Procédé de réalisation de boîtiers (opto-) électroniques à fond céramique à régulation et dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de réalisation de boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques, de bonne résistance mécanique, destinés à recevoir des composants et/ou des circuits électroniques et/ou des systèmes de conversion de signaux optiques en signaux électriques et/ou de systèmes de conversion de signaux électroniques en signaux optiques et des moyens d'entrée et de sortie de signaux électriques et/ou optiques, procédé permettant l'obtention de boîtiers hautement hermétiques pour résister aux agressions développées dans leur environnement de fonctionnement, en particulier, par des agents agressifs liquides ou gazeux, par des variations importantes de température et de pression, boîtiers capables de supporter un vide poussé sans fuites, et intégrant au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

L'invention concerne plus particulièrement un procédé de réalisation de boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques, thermo-régulants, de bonne résistance mécanique, destinés à recevoir des composants et/ou des circuits électroniques et/ou des systèmes de conversion de signaux optiques en signaux électriques et/ou de systèmes de conversion de signaux électroniques en signaux optiques et des moyens d'entrée et de sortie de signaux électriques et/ou optiques, les rendant hautement hermétiques aux agressions de leur environnement de fonctionnement, de type céramique/céramique ou céramique/ métal, dont le fond en céramique peut avoir la forme d'une plaque plane ou alvéolaire, et dont l'une au moins des faces interne et externe participe en tout ou partie à au moins un système intégré de régulation et de dissipation thermique par un effet thermoélectrique (Peltier), ledit fond en céramique formant l'une des plaques constitutives dudit Peltier.

L'invention concerne également les boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques thermo-régulants hautement hermétiques, obtenus selon le procédé de bonne résistance mécanique, de type céramique/céramique ou céramique/métal, avec fond céramique, participant en tout ou partie à au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier), et destinés à recevoir différents composants électriques et/ou électroniques et/ou optoélectroniques, combinés entre eux et protégés.

L'invention concerne enfin l'application des boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques, thermo-régulants, hautement hermétiques, obtenus par le procédé, dans les domaines tels que par exemple l'aérospatial, les technologies de transport, la téléphonie, l'électronique ou autres.

Le développement de composants électroniques ou optoélectroniques nécessite pour leur exploitation la réalisation de boîtiers hermétiques et fiables, car ces composants interviennent dans des systèmes embarqués, tels que les satellites, les missiles, les avions, les moyens de transports en commun ou individuel, dans tous les systèmes de télécommunication, de transmission de données, tels que des terminaux, des centraux, ainsi que dans les systèmes développés dans les équipements industriels, les biens de consommation durables intégrant des éléments captants, de conversion et de traitement du signal.

Des boîtiers hermétiques électroniques ou optoélectroniques qui contiennent de tels composants électroniques ou optoélectroniques doivent pouvoir résister à des chocs thermiques et/ou à des émissions continues d'énergie thermique libérée par lesdits composants en cours de fonctionnement. Pour éviter que ces composants subissent des dommages, ces boîtiers doivent pouvoir dissiper au moins en partie cette énergie thermique ambiante par leurs parois, mais cette dissipation étant insuffisante, elle est renforcée par un système intégré de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

Ces boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques sont de forme parallélépipédique rectangle et comporte un fond, un plafond et un cadre rectangulaire de hauteur variable constituant les parois latérales, dont : - l'une est la paroi d'entrée dans laquelle est ménagée une ouverture tubulaire et qui comprend un tube de guidage pour l'introduction et le passage des fibres optiques vers, puis dans le boîtier optoélectronique, - une seconde paroi avec éventuellement également une ouverture tubulaire pour l'émission d'un signal optique, optoélectronique et - au moins l'une des autres parois restantes est munie de moyens d'acheminement d'entrée et/ou de sortie de signaux électriques, moyens électriquement isolés sur lesquels sont fixés des broches permettant d'établir les connexions souhaitées entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier.

Quant aux composants électroniques et/ou optoélectroniques, ils sont des composants électroniques et/ou des circuits électroniques et/ou des systèmes de conversion de signaux optiques en signaux électriques et/ou des signaux électriques transformés en signaux optiques et/ou des systèmes répéteurs sur câbles en fibres optiques pour recevoir, amplifier, puis réinjecter des signaux, tous ces signaux optiques et/ou électriques expédiés ou reçus circulant par des moyens d'entrée et de sortie, optiques et/ou électriques.

Tous ces composants électroniques et/ou optoélectroniques présents dans un boîtier étanche génèrent par leur activité de l'énergie thermique qu'il faut dissiper rapidement pour protéger lesdits composants des effets thermiques permanents et les rendre fiables et durables dans le temps.

