FR2738705A1 - Dispositif capteur electromecanique et procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
Le dispositif capteur électromécanique comprend une plaquette de liaison électrique (10) portant des pistes d'interconnexion électrique et une plaquette active (12). Dans la plaquette active est découpé un capteur mécanique comportant un niveau métallisé (30) d'interconnexion. Les pistes et le niveau métallisé sont ensuite solidarisés par des billes de contact ponctuelles et éventuellement un cordon en un matériau de brasure électriquement conducteur. Un tel dispositif peut constituer gyromètre ou accéléromètre.
Description
DISPOSITIF CAPTEUR ELECTROMECANIQUE ET PROCEDE
DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF
La présente invention concerne les dispositifs de mesure
comprenant un capteur électromécanique, généralement minia-
ture, découpé dans une plaquette munie de pistes d'intercon-
nexion électrique destinées à véhiculer les signaux interve-
nant dans la mesure. Elle est applicable aux dispositifs de mesure des paramètres physiques susceptibles de créer des contraintes ou des déformations d'une partie active du
capteur. On peut notamment citer des dispositifs de pres-
sion, d'accélération et de vitesse de rotation, tels que
ceux utilisés sur les véhicules.
On connaît déjà des dispositifs capteurs comprenant d'une part une plaquette active dans laquelle est découpé un capteur mécanique et d'autre part sur laquelle sont déposées des pistes d'interconnexion et une plaquette portant des liaisons électriques et des plages de raccordement avec l'extérieur, qu'on peut qualifier de "passive". Les liaisons électriques entre les plaquettes et la solidarisation des plaquettes entre elles (notamment lorsque l'espace entre les plaquettes doit être rendu étanche) sont réalisées au cours d'opérations distinctes, par des techniques qui donnent lieu
à un taux de rebut important.
La présente invention vise à fournir un dispositif
capteur miniaturisable, répondant mieux que ceux antérieure-
ment connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est réalisable de façon simple et avec des rendements
de fabrication élevés.
Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif capteur électromécanique comprenant: - une plaquette de liaison électrique portant des pistes d'interconnexion électriques, - une plaquette active, dans laquelle est découpé le capteur mécanique, comportant un niveau d'interconnexion en faisant face à la plaquette de liaison électrique, et - des moyens de liaison électrique et de solidarisation des deux plaquettes, comprenant des billes de contact ponctuel et, le cas échéant, un cordon entourant le capteur mécanique et les billes, les billes et le cordon étant en un
matériau de brasure électriquement conducteur.
En général, les pistes d'interconnexion électrique de la plaquette de liaison électrique comportent, sur un substrat, un premier niveau d'interconnexion formant des plots de sortie et un second niveau d'interconnexion séparé du premier par un intercalaire diélectrique. Le premier niveau d'interconnexion peut ainsi être séparé du cordon par l'intercalaire diélectrique et permet de former les plots de sortie sur une partie de la plaquette de liaison électrique
qui déborde de la plaquette active.
Souvent, le cordon sera prévu pour constituer une barrière d'étanchéité entre un volume contenant le capteur mécanique proprement dit et l'extérieur. Dans d'autres cas, tel que celui d'un dispositif de mesure de pression, un passage sera au contraire ménagé dans le cordon ou l'une des plaquettes. Le dispositif capteur peut être complété par un capot de protection contre l'environnement extérieur, rapporté sur la
plaquette active, par exemple à l'aide d'un adhésif.
Le substrat de liaison électrique peut être en divers matériaux, par exemple en silicium monocristallin, en
céramique, en verre résistant à la température de consti-
tution des moyens de solidarisation. La plaquette peut même être constituée par un circuit intégré d'application
spécifique, ou ASIC.
La présente invention vise également à fournir un procédé de fabrication de dispositif capteur permettant une réalisation collective d'un grand nombre de dispositifs sur une même tranche de substrat, avec découpage ultérieur de
séparation de dispositifs.
Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de fabrication de capteur électromécanique, suivant lequel: - on constitue, sur une première plaquette, des pistes d'interconnexion électrique sous forme d'au moins un niveau - on dépose, sur la plaquette de liaison électrique, des gouttes et un cordon de brasure à des emplacements destinés à être reliés à la plaquette active, - on relie, par refusion sous vide, ou en atmosphère inerte ou réductrice, les plaquettes l'une à l'autre par chauffage et refroidissement, de façon à créer des liaisons électriques et de solidarisation entre les plaquettes, et d'interconnexion, - on constitue enfin une plaquette active par découpe
d'un capteur mécanique et dépôt d'un niveau d'intercon-
nexion. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres
apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit
de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés
à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère
aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est une coupe, montrant la constitution de principe d'un dispositif suivant un mode particulier de
réalisation de l'invention, pouvant constituer un accéléro-
mètre; - la figure 2, similaire à la figure 1, montre une fraction d'un dispositif pouvant constituer un capteur de pression; - la figure 3 est une vue de dessus, avec arrachement
partiel de la plaquette active, d'un accéléromètre consti-
tuant un mode particulier de réalisation;
- la figure 4, similaire à la figure 3, montre schémati-
quement un dispositif constituant gyromètre vibrant.
