Sommaire

* Introduction
* Réalisation d'un boîtier
* Choix du matériau
* Contraintes
* Contraintes liées aux performances électriques
* Contraintes liées à l'intégration de composants et de circuits
* Le montage direct
* Le montage sur semelle
* Le montage de sous ensembles complexes
* Contraintes liées aux spécifications d'environnement
* La technologie d'intégration modulaire
* Le boîtier plastique
* Le boîtier  métallique
* à perles de verre
* à inserts céramique
* Le boîtier céramique
* Le boîtier à montage en surface
* Le boîtier multicouches

* Introduction

Le rôle du boîtier est primordial car il influence directement les performances électriques, les coûts ,les rendements de fabrication et la fiabilité des fonctions hyperfréquences.
La fonction première d'un boîtier consiste à protéger la fonction qu'il contient de l'environnement extérieur. Pour cela ,il devra satisfaire aux exigences requises pour son utilisation (industriel, grand  public, militaire ou spatial).

* Réalisation d'un boitier

Boîtier et circuits hyperfréquences sont inséparables sur le plan électrique. La conception du boîtier fait partie de la conception de la fonction ou du sous-ensemble.
Il est donc primordial de concevoir le boîtier en étudiant tous les éléments qui risquent de perturber ou de dégrader les fonctions à conditionner et qui sont :

• le matériau  utilisé pour réaliser semelle et boîtier
• les différentes contraintes (électriques, mécaniques, thermiques , d'environnement)

L'étude des  autres caractéristiques ou fonctionnalités souhaitées ou demandées par l'utilisateur sont aussi à prendre en compte dès le début de la conception du boîtier. (facilité de montage et démontage des éléments , cascadable , testable automatiquement et de manière simple, réparabilité de la fonction en cours d'intégration et compatibilité avec les techniques de report et de câblage manuelles ou automatiques)

* Choix du matériau

Les premiers critères de choix du matériau du boîtier sont :

• la densité (masse)
• le coefficient de dilatation ( qui doit être le plus proche possible du coefficient de dilatation du substrat utilisé pour réaliser les circuits)
• la conductivité thermique ou dissipation thermique  ( lié à la puissance du dispositif )
• la résistivité ( liée aux performances électriques et aux techniques de fermeture ) composants
• le coût ( lié à l'usinabilité et au traitement de surface )

Le tableau ci-dessous donne les principales caractéristiques des métaux les plus connus.

Des matériaux bien plus performants que ceux cités précédemment sont en cours d'évaluation . La production en volume n'est pas  prévue pour tout de suite. Ils restent en outre très onéreux.
     * L'AlSiC (matrice d'Aluminium parsemée de particule de carbure de silicium). Ce matériau 3 fois plus léger que le Kovar (densité = 2.95) , avec une conductivité thermique 10 fois supérieure (150 W/m/K) et un faible coefficient de dilatation thermique (8.5 ppm/K) , sert notamment à la réalisation de modules multi-puces. Le principal problème lié à l'utilisation de ce matériau reste sa non soudabilité.
     * Les alliages à mémoire de forme ( matériau permettant à la pièce de changer de changer de forme en fonction de la température) . Utilisés depuis quelques années dans le médical ( TiNi)  , ils sont à l'étude dans le domaine de l'électronique ( en particulier avec 80% de cuivre). Ces alliages peuvent être utilisés pour réaliser des semelles ou des plots amenés à recevoir des substrats ou boîtiers céramique. (absorption des écarts de dilatation).

* Les contraintes

Les boîtiers intégrant des circuits et composants RF et micro-onde sont conçus spécifiquement pour une application donnée et les contraintes dépendent donc de l'application (grand public, industriel , militaire ,spatial ...). Elles sont caractérisées par :

• le mode de fonctionnement (vide, pression, gravité, température..)
• la tenue ou résistance aux chocs, vibrations, radiations..

et bien sur la masse , la consommation , la durée de vie et la fiabilité du système.

- Les contraintes liées aux performances électriques

Le boîtier fait partie intégrante du circuit électrique . Il doit éviter la propagation des modes parasites et assurer l'isolement :
* entre différentes parties du ou des circuits. Il est donc important et nécessaire de parfaire le blindage interne .
* entre les différents accès ( RF, alimentation , commande...) . On veillera donc à éviter les bouclages parasites . L'isolation , qui doit être la plus élevée possible , ne dépend pas exclusivement de la structure interne du boîtier mais aussi de l'environnement extérieur. Il est donc important de peaufiner le blindage externe des accès.
Le boîtier doit par ailleurs être conçu pour permettre un test hyperfréquence aisé. Il sera donc nécessaire d'en tenir compte car il peut avoir une influence sur la topologie des accès.