Etat de la technique Les boîtiers électroniques ou optoélectroniques sont en général formés d'un fond céramique intégrant des circuits électriques tridimensionnels, sur lequel est brasé un cadre ou un capot, boîtiers dont les caractéristiques recherchées sont d'avoir des coefficients de dilatation thermique faibles et souhaitablement d'être et de rester hermétiques aux gaz, dont la vapeur d'eau, malgré les cycles thermiques ou cycles de pression et dépression auxquels ces boîtiers peuvent être soumis dans leur environnement d'implantation et de fonctionnement.

Les composants intégrés dans ces types de boîtiers concernent de plus en plus des systèmes électroniques et/ou optoélectroniques qui demandent à opérer sous des températures contrôlées et régulées, afin de réduire, dans la mesure du possible, les aléas de fonctionnement qui résultent de différences de température engendrées en interne lors de leur fonctionnement, les composants électroniques et/ou optoélectroniques présents dans lesdits boîtiers, générant des calories qu'il faut éliminer.

L'état de la technique enseigne déjà que l'adjonction à l'intérieur de tels boîtiers, de systèmes de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier), permet de réduire la charge thermique appliquée aux divers composants électroniques ou optoélectroniques présents à l'intérieur du boîtier.

Les systèmes de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) sont constitués de deux plaques de céramique, l'une des plaques étant la plaque chaude et l'autre la plaque froide, ces deux plaques en céramique étant munies de pistes conductrices et reliées entre elles par des semi- conducteurs au contact des pistes conductrices, et étant alimentés en courant électrique. Cette alimentation en courant électrique, au travers du circuit des semi-conducteurs, engendre un effet thermique véhiculant les calories de la plaque froide vers la plaque chaude. La plaque chaude est elle-même fixée sur le fond du boîtier, et joue le rôle de capteur et de dissipateur de calories, ledit fond du boîtier étant lui-même relié à, par exemple, une partie métallique support, externe au boîtier.

De par la nécessité de devoir placer un nombre de composants de plus en plus important dans un espace restreint, parce que les boîtiers sont de plus en plus miniaturisés, mais aussi parce que les boîtiers sont de plus en plus plats, l'état de la technique révèle et décrit différentes solutions pour la réalisation de boîtiers infiniment plus dissipants les calories et, dès lors, intégrant un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

Un premier document (demande de brevet US 2002/0003819 Al) décrit le positionnement du Peltier dans une fenêtre ouverte dans le fond du boîtier, la plaque inférieure, c'est à dire la plaque chaude, du Peltier venant s'ajuster dans cette fenêtre du fond du boîtier pour permettre de diminuer l'épaisseur totale.

L'implantation d'un Peltier dans cette ouverture constitue une nouveauté par rapport à l'état de la technique qui préconise jusqu'alors la seule fixation de la plaque inférieure du Peltier sur le fond du boîtier le contenant comme l'est tout autre composant électronique, comme par exemple un circuit intégré.

Malgré son intérêt, cette solution entraîne des inconvénients dont certains sont majeurs. L'un d'entre eux est la nécessité d'avoir une grande précision dans les tolérances de cotes, entre l'épaisseur de la plaque inférieure du Peltier c'est à dire la plaque chaude et le fond du boîtier qui dès lors possède cette fenêtre munie d'un cadre'interne assurant le positionnement du Peltier à la fois en hauteur et dans le plan horizontal. Cette obligation géométrique fait que tout décalage de niveau entre le fond du boîtier et la plaque inférieure du Peltier peut provoquer des ruptures du fond céramique, par nature fragile, dès lors que s'effectue la fixation du boîtier sur un support externe, mais également restreindre les flux thermiques si le fond du Peltier n'est pas réellement en contact avec le support externe dissipant sur lequel il est fixé. Par ailleurs, comme un boîtier en particulier optoélectronique doit posséder une herméticité poussée, l'existence d'une ouverture supplémentaire dans son fond augmente les risques de perte d'herméticité.

Un autre document (demande de brevet US 2002/0085598 Al) décrit le positionnement d'un Peltier sur le fond d'un boîtier optoélectronique, dont la plaque inférieure, dite plaque chaude est fixée sur ledit fond. Pour gagner un espace de liberté dans la hauteur de l'enceinte du boîtier, la plaque supérieure du Peltier, c'est à dire la plaque froide, est utilisée comme plaque support pour les composants électroniques ou optoélectroniques contenus dans le boîtier, alors que dans 1/état de la technique, il est connu qu'une plaque intermédiaire est généralement ajoutée au contact de la face supérieure du Peltier, pour recevoir les éléments optoélectronique disposés au sein du boîtier. Dans cette solution il peut apparaître que les échanges thermiques entre le fond du Peltier et le fond du boîtier sont fonction de l'excellence de l'interface entre ces deux fonds aussi bien en terme de géométrie des fonds qu'en terme de leur conductivité thermique.

Un autre document (demande de brevet japonais N°JP5067844) propose un progrès important à l'égard de l'état de la technique, qui consiste à utiliser la plaque de fond en céramique du boîtier comme plaque inférieure ou plaque chaude, du Peltier, cette plaque inférieure du Peltier étant mise aux dimensions du cadre ou du capot du boîtier.

