CH626479A5

CH626479A5 -

Info

Publication number: CH626479A5
Application number: CH628379A
Authority: CH
Inventors: Raymond Huguenin; Gottfried Kuechli
Original assignee: Suisse Horlogerie
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1981-11-13
Also published as: GB2056764B; FR2460565A1; DE3025477A1; GB2056764A; FR2460565B1; IT8023198A0; CA1152586A; JPS5610723A; IT8023198A1; IT1150027B; US4445256A

Description

L'invention est relative à un procédé de fabrication de composants électroniques comportant au moins un résonateur piézoélectrique et aux composants fabriqués selon ce procédé.

La recherche de méthodes de production toujours plus rationnelles pour permettre la fabrication en masse et l'abaissement corrélatif des prix de revient a mené à la conception de résonateurs à quartz dits «monolithiques», c'est-à-dire où, comme décrit par exemple dans les demandes de brevets FR 78 33349 et FR 78 33350, l'élément résonant et son support ne constituent qu'une seule et même pièce. Dans ces résonateurs, l'élément résonant est découpé dans une plaquette piézoélectrique mais sans en être détaché: au niveau des zones non actives, l'élément résonant reste solidaire de la plaquette qui forme ainsi un cadre-support. L'élément résonant est ensuite équipé d'électrodes par dépôt métallique, de même que son cadre reçoit des pistes métallisées destinées à la connexion électrique des électrodes avec l'extérieur ainsi qu'au montage final par soudage de couvercles sur chacune des faces du cadre, ce qui réalise un encapsulage excellent.

Cette technique a permis d'envisager la fabrication en masse d'éléments résonants associés à leurs supports et ayant une robustesse excellente. Mais ces éléments individuels doivent ensuite être séparés les uns des autres pour la réalisation de l'encapsulage et les méthodes de production en masse font alors place à un traitement pièce à pièce. En outre, il est à noter que les procédés de fabrication en masse n'étaient jusqu'à présent

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mis en oeuvre que pour des unités élémentaires simples et ja- que. Le verre se prête bien à cette utilisation, mais pour des mais pour des composants plus complexes pouvant comprendre raisons de dilatation thermique, le quartz cristallin, de même plusieurs résonateurs et même d'autres composants électroni- coupe que la plaquette 3 se révèle bien plus avantageux. Pour ques qu'il pourrait être possible d'intégrer. dégager l'élément résonant 1, dans les plaquettes-couvercles 4,

Ces limitations, et notamment le fait que la reprise des réso- 5 5 sont ménagées des cavités borgnes 6 de même contour que le nateurs pièce par pièce pour les opérations de montage et de cadres-support 2 de l'élément résonant. Une couche métallique finition, n'apparaisse pas rationelle et soit source de pertes de d'alliage comme pour le cadre 2 est déposée autour de ces ca-

temps, ont suscité des efforts pour la mise au point de nouveaux vités de manière à former un cadre analogue 7. Afin de laisser composants utilisant des résonateurs monolithiques et auxquels ultérieurement dégagée une partie de la surface métallisée de puissent être appliqués des procédés de fabrication permettant 10 chacune des faces de la plaquette 3, une échancrure 8 est ména-

la production en masse, même pour des composants plus com- gée dans chacune des plaquettes 4 et 5, et de préférence sur des plexes comprenant plusieurs résonateurs et éventuellement bords opposés par rapport à l'axe médian du composant ter-

d'autres éléments qu'il est possible d'intégrer sur la même pia- miné.

quette que celle qui sert à l'obtention du résonateur, ce qui L'assemblage du composant, c'est-à-dire du résonateur, se permet la réalisation de circuits hybrides. 15 fait ensuite sous vide ou vide partiel en présence d'un gaz noble

L'invention qui concerne donc des composants électroni- ou inerte en amenant en contact les trois couches constituées par ques comprenant au moins un résonateur piézoélectrique et des les plaquettes 3,4,5 alignées de façon que les cadres soient en procédés permettant leur obtention est exposée dans la descrip- regard les uns des autres. Les plaquettes en contact sont chauf-

tion qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se rapportera fées au-dessus de la température de fusion de l'alliage métalli-

aux dessins parmi lesquels: 20 que puis refroidies jusqu'à solidification de cet alliage. De préfé-