Le dispositif capteur dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte une plaquette de liaison électrique 10 et une plaquette active 12 recouverte par un capot de protection 14. La plaquette de liaison électrique
représentée comporte un substrat 16. Dans le cas d'un -
dispositif miniaturisé, ce substrat sera généralement du silicium monocristallin. Toutefois, d'autres matériaux sont utilisables. En particulier, on peut utiliser un substrat constitué de quartz, de verre résistant à la température
nécessaire au brasage, voire même de céramique. Pour consti-
tuer un dispositif miniature, on utilisera généralement un
substrat en silicium monocristallin de 500 à 600 ium d'épais-
seur, présentant en surface une pellicule d'oxyde isolant.
La plaquette de liaison électrique 10 du mode de
réalisation de la figure 1 comporte deux niveaux de métalli-
sation. Le premier niveau 18 qui peut être réalisé par une des techniques habituelles à l'heure actuelle, par exemple par photo- lithographie, comporte les plots de sortie 20 permettant de raccorder un circuit extérieur. Il a quelques
pin d'épaisseur.
Sur le premier niveau 18, on dépose ou forme une couche mince de diélectrique 22 pouvant être constituée par un oxyde ou un nitrure ou, plus fréquemment, par une résine
diélectrique, telle qu'un polyimide. Dans la couche diélec-
trique 22 sont ensuite ménagées, par un processus de gravure qui peut être classique, des ouvertures destinées à une interconnexion avec le second niveau de métallisation ou avec les moyens de liaison électriques qui seront décrits
plus loin.
Le second niveau de métallisation 24 peut avoir une constitution similaire à celle du premier. Ce niveau 24 a
quelques pin d'épaisseur. Pour permettre la fixation ulté-
rieure, il a une structure composite. Il peut en particulier comporter des dépôts successifs de titane, de nickel et d'or
de quelques uin d'épaisseur. Cette constitution peut égale-
ment être celle du premier. Le dépôt peut s'effectuer, par
exemple, par pulvérisation cathodique.
Après masquage éventuel par une résine, on constitue localement une couche de matériau de brasure qui formera ensuite les moyens de liaison électriques et mécaniques. On peut notamment utiliser une résine de masquage jouant un rôle de vernis épargne pour délimiter les zones o doit être déposée la brasure. La composition de brasure peut être un étain-plomb couramment adoptée et ayant un point de fusion de l'ordre de 200 C à 300 C (alliage étain-plomb 60/40 ou /5). Cette composition peut être déposée par dépôt
électrolytique.
Les billes 26 et le cordon 28 destinés ultérieurement à
assurer les liaisons sont constitués par refusion et re-
froidissement de la brasure sous vide, en atmosphère inerte ou en atmosphère légèrement réductrice (par exemple en atmosphère d'azote ou de N2H2). La tension superficielle au cours du refroidissement assure la forme de bille ou de cordon. L'épaisseur du dépôt et la taille de la base des plots et du cordon sont choisis de façon que les billes aient un diamètre de 10 à 100lum de diamètre et que le cordon ait 20
à 30iim d'épaisseur.
On prépare séparément la seconde plaquette 12, repré-
sentée sur la figure 1 dans l'état o elle se trouve après
usinage. Cette plaquette est constituée, comme la précéden-
te, à partir d'un substrat, dont la nature sera différente suivant le type d'effet que l'on veut mettre en oeuvre
(notamment effet piézo-résistif, piézo-électrique ou capa-
citif). Sur le substrat est déposé un niveau de métallisa-
tion 30, par un procédé qui peut être le même que celui
utilisé pour la plaquette 10.
Les deux plaquettes 10 et 12 sont ensuite fixées l'une
à l'autre, en alignement. Pour cela, on effectue un traite-
ment préalable de surface, par exemple par pulvérisation cathodique. Puis les deux plaquettes sont mises en contact et les scellements effectués par chauffage jusqu'à la température de fusion de la brasure et refroidissement, sous vide, en atmosphère inerte ou en atmosphère légèrement réductrice. Dans le cas illustré sur la figure 1, on a représenté des portions 32 en porte-à-faux dont l'ancrage est réalisé par une ou plusieurs lignes de billes. Le découpage peut être effectué par des procédés de litho-photographie puis de
gravure anisotrope, telle que la gravure ionique réactive.