Toutefois, si cette dernière solution est effectivement source de gains d'espace en hauteur, et potentiellement source de gains économiques, par l'utilisation commune d'une seule plaque céramique pour deux fonctions, c'est-à-dire la plaque, céramique inférieure du Peltier devenant la plaque céramique de fond du boîtier, il semble qu'elle ne puisse répondre, dans son architecture de boîtier à cadre ou capot assemblé à la plaque de fond céramique, aux exigences de haute herméticité et de grande résistance mécanique pour le boîtier.

Un autre document (EP 0447020) décrit un boîtier électronique comportant un système intégré de régulation et de dissipation thermique par un effet thermoélectrique (Peltier). Le boîtier (réalisé en matériaux céramiques multicouches) constitue la plaque dite chaude d'un Peltier interne dont la plaque dite froide devient le support du circuit électronique (puce) de très faible épaisseur.

Il est évident que la solution proposée dans cet autre document entraîne des inconvénients dont les plus importants se révèlent être : - un volume utile trop faible pour permettre l'implantation de circuits électroniques qui devraient être de dimensions plus importantes que celle d'une « puce », obligeant pour la mise en place de divers composants électroniques et/ou optoélectroniques un changement d'échelle pour le boîtier afin d'en augmenter le volume disponible interne, - une herméticité qui risque d'être insuffisante et d'autant plus difficile à atteindre que le volume interne du boîtier sera augmenté pour permettre l'implantation de composants plus volumineux qu'une puce.

- une absence de description quand à la méthode de réalisation dudit boîtier en matériaux céramiques multicouches.

Ainsi, l'état de la technique, et en particulier les documents précités examinés, ne décrivent pas les moyens à mettre en oeuvre pour la réalisation des boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques, en particulier, ne décrivent pas les procédés qu'il faudrait déployer pour la réalisation des parties céramiques desdits boîtiers et desdits systèmes intégrés de régulation et de dissipation thermique par un effet thermoélectrique (Peltier) et leurs montages respectifs pour que ces boîtiers disposent d'une herméticité suffisante pour affronter des conditions d'exploitation difficiles précédemment évoquées.

Or, tous ces boîtiers électroniques ou optoélectroniques ont une architecture de plus en plus affinée et complexe qui découlent des obligations d'être moins volumineux, plus légers, et de contenir, de plus en plus de composants électroniques ou optoélectroniques. Ces obligations s'imposent aux boîtiers pour des motifs économiques et pour des contraintes d'exploitation.

Toutefois, des incidents aux conséquences réelles se manifestent dans les boîtiers électroniques et optoélectroniques mis sur les marchés, ces incidents pouvant être des vices de fonctionnement des composants électroniques ou optoélectroniques contenus et/ ou des pertes d'herméticité et/ou des fragilités mécaniques qui se manifestent lorsque les conditions d'exploitation sont difficiles et comportent par exemple des variations de température et/ou de pression, des conditions de vide, des effets de vibrations mécaniques lors de l'exploitation de ces boîtiers.

Or, il existe une demande de plus en plus exigeante en qualité sur le marché de boîtiers électroniques ou optoélectroniques pour qu'ils possèdent une très haute herméticité et d'excellente résistance mécanique et ce, en particulier, quand il s'agit de boîtiers thermo-régulants à système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) dont le fond céramique constitue la plaque chaude du Peltier. Cette haute herméticité au vide est à assurer quels que soient les cycles thermiques, les pressions et de vibrations auxquels le boîtier est soumis, dès lors que les composants électroniques ou optoélectroniques doivent opérer dans des conditions de vide poussé et/ou dans des atmosphères contrôlées.

Des conditions de fonctionnement aussi drastiques pour les boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques thermo-régulants, exigent des procédés de réalisation précis desdits boîtiers, leur assurant l'extrême qualité recherchée, procédés de réalisation sur lesquels l'Etat de la Technique ne délivre pas d'information.

Objectifs de l'invention Dès lors, l'invention poursuit un certain nombre d'objectifs, pour répondre aux exigences de qualité et aux besoins d'utilisation de tels boîtiers thermo-régulants, y compris dans des conditions extrêmes, de telle sorte que ladite invention puisse éliminer au mieux les inconvénients précités et qu'elle apporte des solutions aménagées et améliorées par rapport aux divers moyens mis en oeuvre dans les boîtiers électroniques ou optoélectroniques thermo-régulants.

Tout au long de la description de l'objet de l'invention, la haute herméticité du boîtier s'exprimera par un taux de fuite à l'hélium inférieur à 10-8 cm3 par seconde sous 1 atmosphère de pression différentielle à une température ambiante de 23°C lorsque mesurée selon les normes Standards Militaires Américains MIL-STD-883, méthode 1014 Condition A.