La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un compo- rence cette opération se fait cependant en deux temps. Dans le sant comprenant un résonateur à diapason selon l'invention, premier, une seule plaquette terminale ou couvercle (4 ou 5) est non assemblé, fixée à la plaquette support 3 de l'élément résonant 1. Puis, par l'intermédiaire de la plage de contact laissée libre par l'échan-

La figure 2 montre le même composant après assemblage, et 25 crure 8 et de la piste métallisée sur la face encore libre de la

La figure 3 le composant terminé après la fixation des fils de plaquette 3, l'élément résonant peut être excité et entretenu connexion, électriquement en oscillation, ce qui permet l'ajustement de la

La figure 4 illustre le procédé d'obtention en masse de com- fréquence par enlèvement de matière sur la face libre, par exem-

posants tels que celui de la figure 3, pie en utilisant un faisceau laser. Cette opération étant faite, il

Les figures 5 et 6 représentent la constitution en vue éclatée 30 est procédé de la même manière que précédemment à la fixation et sous forme de produit fini d'un composant selon l'invention de la seconde plaquette terminale 5. L'ajustement final de fré-

comprenant deux résonateurs, quence et les épreuves habituelles de contrôle peuvent être alors

Les figures 7 et 8 illustrent le cas d'un nombre quelconque menés à bien toujours en utilisant les plages de contact que les de résonateurs pour une utilisation comme filtre multicanaux, échancrures 8 laissent dégagées. Sur le produit assemblé repré-

La figure 9 représente un composant selon l'invention, com- 35 senté en perspective à la figure 2 sont alors fixés les conducteurs portant un résonateur et d'autres composants électroniques dis- de connexion électrique 9 pour donner le composant terminé

crets, représenté à la figure 3.

La figure 10 illustre le procédé d'obtention de composants Pour expliquer la conception du résonateur qui vient d'être comprenant deux résonateurs de types différents et superposés, décrit, on a considéré que les plaquettes, support de l'élément

La figure 11 est une vue éclatée d'un tel composant et les 40 résonant 1 ou terminales 4, 5, étaient déjà mises à la dimension figures 12 et 13 montrent le composant terminé avant et après définitive et traitées avant l'assemblage. Or, cette conception fixation des conducteurs de connexion, même faisant appel à une structure multicouches, se prête parti-

Les figures 14 et 15 illustrent, dans le cadre de l'invention, culièrement bien à la production non plus pièce par pièce, mais un composant permettant la mise en oeuvre d'un procédé en masse, par grandes séries. Cette fabrication en masse du d'ajustement final de fréquence par recharge de matière. 45 résonateur précédent est illustrée par la figure 4, où les éléments

Un premier exemple particulièrement simple de composant individuels portent les mêmes numéros de référence que précé-

conforme à l'invention et ne comprenant qu'un résonateur est demment.

représenté à la figure 1. Un élément résonant 1, figuré ici par un Sur une plaquette 3 de matériau piézoélectrique sont dédiapason — mais il pourrait s'agir de toute autre forme plane coupés comme auparavant mais en série des éléments résonants d'élément résonant, par exemple un barreau, et de tout mode de 50 1, les électrodes sont déposées avec les connexions voulues avec vibration compatible avec cette forme plane - est obtenu d'une les pistes métallisées formant cadre 2, et ceci sur les deux faces seule pièce avec son support 2 par découpage dans une pia- de la plaquette 3. Dans les plaquettes terminales 4 et 5 sur leur quette 3 de matériau piézoélectrique, par exemple de quartz seule face interne,sont ménagées selon le positionnement et les monocristallin dont la taille définie par rapport aux directions dimensions correspondant aux cadres 2 de la plaquette 3, des privilégiées a été choisie en fonction de l'application envisagée. 55 cavités borgnes 6. Une piste métallisée formant cadre 7 d'alliage La plaquette 3 forme donc autour de l'élément résonant 1 un métallique à bas point de fusion entoure ces cavités 6. Des per-cadre-support 2. L'élément résonant 1 porte des électrodes ha- forations 8 sont ensuite pratiquées dans le bord de chaque cadre bituelles (non représentées) obtenues par métallisation selon 7 des plaquettes terminales 4 et 5. Celles-ci sont destinées à toute technique appropriée connue. Le cadre 2 reçoit sur cha- dégager l'accès aux pistes métallisées associées aux éléments cune de ses faces une piste métallisée à laquelle est connectée 60 résonants 1 de la plaquette 3. Les perforations 8 dans chaque l'électrode correspondante et une couche d'alliage métallique à plaquette terminale 4,5 sont disposées de préférence de ma-bas point de fusion qui servira pour l'assemblage ultérieur. nière à ne pas se trouver en regard de celles de l'autre plaquette,