A titre d'exemple de structures réalisables, on peut citer celles décrites dans les demandes de brevet francais
Nos 92 02782 et 95 08447 auxquelles on pourra se reporter.
Un intérêt de la constitution qui vient d'être décrite est qu'il est possible de réaliser collectivement un grand nombre de dispositifs à partir de tranches de substrat, par exemple de silicium. L'usinage de la plaquette active peut être effectué après la solidarisation qui donne naissance à un ensemble robuste (par exemple par rodage jusqu'à quelques dizaines de uim d'épaisseur, puis gravure chimique de la face
supérieure et/ou gravure ionique réactive).
Comme le montre la figure 1 en traits mixtes, les motifs de métallisation et d'isolement sont alors reproduits à intervalles réguliers sur les tranches, avant montage et
découpage final, à la scie.
Dans ce cas, une protection des dispositifs par un capot 14 peut être nécessaire. En effet, on découpe les tranches scellées l'une sur l'autre avec arrosage par de l'eau désionisée. Les distances entre les parties mobiles et les parties fixes étant faibles, les forces de capillarité
peuvent causer, au cours d'un séchage ultérieur, la destruc-
tion de parties actives.
Ce risque est évité en prévoyant une plaquette consti-
tuant l'ensemble des capots 14 collée, à l'aide d'une pellicule d'adhésif 34, sur chacune des zones de la plaque destinée à donner naissance à la plaquette 12. La découpe peut être effectuée ensuite en deux phases. Au cours de la première phase, une découpe partielle suivant la direction
de la flèche fl permet de dégager les plots de contact 20.
Une seconde découpe suivant f2, à travers le capot et les
deux tranches, permet de séparer les dispositifs.
La figure 2, o les éléments correspondants à la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, montre une fraction des plaquettes 10 et 12 d'un dispositif destiné à
constituer un capteur de pression.
Dans ce cas, la plaquette active 12 est localement amincie pour constituer une membrane déformable 36. Dans ce cas, avant gravure, on soumet la plaquette (ou la tranche tout entière en cas de fabrication collective) à un rodage et un polissage mécaniques. Un polissage sur les deux faces sera souvent nécessaire, en cas de fabrication collective, pour permettre de graver des marques d'alignement permettant
ultérieurement un positionnement relatif précis des plaquet-
tes, avant scellement.
La membrane mince 36 peut être réalisée, une fois l'épaisseur de la plaquette 12 réduite à quelques dizaines de pim, par gravure chimique de la partie supérieure ou par
gravure ionique réactive.
La fixation des deux plaquettes l'une sur l'autre s'effectue comme indiqué précédemment. Toutefois, le cordon de scellement 28 laisse subsister une brèche pour permettre l'accès de la pression de référence, comme indiqué par la flèche P. La mesure des déformations de la membrane 36 peut
s'effectuer par un des procédés connus à l'heure actuelle.
On peut notamment utiliser une mesure capacitive, piézo-
résistive ou même piézo-électrique.
Sur la figure, seuls le cordon de scellement et une bille de fixation ont été représentés. D'autres liaisons seront prévues entre l'élément actif et les plages de sortie
, sur la partie de la plaquette 10 qui déborde latérale-
ment de la plaquette 12.
Les plaquettes seront généralement constituées du même
matériau ou de matériaux ayant des coefficients de dilata-
tion sensiblement égaux, pour éviter les contraintes
d'origine thermique.
Le dispositif capteur représenté schématiquement sur la figure 3 est destiné à mesurer les accélérations intervenant dans la direction des flèches F. Sur cette figure, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont encore
désignés par le même numéro de référence.
La plaquette de liaison électrique 10 a la constitution précédemment décrite. Avant montage de la plaquette active, elle reçoit les niveaux de métallisation, les billes de matériau de brasure 26 et le cordon 28. La plaquette active pourra être constituée à partir d'une tranche de silicium
monocristallin ayant l'épaisseur standard de 500 ou 600 tim.
Cette plaquette peut être rodée et polie après fixation à la plaquette d'interconnexion, pour réduire son épaisseur jusqu'à 10 à 30 pm. Le découpage destiné à constituer la masse sismique et ses bras de liaison peut être effectué par des procédés déjà utilisés pour le micro-usinage du silicium dans toute son épaisseur, par exemple par gravure humide ou par gravure sèche anisotropique, qui permet d'obtenir des flancs perpendiculaires aux faces. Si des parties de la
plaquette active sont séparés du reste, elles sont mainte-
nues par les billes 26.