Un premier objet de l'invention est de créer un procédé de réalisation fiable de boîtiers thermo-régulants électroniques et/ou optoélectroniques, de haute herméticité et de bonne résistance mécanique, de type céramique/céramique ou céramique /métal, avec un fond céramique, contenant au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de réalisation de boîtiers thermo-régulants électroniques ou optoélectroniques, de haute herméticité, de bonne résistance mécanique, de type céramique/céramique ou céramique/métal, dont le fond céramique peut avoir la forme d'une plaque plane ou la forme d'au moins une alvéole céramique composée d'une partie plane et de bords périphériques, ledit fond étant utilisé pour constituer l'une ou l'autre des plaques chaude ou froide d'un Peltier. Une manière simplifiée de visualiser ce type de boîtier est de considérer que le fond en céramique, appelé à recevoir d'autres composants électriques, électroniques et optoélectroniques est assemblé avec un"demi-Peltier", ce demi- Peltier étant formé de l'autre plaque céramique du Peltier et des semis-conducteurs, assemblés avec cette autre plaque. Un tel assemblage avec le fond céramique du boîtier crée par exemple au moins un Peltier interne ou externe au boîtier, quand le"demi- Peltier"est associé à la face interne ou à la face externe du fond céramique du boîtier, ou deux Peltier interne-externe au boîtier quand deux"demi-Peltier"sont associés aux faces interne et externe du fond céramique du boîtier.

Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de réalisation de boîtiers thermo-régulants électroniques ou optoélectroniques de haute herméticité, de bonne résistance mécanique et à forte capacité de dissipation thermique, du type céramique/céramique ou céramique/métal, dont au moins l'une des faces externe et interne du fond céramique est utilisée comme l'une ou l'autre des plaques chaude ou froide d'au moins un Peltier et dont la surface est occupée en tout ou partie par au moins un Peltier.

Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de réalisation de boitiers thermorégulants électroniques ou optoélectroniques de haute herméticité, de bonne résistance mécanique, du type céramique/céramique ou céramique/métal, ayant un fond en céramique, dans lesquels soit augmentée de façon significative la surface céramique dissipante de l'énergie thermique développée et accumulée dans un boîtier électronique et/ou optoélectronique par la création d'un fond céramique alvéolaire composé d'une partie plane et de bords périphériques, lesdits bords périphériques ayant propension à protéger lesdits Peltier tout en augmentant la surface dissipante.

Un autre objet de l'invention est de créer un procédé de réalisation de boitiers thermorégulants électroniques ou optoélectroniques de haute herméticité, de bonne résistance mécanique, du type céramique/céramique ou céramique/métal, ayant un fond en céramique, présentant un taux de fuite à l'hélium qui doit être inférieur à 10-8 cm3 par seconde sous une atmosphère de pression différentielle, à température ambiante de 23°C, lorsque mesurée selon la norme Standards Militaires Américains MIL-STD-883, méthode 1014 Condition A.

Sommaire de l'invention Tous les objectifs énoncés précédemment peuvent être atteints grâce au boîtier électronique ou optoélectronique, objet de l'invention.

Selon l'invention, le procédé de réalisation de boîtiers électroniques et/ou optoélectroniques thermo-régulants hautement hermétiques, de bonne résistance mécanique et à forte capacité de dissipation thermique, destinés à recevoir des composants et/ou des circuits électroniques et/ou des systèmes de conversion de signaux optiques en signaux électriques et/ou de systèmes de conversion de signaux électriques en signaux optiques et des moyens d'entrée et de sortie de signaux électriques et/ou optiques, de type céramique/céramique ou céramique/métal, avec un fond céramique, intégrant au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) qui se composent chacun : d'un fond céramique constituant l'une des plaques du système thermoélectrique (Peltier), d'un cadre ou d'un capot céramique ou métallique, associé au fond céramique, de broches de connections montées dans le boîtier par l'intermédiaire d'inserts céramique dans le cas ou le cadre est métallique, ou intégrées dans la céramique du fond ou de la paroi du cadre lorsque le cadre est en céramique, d'au moins un orifice dans le cas de boîtiers optoélectronique, d'une autre plaque céramique associée à des semi- conducteurs, cet assemblage formant la partie du système thermoélectrique (Peltier) associé au fond céramique, "de moyens de fixation du boîtier sur un support, est caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes : a) de création de feuilles de céramique crue par coulage d'une suspension essentiellement minérale comprenant des matériaux céramiques pulvérulents dispersés dans une phase organique liquide formée d'une matrice organique liquide et d'au moins un solvant organique et de séchage des feuilles formées pour évacuer le au moins un solvant organique, b) de création sur un plan (X, Y) des feuilles de céramique crue séchées, de pistes métalliques sur lesdites feuilles, pour former tous les circuits conducteurs, les pistes de scellage ou soudure et les pistes de brasage, au moyen d'une suspension de particules métalliques, ou encre, formée par dispersion d'au moins un métal réfractaire pulvérulent, dans une phase organique liquide formée d'une matrice organique liquide et d'au moins un solvant, puis séchage des pistes pour en évacuer le au moins un solvant, c) de création de voies verticales internes ou vias dans la troisième dimension (Z), par perçage des feuilles en céramique crue séchées et remplissage des voies par une encre ou pâte de métallisation formée au moyen d'une suspension de particules métalliques dispersées dans une phase organique liquide se composant d'une matrice organique liquide et d'au moins un solvant, d) de création d'un bloc homogène pour former le fond en céramique crue par empilement des différentes feuilles en céramique crue façonnées, découpées, pourvues de leurs pistes métalliques et de voies verticales remplies d'encre, puis par compression de l'empilement et par frittage du bloc homogène céramique comprimé à une température d'au moins 1350°C. e) d'assemblage par brasure sur le fond céramique fritté du cadre céramique ou métallique et des broches d'interconnexions à une température comprise entre 275°C et 800°C., f) d'assemblage par soudure des semi-conducteurs d'au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) sur l'une au moins des faces externe et interne du fond céramique, au droit des pistes initialement créées, à une température comprise entre 130°C et 240°C.