Le résonateur est complété par deux couvercles supérieur et comme pour les échancrures 8 évoquées plus haut.

inférieur. Selon l'invention, ceux-ci sont constitués par deux plaquettes de matériau électriquement isolant et de mêmes dimen- 65 Ceci étant fait, l'assemblage des plaquettes 3,4,5 porteuses sions que la plaquette 3, respectivement 4 et 5. De préférence ce de tous leurs éléments individuels se fait de la même manière matériau isolant sera optiquement transparent, permettant ainsi que dans le cas du résonateur des figures 1 à 3. Ce n'est qu'après la traversée d'un faisceau laser ou d'un rayonnement calorifi- l'ajustement de fréquence final, en utilisant les plages de la pia-

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quette 3 dégagées par les perforations 8 pour l'entretien électri- Dans tout ce qui a été exposé ci-dessus, il est à noter que par que, que les résonateurs individuels sont séparés les uns des l'utilisation de la même plaquette 3 de matériau piézoélectrique, autres par sciage des plaquettes assemblées, ce qui donne des par exemple de quartz monocristallin, les résonateurs monoli-composants identiques à celui de la figure 2. On passe alors à un thiques obtenus et renfermés dans le même composant électrotraitement pièce par pièce pour l'obtention de produits terminés s nique final sont nécessairement de la même coupe, par exemple avec leurs pattes de connexion 9 comme celui représenté à la la coupe X, Z, AT, etc ... de la plaquette 3 elle-même. Or, la figure 3. Dans ce qui précède, le produit fini est un simple même technique peut, sans difficultés technologiques particu-

résonateur, mais la même technologie multicouches s'applique lières, être généralisée à des composants pouvant comprendre aussi bien à la réalisation de composants électroniques compre- des résonateurs de coupe différente en faisant cette fois appel à nant deux résonateurs associés de même fréquence ou plusieurs io plusieurs plaquettes piézoélectriques taillées selon les coupes (m) résonateurs de fréquences différentes pour une utilisation désirées et superposées en étant isolées les unes des autres par comme filtres milticanaux, ou encore de composants compre- des plaquettes intermédiaires, l'empilement s'achevant de part nant au moins un résonateur associé à d'autres composants élec- et d'autre par une plaquettes couvercle terminale. Ainsi, avec n troniques discrets dans le même encapsulage. Des exemples de (entier >1) plaquettes piézoélectriques dans chacune destelles réalisations individuelles et pouvant être obtenues par le is quelles est découpé au moins un élément résonant, on pourra procédé de fabrication en masse exposé ci-dessus sont illustrés avoir dans le même composant final m résonateurs monolithi-par les figures 5,6,7,8 et 9. ques (m 5= n 3= 1), les plaquettes piézoélectriques étant sépa-

Pour ces exemples d'exécution généralisés à plusieurs réso- rées par n-1 plaquettes isolantes intermédiaire, le tout étant pris nateurs ou composants individuels dans le même composant entre deux plaquettes isolantes terminales.