Les modes parasites

- Les contraintes liées à l'intégration de composants et de circuits

La technologie du boîtier doit être compatible avec les températures :

• de report et de câblage des circuits et composants dans le boîtier.
• de report du boîtier sur la structure

Dans les deux cas il s'agit d'étudier la dilatation différencielle entre les éléments constituant le système.

- le montage direct
Ce montage direct des composants et des substrats au fond du boîtier est réservé à des fonctions simples car la réparabilité reste délicate. Ce type de montage est généralement utilisé pour l'encapsulation de circuits dans des boîtiers "faible coût". Le métal du boîtier devra être choisi en fonction de la nature du substrat (céramique, époxy, quartz ...) et du mode de report (collage ou brasure) :

• un alliage léger pour des substrats collés de petites dimensions
• du Kovar pour des systèmes plus complexes mais de faible puissance
• du Cuivre-Tungstène ou du Cuivre-Molybdène pour des application de puissance

- le montage sur semelle
Ce type de montage est réservé à des sous ensembles relativement complexes. Le métal de la semelle peut être choisi indépendamment de celui du boîtier. Seul le métal de la semelle doit  être accordé en dilatation avec le substrat . L' excellente réparabilité du montage sur semelle est par ailleurs un atout à ne pas négliger. Pour minimiser les discontinuités de masse ,il est essentiel d'utiliser une semelle adaptée en épaisseur à la fréquence d'utilisation du dispositif ( Fmax directement fonction de L'épaisseur de la semelle ). Cette semelle sera généralement inférieure à 1mn pour un fonctionnement jusqu'à 15 GHz.


- le montage de sous-ensembles complexes
Pour des applications demandant des performances élevées , l'ensemble des fonctions est réuni dans un boîtier hermétique (alliage léger) . C'est la technologie " plateau ". Sur ce "plateau" , on peut trouver :

• des circuits passifs  ( couche mince, couche épaisse , CI..)
• des composants ou circuits actif ( en boîtier ou sur semelle)
• des circuits ou lignes d'interconnexion  ( circuit imprimé sur substrat organique adapté).
• des commutateurs directement intégré dans le boîtier (diode PIN)

Toutes ces fonctions devront bien sur être accordées en dilatation ( composants sur circuit MIC , MIC sur semelle, substrat organique sur boîtier...) et éventuellement isolées les unes des autres par des blindages métalliques (cloisons , canaux fraisés..), les canaux pouvant être recouvert d'un capot vissé ou soudé. L'herméticité de l'ensemble est obtenue par l'emploi de connecteurs coaxiaux hermétiques et d'un couvercle soudé par laser.
Cette technologie " plateau " , très sophistiquée, reste dédiée ,du fait de son coût élevée ,à des applications militaires ou spatiales. Par ailleurs, elle présente de nombreux inconvénients :

• réalisation du "plateau" délicate  ( usinage complexe )
• faible rendement de fabrication ( intégration d'un grand nombre de circuits)
• réparations en cas de panne difficiles
• ajustements et réglages des circuits nécessaire en fin de montage pour garantir les spécifications du sous-ensemble.

- Les contraintes liées aux spécifications d'environnement

Ces contraintes dépendent de l'application: grand public,industriel,spatial,militaire...
- les contraintes mécaniques :
Il peut être utile de vérifier le comportement de la mécanique par des méthodes d'analyse et d'optimisation numériques dans le cas de circuits complexes soumis à des contraintes de vibrations importantes.
- les contraintes thermiques :
La conception du boîtier doit assurer la compatibilité de dilatation entre les différents matériaux (boîtier, semelle, substrat) quand le système fonctionne. (ex: entre -55°c et +125°c pour la gamme militaire). Pour assurer la fiabilité du dispositif en fonctionnement , la température de jonction des composants actifs doit être maintenue sous les 150°c . Il sera donc nécessaire dans certains cas de faire des analyses thermiques au niveau du composant pour déterminer cette température de jonction et au niveau du sous-ensemble pour le dimensionnement du boîtier et le placement des composants de puissance.
Les méthodes d'analyse thermique sont nombreuses et plus ou moins complexes.

