des formes de broches non droites et en particulier tordues de manière à augmenter leur souplesse vis-à-vis de mouvements à la fois parallèles au plan de l'embase et perpendiculaires à ce plan. Cela à l'avantage de faciliter l'application de l'extrémité des broches contre les plots conducteurs lors de l'électrolyse ; cela a aussi ultérieurement l'avantage de mieux découpler le capteur de son embase, évitant de transmettre à la partie active des efforts excessifs ou des vibrations indésirables, alors que la partie active, par sa nature même est particulièrement sensible aux contraintes mécaniques.
L'invention est particulièrement applicable à des capteurs de pression, d'efforts, d'accélérations, de température, fonctionnant en environnement sévère.
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Claims (11)
1. Capteur de grandeur physique comportant au moins une plaque micro-usinée (12) pourvue de plots de connexion conducteurs (22) sur une face principale, et une embase (30) pourvue de broches de connexion conductrices, la face principale étant tournée vers l'embase et chaque plot de connexion venant en regard d'une extrémité de broche correspondante, un dépôt électrolytique de métal ou de métaux (34) enrobant l'extrémité de chaque broche et le plot de connexion correspondant de manière à établir une fixation rigide entre cette extrémité et le plot.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal electrolytique déposé est du cuivre, ou de l'or, ou du nickel.
3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les broches de connexion (32) et les plots de connexion (22) recouverts de métal électrolytique sont recouverts d'une couche isolante (36).
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche isolante est en oxyde de silicium, ou en nitrure de silicium, ou en oxyde ou nitrure de tantale, ou en oxyde de nickel, ou en carbure de silicium, ou en diamant, ou en silicone, ou en parylène.
5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il constitue un capteur de pression, d'efforts, d'accélérations, ou de détection de gaz ou de liquide..
6. Procédé de fabrication 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 (12) pourvue de plots de connexion (22) sur une face avant, et l'embase étant pourvue de broches conductrices (32) dont les extrémités sont disposées spatialement de telle sorte que chaque extrémité vienne s'appuyer contre un plot respectif (22) de la plaque lorsque la face avant de celle-ci est rapprochée de l'embase, à maintenir la plaque contre l'embase, à plonger la plaque et au moins les
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extrémités de broche dans un bain électrolytique, et à effectuer un dépôt électrolytique de métal conducteur (34) ou de métaux conducteurs sur les extrémités de broche et les plots avec une épaisseur de métal suffisante pour assurer une fixation rigide entre les broches et les plots par le métal déposé.
7. Procédé selon la revendication 6, 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.
8. Procédé selon la revendication 6, 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.
9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les broches de connexion et les plots de connexion recouverts de métal électrolytique sont recouverts d'une couche isolante (36).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche isolante est obtenue par oxydation ou nitruration électrolytique du métal déposé par voie électrolytique, ou par un deuxième dépôt métallique conducteur et une oxydation ou nitruration de ce deuxième dépôt.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche isolante est obtenue par dépôt d'isolant minéral par décomposition chimique éventuellement assistée par plasma.
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