Dès lors, l'invention concerne un procédé de réalisation de boîtiers thermo-régulants électroniques ou optoélectroniques hautement hermétiques et de bonne résistance mécanique, de type céramique/céramique ou céramique/métal, avec un fond céramique dont l'une au moins des faces externe ou interne est munie d'au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier), fond céramique architecturé de telle manière que l'une au moins desdites faces externe ou interne, ou simultanément les deux faces externe et interne dudit fond puissent constituer l'une des plaques céramique chaude ou froide du système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) sur laquelle les composants semi-conducteurs sont soudés sous forme de plots interconnectés, entre ledit fond du boîtier et l'autre plaque du Peltier.

L'invention concerne aussi un procédé de réalisation de boîtiers thermo-régulants (Peltier) qui possèdent une haute herméticité s'exprimant par un taux de fuite à l'hélium inférieur à 10-8 cm3 par seconde sous une atmosphère de pression différentielle à température ambiante 23°C lorsque mesurée selon la norme Standards militaires américains MIL-STD-883, méthode 1014 Condition A.

Description détaillée de l'invention Selon l'invention, il est possible de créer un procédé de réalisation de boîtiers thermo-régulants électroniques ou optoélectroniques, de haute herméticité, de bonne résistance mécanique, du type céramique/céramique ou céramique/métal, à fond céramique multicouche, dont l'une au moins des faces externe et interne dudit fond céramique constitue (nt) l'une des plaques céramique chaude ou froide d'au moins un Peltier externe et/ou d'au moins un Peltier interne, de telle manière que lesdites surfaces externe et interne du fond céramique puissent être occupées en tout ou partie par au moins un Peltier.

Selon l'invention, il est également possible de créer un boîtier thermo-régulant électronique ou optoélectronique, de haute herméticité, du type céramique/céramique ou céramique/métal, dont le fond céramique est un fond multicouche ayant la forme : d'au moins d'une alvéole céramique simple composée d'une partie plane et de bords périphériques dont la coupe à la forme de la lettre U, ou de la lettre U inversée et dont au moins la face externe ou la face interne est occupée en, tout ou partie, par au moins un Peltier dont l'alvéole constitue l'une des plaques chaudes ou froide et dont les bords sont orientés vers l'intérieur ou l'extérieur du boîtier, selon que le Peltier est placé de façon interne ou externe au boîtier, ou d'une alvéole céramique double composée d'une partie plane et de bords périphériques ayant en coupe la forme de la lettre H, dont les faces externe et interne de la partie plane sont occupées en tout ou partie par au moins un Peltier dans au moins une alvéole, et dont les bords sont orientés vers l'intérieur et l'extérieur du boîtier quand deux Peltier sont placés, l'un à l'intérieur du boîtier et l'autre à l'extérieur du boîtier, ou encore, d'une plaque céramique plane, dont l'une au moins des faces externe ou interne dudit fond céramique, ou simultanément les faces externe et interne dudit fond constitue (nt) l'une des plaques céramiques sur laquelle les composants semi- conducteurs apparaissent sous forme de plots interconnectés, pris entre ledit fond du boîtier et l'autre plaque du système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

Dès lors, selon l'invention, chacune des faces externe et interne précédemment évoquées du fond céramique, peut participer à la création d'au moins un Peltier, c'est-à-dire que chaque face peut être la base de deux Peltier et plus, placés les uns à côté des autres et/ou superposés si nécessaire pour organiser efficacement régulation et dissipation thermique par effet thermoélectrique, selon la taille du boîtier.

Dans le cadre de l'invention, l'un des éléments essentiels de tels boîtiers électroniques ou optoélectroniques est constitué par le fond céramique intégrant des circuits électriques tridimensionnels, qui est produit par un empilement de feuilles céramique soumises ultérieurement à une opération de frittage.