Dans le cas illustré sur la figure 3, l'accéléromètre comporte une masse sismique centrale 38 reliée à deux parties latérales formant socle par des bras flexibles, obtenus par découpage. Une telle constitution ne sera pas
décrite en détail, car elle est l'une de celles habituelle-
ment utilisées pour constituer des accéléromètres miniatu-
res. Le dispositif capteur montré schématiquement sur la figure 4 constitue un gyromètre vibrant. La plaquette active présente un plot de fixation central 40, fixé à la plaquette d'interconnection par des billes 26, reliées par des bras découpés constituant des ressorts de suspension 42 à une masse sismique cylindrique 44. Des billes supplémentaires 26 placées à la périphérie assurent la liaison entre les sorties 20 et des électrodes fixes 46 de détection et d'excitation. Dans le cas illustré, neuf plots de sortie 20
sont prévus. Huit plots correspondent aux électrodes circon-
férentielles. Le neuvième correspond à l'électrode reliée au
plot 40.
On voit que l'invention permet de réaliser des disposi-
tifs capteurs ayant une plaquette dans laquelle est micro-
usinée une structure déformable dans le plan de la plaquette ou perpendiculairement à ce plan, par exemple en forme de poutre ou de membrane. La structure est ancrée mécaniquement et connectée électriquement à une seconde plaquette formant substrat d'interconnexion et elle peut être entièrement protégée de l'environnement extérieur, cela en conservant
des plages de contact électrique directement accessibles.
Claims (11)
1. Dispositif capteur électromécanique comprenant: - une plaquette de liaison électrique (10) et de structure portant des pistes d'interconnexion électrique; - une plaquette active (12) dans laquelle est découpé un capteur mécanique, comportant un niveau métallisé (30) d'interconnexion, en face de la plaquette de liaison électrique (10); des moyens de liaison électrique et de solidarisation
des deux plaquettes, comprenant des billes de contact ponc-
tuel (26) et éventuellement un cordon (28) entourant le
capteur mécanique et les billes, les billes et éventuelle-
ment le cordon étant en un matériau de brasure électri-
quement conducteur.
2. Dispositif capteur selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la plaquette active (12) a des dimensions inférieures à celles de la plaquette de liaison électrique (10) pour permettre l'accès à des plots de sortie électrique
(20)prévus sur ladite plaquette de liaison électrique.
3. Dispositif capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les plaquettes comportent un substrat en silicium monocristallin, quartz, verre ou céramique, la plaquette de liaison électrique pouvant être un circuit
intégré d'application spécifique.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté-
risé en ce que les pistes d'interconnexion électrique de la plaquette de liaison électrique (10) comportet)sur un substrat (16), un premier niveau d'interconnexion formant
des plots de sortie (20) et un second niveau d'intercon-
nexion séparé du premier par un intercalaire diélectrique (22).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 4, caractérisé en ce que le cordon (28) constitue une barrière d'étanchéité entre un volume contenant le capteur
métallique proprement dit et l'extérieur.
6. Dispositif capteur selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un
capot (14) de protection contre l'environnement extérieur, rapporté sur la plaquette active (10) à l'aide d'un adhésif (34).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en ce que la plaquette active est découpée de façon à constituer un accéléromètre ou un gyromètre à mesure par effet capacitif, piézo-électrique ou piézo-résistif.
8. Procédé de fabrication d'un dispositif capteur électromécanique, suivant lequel: - on forme, sur un premier substrat (16), des pistes d'interconnexion électrique sous forme d'au moins un niveau d'interconnexion pour constituer une plaquette de liaison électrique (10), - on prépare une plaquette active (12) dans un second substrat et par dépôt d'un niveau d'interconnexion (30), - on dépose, sur la plaquette de liaison électrique, des billes et un cordon de brasure à des emplacements destinés à être reliés à la plaquette active, on relie, par refusion sous vide ou en atmosphère inerte ou réductrice, les plaquettes l'une à l'autre par chauffage et refroidissement, de façon à créer des liaisons électriques et de solidarisation entre les plaquettes, on usine la plaquette active (12) pour terminer la réalisation
du capteur mécanique.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on rode et polit la plaquette active (12), après fixation de la plaquette active (12) à la plaquette de
liaison (10).
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé
en ce que l'on constitue collectivement plusieurs disposi-
tifs en formant simultanément les pistes d'interconnexion électrique de plaquettes de liaison sur une première tranche, en ce que l'on dépose les billes et les cordons de brasure destinés à l'ensemble des dispositifs sur ladite première tranche, en ce que l'on constitue le niveau d'interconnexion des plaquettes actives correspondantes sur une seconde tranche et en ce qu'on usine collectivement les
plaquettes actives avant découpage de tranches.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, avant séparation des dispositifs, on fixe une tranche supplémentaire, destinée à constituer des capots (14), sur les deux premières tranches déjà fixées l'une à l'autre, en ce que l'on découpe l'empilement ainsi constitué sans attaquer la première tranche, et en ce qu'on achève ensuite
la séparation des dispositifs.
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| GB2304903A (en) | 1997-03-26 |
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