VI.2.1/ Principe et objectifs du capot
La protection usuelle des circuits électroniques, sur le plan mécanique et sur le plan électromagnétique, consiste en la mise sous boîtier métallique. Dans le cas des circuits sur membrane, la protection contre toute pression accidentelle par contact est aussi indispensable.
Nous avons vu aux chapitres IV et V que les circuits coplanaires reposent généralement sur un support métallique (et nous avons vérifié que, pour l’épaisseur de 360 µ m de substrat silicium, l’influence électromagnétique du support était acceptable). Dans ces conditions la membrane est protégée contre les agressions par la face inférieure.
La précaution à prendre en priorité pour des circuits sur membrane est donc de protéger la face supérieure où la membrane affleure. Le capot supérieur doit donc :
- constituer une barrière mécanique robuste et indéformable,
- constituer un écran électromagnétique, donc être métallique ou métallisé, - être fixe par rapport aux circuits, donc être collé ou soudé,
- avoir une influence faible ou parfaitement reproductible sur les caractéristiques fonctionnelles des circuits protégés, donc avoir des dimensions contrôlées avec précision.
De plus :
- l’écran métallique doit être raccordé électriquement aux deux demi-plans de masse pour parfaire la symétrie électrique de guide coplanaire et défavoriser le mode parasite pair ;
- la hauteur du capot doit pouvoir être adaptée aux exigences particulières de chaque type de circuit à protéger.
VI.2.2/ Architecture du capot
Compte tenu de la maîtrise du développement technologique du silicium micro-usiné comme substrat, il est logique d’avoir recours à la même technologie pour le capot. Le capot sera donc formé d’un substrat de silicium de résistivité standard, micro-usiné et métallisé sur sa face inférieure. Nous bénéficions ainsi de la rigidité du cristal, de la précision géométrique de la gravure anisotropique et de la technologie de fabrication collective, permettant de réaliser plusieurs dizaines de capots à partir d’un même substrat.
Comme les accès doivent rester libres pour permettre le raccordement à d’autres circuits, la structure qui s’impose est celle d’un pont. Le pont s’étend d’une seule pièce sur toute la longueur (en z) du circuit à blinder, son empattement (en x) est suffisant pour qu’il prenne appui sur le silicium massif du substrat inférieur. Pour permettre le passage des pointes de mesure, des fenêtres sont aménagées dans le tablier du pont aux emplacements appropriés. La Figure VI.1 présente une vue de principe en coupe.
y x
au niveau d’une fenêtre de mesure en dehors d’une fenêtre
de mesure
capot circuit sur membrane
Figure VI.1 : Schéma de principe en vue de coupe d’un circuit micro-blindé
La partie inférieure du capot repose sur les demi-plans de masse du circuit, les deux stuctures à assembler sont recouvertes d’or. Comme l’assemblage est la dernière opération du processus de fabrication, il doit obligatoirement se faire à une température assez basse pour ne pas mettre en cause l’intégrité du composant. Nous avons adopté un assemblage par collage avec une colle conductrice. Cette technique, simple à mettre en œuvre, est largement utilisée en micro-électronique.
Nous avons préféré cette solution aux techniques de soudure. L’inconvénient de la température élevée, normalement nécessaire à une soudure, pouvait être contourné de plusieurs façons. La soudure laser or/or localise l’échauffement en des régions extrêmement limitées, mais elle nécessite un appareillage lourd. L’eutectique or/indium permet une soudure à une température voisine de 200 °C mais cette technique revient très cher à cause du coût de l’indium.
VI.2.3/ Réalisation technologique
La Figure VI.2 présente une vue schématique d’un capot.
Figure VI.2 : Vue schématique d’un motif de capot
La partie supérieure du capot est tout d’abord micro-usinée par gravure chimique anisotropique au niveau des fenêtres de mesure et des puits d’assemblage dans du KOH. Lorsque l’épaisseur de silicium restante est égale à deux fois la hauteur de pont désirée, la partie inférieure est micro-usinée en parallèle au niveau du pont, des puits d’assemblage et des sillons. Ce deuxième micro-usinage est effectuée plus lentement dans du TMAH afin de diminuer la rugosité en vue de la métallisation ultérieure. La Figure VI.3 présente un résumé des différentes étapes technologiques.
L’assemblage entre le capot et le circuit est réalisé à l’aide d’une machine de photogravure classique, le capot prenant la place habituellement occupée par le masque. L’alignement est effectué à l’aide de mires réalisées sur le circuit à travers des trous usinés dans le capot. Les deux plaquettes sont ensuite mises fermement en contact. Puis une goutte calibrée de colle conductrice (Epo-Tek H20E à base de laque d’argent) est déposée dans chaque puits à l’aide d’une seringue pneumatique. Cette étape, bien qu’effectuée de manière manuelle, pourrait être automatisée sans difficultés. La colle est enfin polymérisée pendant 18 heures à température ambiante, en maintenant la pression mécanique entre les deux plaquettes, puis 2 heures à 200°C.
Pour augmenter la surface d’adhésion, des sillons sont préalablement micro-usinés dans le substrat du capot. Ces sillons réunissent les puits entre eux et permettent un écoulement de la colle. La Figure VI.4 présente une vue de coupe entre deux paires de puits d’assemblage et au niveau d’une paire de puits d’assemblage.
couche de masquage SiO2 (8000 Å)
Si3,2N4 (6000Å)
photolithographie (AZ4562 7µm) vue de : fenêtre de mesure
puits d’assemblage vue de : sillons (reliant les puits)pont
gravure plasma CF4 dans le bicouche diélectrique face supérieure (45 min) gravure plasma CF4 dans le Si3,2N4 face inférieure (30 min) gravure anisotropique dans KOH (10 M) à 85 °C
lorsque l’épaisseur du silicium restant est égale à 2 fois la hauteur du pont désiré gravure isotropique du SiO2 dans buffer HF gravure anisotropique dans TMAH (11 M) à 85 °C supression isotropique du diélectrique dans HF pur métallisation par évaporation Ti (1000 Å) Au (5000 Å) (a) (b) silicium
faible résistivité faible résistivitésilicium
Figure VI.3 : Filière technologique de réalisation du capot vue en coupe au niveau des fenêtres de mesure (a) et du pont (b)
au niveau d’une paire de puits d’assemblage entre 2 paires de puits d’assemblage puits d’assemblage sillons
reliants les puits d’assemblage
y x
Figure VI.4 : Vue de coupe au niveau d’une paire de puits d’assemblage
La Figure VI.5 présente une photographie d’un groupe de capots. Nous distinguons les ponts encadrés par leurs fenêtres de mesures. De part et d’autre des ponts, nous apercevons les puits d’assemblage reliés entre eux par un sillon.
fenêtres de mesures pont
puits d’assemblage pont
Figure VI.5 : Vue collective de capots (vue de dessous)
VI.2.4/ Conclusion et perspectives
La filière de réalisation du capot a pu être développée simplement à partir de la filière de réalisation des circuits. La technique d’assemblage est simple et a donné satisfaction. A partir de ces développements il serait aussi possible de développer des capots inférieurs, si le besoin en apparaissait. La Figure VI.6 schématise cette possibilité.
silicium métallisation
capot inférieur
Figure VI.6 : Exemple de micro-blindage inférieur à hauteur adaptable