d'ensemble, tout ce qui a été dit précédemment pour le cas 20 La figure 10 illustre un tel assemblage à cing couches auquel élémentaire s'applique par simple analogie, ainsi n'est-il pas né- est appliqué le procédé de fabrication en masse déjà évoqué cessaire ni même utile d'entrer dans trop de détails. dans le cas de résonateurs simples, le composant individuel ap-

A la figure 5, l'élément résonant 1 avec son cadre 2 est paraît en vue éclatée à à la figure 11, et après sciage de l'empile-

associé dans le même produit, donc sur la même plaquette 3, à ment des plaquettes à la figure 12, la figure 13 représentant le un second élément résonant l'avec son cadre 2'. Les deux 25 produit terminé après fixation des conducteurs de connexion, cadres 2 et 2' sont séparés par une zone non métallisée, donc Dans l'exemple représenté, afin de dégager par le haut et par le isolante. Dans les plaquettes terminales correspondantes 4 et 5, bas, sur chaque plaquette piézoélectrique 3,3 un accès à une les cavités 6 sont doublées 6' de même que leurs cadres 7,7' et plage métallisée pour l'excitation électrique des résonateurs, séparées par une piste isolante. Il en est de même des échan- puis plus tard la fixation définitive de conducteurs (figure 13), crures 8,8' dégageant des plages métallisées des cadres 2,2' de 30 les plaquettes intermédiaires 10 et terminales 4 et 5 portent la plaquette 3. ' chacune deux perforations dans le bord de leur cadre, par exem-

L'assemblage se fait comme précédemment, pour obtenir le pie, comme représenté, aux extrémités d'une diagonale pour la produit fini représenté à la figure 6. Il est clair que le procédé de plaquette intermédiaire 10 et aux extrémités d'un grand côté, fabrication en masse exposé pour les résonateurs simples s'ap- qui n'est pas le même dans les deux cas, pour les plaquettes plique sans modification fondamentale à ce cas. Cette applica- 35 terminales 4,5. Les plaquettes piézoélectriques portent, elles, tion est particulièrement intéressante pour des composants com- une seule perforation dans un angle du cadre, la perforation de portant deux résonateurs de même fréquence mais de rapports l'une étant dans l'angle opposé du cadre de l'autre. Chacune des dimensionnels différents leur conférant des températures d'in- plaquettes piézoélectriques est donc ainsi accessible par le haut version décalées, ce décalage étant mis à profit pour la compen- et par le bas.

sation thermique. 40

L'assemblage et l'ajustement à la fréquence ne posent pas Le cas de composants à deux résonateurs peut également se de problème particulier par rapport à ce qui a été dit dans le cas généraliser sans difficulté à un nombre quelconque de résona- simple. L'utilisation des composants ainsi obtenus peut s'appli-teurs disposés côte à côte comme représenté aux figures 7 et 8. quer de façon intéressante aux techniques de thermocompensa-Dans ce cas cependant, pour la réalisation des connexions exté- 45 tion.

rieures (les connexions croisées intérieures sont facilement réa- La technologie de la conception multicouches du compo-

lisables par les procédés bien connus d'isolation par évaporation sants selon l'invention permet, en plus de ce qui a été déjà de Si02, «sputtering» de Si02, A1203, ou TA205, ou encore exposé, l'application d'un procédé par recharge de matière pour déposition en phase gazeuse de composés appropriés sur la pia- l'ajustement final de fréquence, comme alternative au procédé quette 3), la plaquette terminale supérieure 4 sera un peu moins 50 par enlèvement de matière. Un exemple d'une telle application large que les deux autres 3,5 de manière à dégager l'extrémité est illustré par les figures 14 et 15 pour un composant individuel, des pistes métallisées de la plaquette 3, ce qui est un équivalent mais ceci vaut évidemment toujours pour la fabrication en des échancrures 8 des cas précédents. Le produit fini a alors grande série. Comme auparavant, la plaquette piézoélectrique 3

l'aspect représenté à la figure 8. Ce composant trouve une utili- avec son élément résonant est prise entre deux plaquettes termi-sation intéressante comme filtre multicanaux. 55 nales 4 et 5. Celles-ci sont optiquement transparentes et leur