Le procédé de réalisation du fond céramique opère selon plusieurs étapes distinctes qui sont la préparation des matériaux céramique, la formation de feuilles céramiques, le traitement de ces feuilles, l'assemblage des feuilles de céramique crue, le frittage des feuilles en céramique crue assemblées et les traitements post-frittage.

La technique multicouche de réalisation du fond céramique du boîtier, ainsi que du cadre dans le cas de boîtiers céramique/ céramique, met en oeuvre des feuilles de céramique crues pour créer différentes couches isolantes, qui seront empilées par la suite. Un réseau d'interconnexions est créé par sérigraphie d'encres métalliques sur les feuilles de céramique crues suivant un plan bidimensionnel (axes X, Y), alors que les liaisons verticales dans la troisième dimension (axe Z) sont obtenues par perçage de trous et remplissage de ces derniers par une encre métallique conductrice. Ces créations de pistes planes et de voies verticales métallisées, pour des céramiques à cuisson à haute température, se font au moyen de compositions métalliques à base de tungstène et/ou de Molybdène.

Les matériaux céramiques pulvérulents mis en oeuvre dans la préparation d'une suspension céramique en phase liquide, intervenant dans le procédé selon l'invention pour la création de feuilles céramique crue, sont essentiellement choisis dans le groupe constitué par les alumines et/ou les nitrures d'aluminium, éventuellement associés à d'autres composant pulvérulents tels que par exemple, le talc, le kaolin, la wollastonite, et des pigments tels que l'oxyde de chrome.

La suspension des matériaux pulvérulents céramiques dans la phase liquide organique formée d'au moins un liant organique, d'au moins un solvant organique, d'un dispersant et éventuellement d'un agent plastifiant et/ou d'un agent lubrifiant, se compose de : 50 à 75 % en poids du mélange de matériaux céramique essentiellement constitué de A1203 et/ou de nitrure d'aluminium, de telle sorte que après un traitement thermique à haute température, tel qu'un frittage, la teneur en alumine et/ou en nitrure d'aluminium du produit issu du frittage contienne de l'ordre d'au moins environ 92 % en poids d'alumine et/ou de niture d'aluminium à la suite de l'élimination de ladite phase liquide, de 5 à 15 % en poids d'au moins un liant organique, de 15 à 45 % en poids d'au moins un solvant organique, de 0 à 5 % en poids d'au moins un agent plastifiant et/ou d'un agent lubrifiant.

La dimension diamétrale des grains constituant les matériaux céramiques constituants est bien connue de l'homme de l'art.

Toutefois, cette dimension diamétrale préférentielle apparaît être comprise entre 0,5 et 5 um.

Le liant organique utilisé dans le cadre de l'invention pour la préparation de la suspension des matériaux céramiques dans une phase liquide organique, est choisi de telle sorte qu'il conditionne l'obtention, à partir de ladite suspension, d'une feuille céramique crue non cassante et exempte de rigidité excessive. De plus, ce liant organique est choisi d'une manière telle que lors de l'opération de frittage, il ne laisse pas ou laisse une quantité infime de carbone dans la céramique frittée.

Ce liant organique peut être choisi parmi les polymères connus de l'état de la technique et en particulier dans le groupe des polymères incluant le polyvinylbutyral, les polymères acryliques ou méthacryliques, acrylates ou méthacrylates, les alcools polyvinyliques, les polyoléfines.

Un agent plastifiant aidant à la formation d'un feuille de céramique crue non cassante et exempte de rigidité excessive peut également accompagner le liant organique. L'agent plastifiant, pouvant entrer dans la formation de la suspension de matériaux pulvérulents, peut être choisi dans le groupe constitué par les polyalkylène glycols, tel que par exemple le polyéthylène glycol, l'éthylène glycol, les éthers monoéthyliques de l'éthylène glycol, les alkyls phtalates, en particulier le dibutylphtalate mis en oeuvre seuls ou en mélange.

Le solvant organique mis en oeuvre dans le cadre de l'invention pour le préparation de la suspension de matériaux céramiques pour former la phase liquide organique, peut être choisi parmi les solvants connus de l'état de la technique et plus particulièrement dans le groupe des solvants formé par les alcools, tels que le méthanol et l'éthanol, les cétones comme la méthyléthylcétone, les solvants halogénés tels que trichloréthane, le trichloréthylène, pris seuls ou en mélange.

Tous les pourcentages en poids des composants intervenant dans la création de la suspension de matériaux céramiques dans une phase liquide organique sont : définis pour pouvoir obtenir des feuilles de céramique crue offrant une tenue mécanique suffisante dans la gamme des épaisseurs souhaitées, dans des rapports entre composants minéraux et organiques conduisant à la maîtrise des caractéristiques mécaniques souhaitées pour contrôler la cinétique d'évaporation des divers solvants quand la suspension céramique passe de son état liquide au moment de la formation de la feuille à un état solide souple après ladite évaporation.