Méthodes d'analyse thermique

Elles sont toutes liées aux 3 modes de transfert de chaleur :

• la conduction
• le rayonnement
• la convection

En atmosphère normale, la convection et le rayonnement permettent de dissiper chacun    5 Watts par m2 et par °. Une ventilation permet de gagner un facteur 2 à 3 sur la convection.
- l' herméticité :
Cette contrainte est nécessaire pour des niveaux de qualité importants (militaire ou spatial)
L'herméticité du boîtier permet une meilleure protection des semi-conducteurs et une meilleure fiabilité du dispositif. Elle est obtenue par l'utilisation de connecteurs hermétiques et de couvercles soudés . La fermeture est éffectuée  sous atmosphère controlée (neutre et sèche) et peut être: à la molette ( soudure électrique entre les 2 métaux constituant le capot et les parois du boîtier) , au laser ou par soudure eutectique (une préforme AuSn est utilisée pour fixer le capot). Les colles époxy ne sont généralement pas utilisée pour des
équipements spatiaux.

* La technologie d'intégration modulaire

La conception de sous-ensembles à partir de fonctions modulaires utilisant des boîtiers intégrables faible coût standards ou spécifiques est actuellement très utilisée.
Cette technique d'intégration utilisant des boîtiers faible coût est dédiée principalement aux applications civiles . C'est aussi la principale technique d'intégration ou d'encapsulation des circuits MMIC.
Les avantages de cette technologie modulaire sont nombreux :

• amélioration du rendement de fabrication
• possibilité de réaliser des tests intermédiaires
• réparation en cas de panne plus aisée

Les  principales familles de boîtiers faible coût sont :

• le boîtier plastique
• le boîtier  métallique
• le boîtier céramique
• le boîtier à montage en surface

De nombreuses variantes combinant ces matériaux ( plastique, métal et céramique) permettent d'améliorer certaines caractéristiques.

* Le boîtier plastique

L'utilisation de ces types de boîtiers est réservé à des applications en dessous de 5GHz . Ces boîtiers ne sont pas conformes aux exigences spatiales et militaires : tenue en température , herméticité , irradiations , ECM . Leur principal intérêt reste leur faible prix de revient.

* Le boîtier métallique

On peut répartir ces boîtiers en deux types suivant les connexions qu'ils utilisent avec l'extérieur.

- Le boîtier métallique à perles de verre

Ces boîtiers utilisables jusqu'à 18 GHz sont largement employés. C'est le même principe que les boîtiers classiquement utilisés en hybride. La traversée est effectuée par une perle de verre , les performances micro-ondes étant dépendantes de cette transition coaxiale et du type de verre utilisé.
Le fonctionnement à très large bande reste un handicap à leur utilisation . En effet, les discontinuités de masse et le couplage de modes parasites de propagation le long du pourtour du boîtier posent de nombreux problèmes.

boîtiers à perles de verre

- Le boîtier métallique à inserts céramique

Ce type de boîtier est constitué par un cadre métallique brasé sur une semelle métallique accordée en dilatation avec l'alumine du circuit ( Kovar, CuMo, CuW ). Les accès hyperfréquences sont réalisés par des inserts céramique ( Al2O3 ) sur lesquels on grave des lignes microstrip 50 ohms. Ces inserts céramique bicouches sont brasée à l' Ag/Cu à près de 800 °C sur la semelle et le cadre, réalisant une transition microstrip-triplaque-microstrip très large bande .La fermeture hermétique est assuré par un couvercle en kovar soudé par brasure.
Ces boîtiers offrent une grande souplesse d'utilisation (réalisation de boîtier à partir de semelles , de cadres métalliques et d'inserts standard) et une bonne fiabilité. Les performances micro-ondes sont très bonnes jusqu'à 20 GHz . Les pertes en réflexion > à 20dB et les pertes en transmission < à 0.2dB. L'isolation entrée-sortie de l'insert souvent supérieure à 40 dB est meilleure que pour les boîtiers céramiques.

Pour certaines applications il est nécessaire d'avoir des traversées céramiques ( inserts) et des traversées à perles de verre  dans le même boîtier. La difficulté de ce type de montage réside dans la capacité à utiliser des perles enverrées à 1000 °C qui devront ensuite supporter  les 800°C correspondant au brasage des inserts dans le cadre et sur la semelle.