A la figure 9 est représentée en plan la plaquette 3 relative à cavité es revêtue d'une couche 11,11 ' de métal évaporable dont un autre type de composant selon l'invention. Celui-ci com- la tension de vapeur est élevée. Entre ces plaquettes terminales prend au moins un résonateur 1, mais sur la surface encore libre 4,5 et la plaquette piézoélectrique 3 sont interposées deux piade la plaquette 3 sont fixés, selon toute méthode appropriée, quettes isolantes 12,12' pourvues chacune d'une cavité borgne d'autres composants individuels discrets comme, par exemple, 60 13 du côté de l'élément résonant afin de dégager celui-ci et du un circuit intégré J et des condensateurs Cl et C2. La plaquette cadre d'alliage métallique habituel sur leurs deux faces. Dans 3 est ainsi utilisée comme substrat pourvu des conducteurs élec- ces cavités sont ménagées des ouvertures calibrées 14 débou-triques nécessaires en couche mince avec leur plages de con- chant sur une partie au moins de la zone active de l'élément nexion. résonant. Ces ouvertures 14 font donc communiquer le loge-

Il est évident que le procédé de fabrication en masse exposé 65 ment de l'élément résonant avec les cavités des plaques termi-en référence aux résonateurs isolés s'applique également sans nales 4 et 5.

modification significative aux autres exemples qui viennent Le composant contenant l'élément résonant est assemblé

d'être évoqués et illustrés par les figures 5 à 9. comme dans les cas précédents et sa fréquence grossière est

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également ajustée selon les procédés déjà décrits. Un ajustement final de fréquence s'effectue ensuite en soumettant l'un ou les deux couvercles que sont les plaquettes terminales 4,5 à un rayonnement calorifique représenté schématiquement en 15 à la figure 15. Le rayonnement provoque la fusion et l'évaporation des charges 11,11' de métal évaporable dans les plaquettes terminales 4,5. La vapeur dont la tension est élevée va se déposer à travers les ouvertures 14 qui jouent le rôle de diaphragmes sur les zones actives de l'élément résonant. Le processus d'éva-poration-déposition est évidemment commandé à partir de la mesure de fréquence selon une technique de régulation appropriée.

On a vu un certain nombre d'avantages que la technologie des résonateurs monolithiques et de leur conception multicouches pouvait apporter, notamment pour la mise en œuvre de procédés de fabrication en grande série. Les exemples décrits 5 concernent quelques applications particulières, mais il est évident que bien d'autres combinaisons sont possibles sans sortir du cadre de l'invention, en jouant sur le nombre d'éléments résonants par plaquette et par composant, sur les différentes coupes du matériau piézoélectrique et sur les composants élec-îo trique élémentaires qui peuvent être associés aux éléments résonants.

C

5 feuilles dessins

Claims

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REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication de composants électroniques comportant au moins un résonateur piézoélectrique, caractérisé par le fait que - on usine par découpage m résonateurs dans n plaquettes de matériau piézoélectrque, les résonateurs restant s reliés à ces plaquettes par des cadres-supports qui entourent lesdits résonateurs où m et n sont des nombres entiers tels que m Sïnësl,

- on dépose des électrodes sur les résonateurs et des pistes métallisées couplées électriquement aux électrodes sur chacune io des faces des cadres-supports, lesdites pistes étant constituées d'un métal ou d'un alliage métallique à bas point de fusion,

- on fabrique n -1 plaquettes intermédiaires en matériau piézoélectrique dans chacune desquelles on pratique au moins une ouverture en forme de cadre de mêmes dimensions que is lesdits cadres-supports,

- on dépose une piste métallique sur chacune des faces desdites plaquettes intermédiaires,

- on fabrique deux plaquettes terminales en matériau piézoélectrique dans chacune desquelles on pratique au moins une 20 cavité borgne formant cadre de mêmes dimensions que lesdits cadres-supports,

- on dépose des pistes métalliques sur chacune des surfaces des plaquettes terminales qui présentent la cavité borgne,