Pour la création des feuilles céramique crue, la suspension de matériaux céramiques dans la phase organique liquide est coulée sur un support, en général une feuille de faible épaisseur en matière synthétique, puis passée sous une lame qui va répartir la suspension sur le support afin de produire une bande de céramique crue d'épaisseur spécifique et uniforme. Après sa formation, la bande de céramique crue est soumise à l'élimination des solvants organiques par une action de séchage.

Une fois sèche, et une fois le support délainé, cette bande devient une couche céramique qui est facilement manipulable en rouleaux ou en feuilles, facilitant les différentes phases d'assemblage et de traitement effectués sur leurs surfaces et/ ou à travers elles.

Dès lors que la bande de céramique est sèche, des circuits, dont les uns ont une fonction conductrice et les autres une fonction d'accrochage pour la brasure et/ou le scellage et/ou la soudure des divers éléments entre eux du boîtier à assembler, sont imprimés sur les feuilles céramiques selon des motifs appropriés, au moyen d'encres métalliques à phase organique liquide contenant au moins un solvant organique. Au terme de l'impression des circuits des feuilles céramique crue sont soumises à l'élimination des solvants organiques par une action de séchage.

Selon l'invention, la création de pistes métallisées sur la feuille céramique crue, qu'elle soit réalisée en alumine ou en nitrure d'aluminium, destinée par assemblage à devenir simultanément le fond du boîtier et une des plaques du Peltier est réalisée par l'une ou l'autre des techniques d'impression ou de revêtement, en particulier sérigraphique, au moyen des encres comportant dans leur formulation des matériaux métalliques réfractaires, tels que du tungstène, du molybdène mis en oeuvre seuls ou en mélanges.

D'autres pistes, telles celles, par exemple, concernant les broches d'interconnexions, et celles destinées à recevoir les semi-conducteurs du"Peltier", sont faites par le même moyen d'impression mettant en oeuvre les mêmes encres métalliques.

Ces divers types de pistes doivent, en effet, permettre des brasures et/ou scellages suffisamment résistantes et fiables, qui résistent aux cycles thermiques et aux cycles de variation de pression résultant des conditions d'exploitation des boîtiers. Toutes variations thermiques ou variations dans les pressions auxquelles les boîtiers peuvent être soumis engendrent des contraintes mécaniques concentrées aux interfaces, soumettant ces interfaces à des phénomènes de fatigue engendrant des risques de perte d'étanchéité à ce niveau.

Dans le cas des broches d'interconnexions, les contraintes de flexion lors des assemblages et des pliures desdites broches nécessitent des résistances élevées à l'accrochage.

De même, les feuilles de céramique crue sont munies de trous façonnés verticalement qui, dès lors qu'ils sont remplis au moyen d'une pâte métallique conductrice, à phase organique liquide contenant au moins un solvant organique, forment des voies ou"vias"conductrices permettant à travers les diverses couches de feuilles céramiques, d'assumer la liaison entre les pistes métalliques conductrices des diverses couches céramiques et toutes les fonctions des circuits de communications et d'interconnexions entre les composants internes et l'environnement externe du boîtier.

Les encres métalliques, pour l'impression des pistes conductrices ou destinées à créer les pistes de scellage et de brasure et les pâtes métalliques pour le remplissage des voies verticales ou vias entre les couches en céramique, sont des suspensions de métaux réfractaires pulvérulents, dans une phase liquide organique de viscosité adaptée à chaque usage.

Les métaux réfractaires pulvérulents sont préférentiellement choisis dans le groupe constitué par le tungstène et le molybdène, mis en oeuvre seuls ou en combinaison. Ces métaux pouvant facilement résister aux températures pratiquées pour le frittage des feuilles céramiques crues, dont la température minimale est d'au moins 1350 °C.

La dimension des particules du tungstène et du molybdène pulvérulents est comprise souhaitablement entre 0,5 et 2, 5 um et préférentiellement compris entre 0,5 et 1, 5 um.

La phase organique liquide est formée au moyen des mêmes liants organiques et des mêmes solvants organiques que ceux mis oeuvre dans la préparation de la suspension céramique, étant entendu que les quantités des divers composants en % en poids sont déterminées en fonction de l'utilisation qui sera faire de ladite suspension métallique réfractaire.

Dès lors que les différentes feuilles céramiques crues ont reçu les motifs sérigraphiés respectifs, au moyen de l'encre réfractaire précitée, les différentes feuilles façonnées et découpées à dimension, sont empilées pour former, par compression, un bloc homogène en feuilles céramiques crues, ayant la forme d'une plaque ou d'une alvéole simple ou double en céramique crue, l'élimination de la majeure partie des matières organiques (les liants et les solvants) s'effectuant à faible température, dans une action de séchage, selon une cinétique lente, préalablement à l'opération de frittage.