* Le boîtier céramique

Ces boîtiers sont constitués d'un cadre céramique multicouche brasé sur une semelle métallique (bonne dissipation thermique). Le cadre supérieur est métallisé et connecté à la masse par l'intermédiaire de trous métallisée traversant le cadre multicouche, évitant ainsi  la propagation d'ondes parasites.
La fermeture hermétique du boîtier est réalisée au moyen d'un capot métallique (Kovar) ou céramique brasé généralement au moyen d'une préforme (AuSn).
Ces boîtiers présentent de nombreux avantages:

• facilité de réalisation des différents passages ou transitions
• possibilité de réaliser de petits boîtiers ayant de nombreux accès
• boîtiers plus légers (comparé aux boîtiers métalliques)
• faible coût de fabrication pour des grandes quantités

Le problème le plus important reste la reprise de masse . En effet, au dessus de 20 GHz, les trous métallisée traversant le cadre multicouche ne suffisent pas. ( F max dépend du pas des trous métallisés). Pour assurer un meilleur blindage de la cavité , le cadre peut être réalisé en intégrant plusieurs plans de masse lors de la fabrication du multicouche. Ce  type de boîtier permet un fonctionnement sans résonances jusqu'à 40 GHz.

Exemple de boîtier avec plans de masse multiples

L'utilisation d'un matériau à faible constante diélectrique permet aussi d'obtenir de meilleurs résultats en HF. (boîtier en quartz fonctionnant à 45 GHz)

Les deux principales technologies de fabrication de boîtiers sont :

• la technologie coffritée haute température qui permet l'utilisation de céramiques de très bonnes qualités diélectriques (alumine 96 à 99.6%) . La température élevée liée à ce type de réalisation du boîtier demande des métallisations spécifiques (W,Mo,MoMn..) dont la conductivité électrique est moyenne.
• La technologie cocuit basse température qui permet de réaliser des circuits complexes en utilisant un procédé couche épaisse ( métallisation Au principalement). La céramique utilisée ayant de moins bonnes qualités diélectriques que l'alumine,  les boîtiers réalisés par cette technique ne sont généralement pas utilisés pour un fonctionnement au delà de 15 GHz.

Le scellement verre à basse température est un autre procédé ( Stratedge) qui permet l'utilisation de circuits couche mince sur de l'alumine de très bonne qualité.

Exemples de boîtiers céramique

* Le boîtier à montage en surface

Ce type de boîtier destiné à être monté en surface sur un circuit imprimé a été développé par la société Avantek (figure ci-dessous). Ce boîtier fait partie des boîtiers dits " à fond intelligent " , c'est à dire que le circuit passif est intégré dans le boîtier (il s'agit plus généralement d'un circuit capoté). Ce boîtier est constitué par un substrat d'alumine ou d'Oxyde de Beryllium ( applications de puissance) sur lequel un circuit en technologie couche mince est réalisé .Les connexions DC , RF ou vidéo  sont amenés par la face arrière (trous métallisés traversant le substrat)puis des pattes de connexions sont brasés sur les trous métallisés. Après avoir reporté puis connecté la ou les puces par l'intermédiaire de fils d'or sur le substrat ,le capot métallique constituant la cavité est brasé sur le pourtour du substrat.

Le substrat ( circuit imprimé) recevant ce type de boîtier doit être accordé en dilatation avec le substrat en céramique et les transitions RF entre le boîtier et le circuit imprimé doivent être optimisées avec soin pour assurer une bonne adaptation.
Ce concept de boîtier à montage en surface est proposé dans des versions différentes par d'autres fabricants.

* Le boîtier multicouches

Les boîtiers multicouches ,qu'ils soient céramiques ou polyimides, sont réalisés suivant deux techniques. Le substrat multicouches est intégré dans un boîtier faible coût  ou il  est utilisé comme base d'un boîtier  " à fond intelligent ".
Toutes les interconnexions ( RF , DC ou vidéo ) sont  réalisées sur le même substrat multicouches , d'où une énorme simplification de réalisation et un gain important sur la masse et le volume du boîtier et sur le nombre d'opérations d'assemblage.
Les boîtiers multicouches polyimides utilisent les techniques classiques de réalisation de circuits et les multicouches céramiques une combinaison de technologie sur divers substrats ( couche mince et couche épaisse sur alumine, quartz, BeO, AlN,...).