- on pratique sur les bords de chacun des cadres autres que 25 ceux des résonateurs des ouvertures permettant l'accès depuis l'extérieur aux pistes métallisées reliées aux électrodes pour définir des plages de contact dégagées,

- on assemble les diverses plaquettes sous vide ou vide partiel en présence d'un gaz noble ou inerte en les amenant en 30 contact les unes avec les autres dans la position appropriée,

- on porte l'ensemble à une température supérieure à la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique puis on refroidit jusqu'à solidification de cet alliage.
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caracté- 35 risé par le fait qu'on assemble d'abord la plaquette portant les résonateurs à une plaquette terminale pour former un sous-ensemble puis qu'on ajuste la fréquence de la face encore libre des résonateurs par enlèvement de matière, lesdits résonateurs étant excités par les ouvertures donnant accès aux pistes métalli- 40 sées.
3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on applique aux faces libres des résonateurs un faisceau laser pour procéder audit enlèvement de matière, qu'on assemble l'autre plaquette terminale au sous-ensemble et qu'on 45 scelle le tout à haute température.
4. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on dépose un film métallique évaporable dans les cavités des plaquettes terminales, qu'on interpose des plaquettes formant masques entre les plaquettes terminales et la so plaquette portant les résonateurs, lesdites plaquettes formant masques étant pourvues d'ouvertures faisant face aux électrodes des résonateurs et qu'après assemblage on ajuste la fréquence des résonateurs en appliquant aux plaquettes terminales un rayonnement calorifique suffisant pour provoquer l'évaporation 55 du métal déposé dans les cavités des plaquettes terminales et sa condensation sur les électrodes à travers les ouvertures faisant face électrodes.
5. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on prépare dans chaque plaquette des élé- 60 ments identiques en grand nombre selon une disposition telle qu'ils puissent ensuite être mis en regard avec ceux des autres plaquettes, qu'on assemble lesdites plaquettes, qu'on sépare les divers composants individuels par sciage entre eux des plaquettes assemblées et qu'on fixe les fils de connexion. 65
6. Composant électronique comportant m résonateurs piézoélectriques caractérisé par le fait qu'il est fabriqué selon l'un quelconque des procédés décrits en revendications 1 à 5.
7. Composant électronique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le matériau constituant les plaquettes est du quartz monocristallin.
8. Composant électronique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les plaquettes présentent toutes la même coupe pour que les coefficients de dilatation soierit accordés.
9. Composant électronique selon la revendication 7 et pour lequel m = n = 1, caractérisé par le fait que dans chaque plaquette terminale est ménagée une échancrure donnant accès à la piste métallisée portée par le cadre de l'élément résonant, et dans laquelle est fixé un fil de connexion.
10. Composant électronique selon la revendication 7 pour lequel m = 2 et n = 1, caractérisé par le fait que les deux résonateurs ont même fréquence, mais des rapports dimension-nels différents, de sorte que leurs températures d'inversion soient décalées pour assurer une thermocompensation.
11. Composant électronique selon la revendication 7 pour lequel n = 1 et comportant m 3= 2 résonateurs de fréquences différentes pour une utilisation comme filtre multicanaux.
12. Composant électronique selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte outre le(s) résonateur(s) au moins un autre composant électronique discret fixé sur la même plaquette que le(s) résonateur (s), laquelle porte les conducteurs électriques nécessaires en couche mince.
13. Composant électronique selon la revendication 7 pour lequel n 5=2, caractérisé par le fait que les plaquettes dans lesquels sont découpés les résonateurs sont de coupes différentes.
14. Composant électronique selon la revendication 7 pour lequel n = 1, caractérisé par le fait qu'entre la plaquette dans laquelle est (sont) usiné (s) un (des) élément(s) résonant(s) et les plaquettes terminales sont interposées des plaquettes munies de cadres dans lesquelles sont ménagées des cavités borgnes pour dégager les parties actives d'un (des) élément(s) résonant(s) et des ouvertures formant masques au regard des électrodes, et que les cavités des plaquettes terminales sont revêtues d'une couche de métal évaporable.