Les vias qui ont été antérieurement remplies de pâte conductrice constituée d'une suspension de métaux pulvérulents réfractaires dispersés dans une phase organique liquide, deviennent, une fois le frittage effectué, les interconnections électriques verticales entre les circuits horizontaux conducteurs imprimés ou sérigraphiés sur les différentes couches de céramique crue, assemblées les unes sur les autres.

Les parties en céramique crue que sont la plaque ou l'alvéole de fond et le cadre du boîtier, selon l'invention résultant de la compression de l'empilement des feuilles crues préparées comme précité, subissent alors une opération de frittage à une température d'au moins 1350° C et préférentiellement à une température comprise entre 1450° C et 1800° C.

Cette opération de frittage peut se faire sous une atmosphère contrôlée, en général réductrice, et peut s'effectuer sous une charge de telle manière que le retrait qui s'effectue généralement dans les trois dimensions (X, Y, Z), ne puisse s'effectuer seulement que dans l'axe vertical (Z).

L'assemblage par brasure du cadre métallique ou en céramique constituant les parois verticales du boîtier, sur la piste de la plaque de fond céramique, s'effectue entre 275 °C et 800 °C, pour donner une haute herméticité au boîtier. Cet assemblage se fait à des températures d'au moins 275 °C, c'est à dire utilise des brasures de type or/étain, ou préférentiellement à des températures d'au moins 350 °C, c'est à dire utilise des brasures or/germanium, ou encore plus préférentiellement à des températures d'au moins 780°C, c'est à dire utilise des brasures argent/cuivre. De telles brasures sont choisis pour assurer au boîtier et aux composants électroniques ou optoélectroniques contenus, une herméticité poussée du boîtier et dès lors, une excellente protection des composants parce que lesdites brasures sont suffisamment ductiles pour résister aux cycles thermiques, de variation de pression, et aux contraintes mécaniques auxquels sont soumis les boîtiers sans risque de voir se créer des craquelures ou des fissures au niveau des assemblages, engendrant des fuites inacceptables lorsque le vide est fait à l'intérieur du boîtier, ou permettant des pénétrations de l'extérieur vers l'intérieur du boîtier.

Les broches d'interconnexions, munis ou non d'inserts céramique, suivant que ces broches doivent ou non passer au travers du cadre métallique, sont brasées dans des conditions identiques, afin que cette opération se fasse en même temps que la brasure du cadre métallique sur le fond du boîtier.

Dans le cas des boîtiers optoélectroniques, les systèmes de maintien des lentilles peuvent utiliser des sertissages ou des brasages.

Les systèmes de fixation du boîtier sur la support destiné à le recevoir, comprennent différentes pièces métalliques, à faible coefficient de dilatation thermique, telles que pattes de fixation, oreilles, cavaliers, écrous, vis, sangles métallique, brides, qui sont fixées par brasage sur le fond céramique du boîtier ayant préalablement reçu une piste métallique appropriée. De tels assemblages utilisent les mêmes moyens de brasage que ceux précédemment évoqués. Toutefois, pour les applications dans le domaine de l'automobile, des contraintes mécaniques nouvelles, en particulier de résistance aux vibrations sur des périodes de service longues, imposent des résistances mécaniques élevées au niveau de ces interfaces.

L'assemblage des semi conducteurs du système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) sur la face externe au moins du fond du boîtier au droit des pistes initialement crées, se fait par soudure entre 130 °C et 240 °C.

Les soudures utilisent des compositions à base d'étain, afin de rester à des températures suffisamment basses pour ne pas risquer d'endommager les composants semi conducteur du Peltier. Ces soudures sont de types étain bismuth, a point de fusion de 140°C, ou de type étain plomb, à point de fusion de 232 °C, ou de type étain nickel, à point de fusion de 232 °C.

Le choix de compositions de soudure est fait de telle manière qu'il n'y ait : 'ni diffusion métallique dans les semi-conducteurs au moment où s'effectue la soudure, 'ni salissure métallique et/ou dépôt d'une phase organique volatile sur la lentille du système optoélectronique lorsque cette lentille est déjà présente dans le cadre préalablement brasé.

Les mesures de fuite d'hélium permettant de vérifier l'herméticité du boîtier se font une fois le couvercle métallique du boîtier soudé sur le cadre métallique, dans le cas d'un boîtier à cadre métallique ou une fois que le capot est brasé sur la plaque céramique constituant le fond du boîtier.

La détection de la perte d'herméticité pour de tels boîtiers appelés à recevoir des composants électroniques ou optoélectroniques est critique parce que l'entrée de contaminants à l'intérieur du boîtier protecteur risque d'être fortement préjudiciable à la marche des composants incorporés et réduit la vie effective desdits composants. La vapeur d'eau, par exemple, présente dans le boîtier ou pénétrant dans le boîtier agit comme un contaminant et est un inconvénient majeur pour les composants.

L'invention concerne également les boîtiers thermo-régulants électroniques et/ou optoélectroniques thermo-régulants, hermétiques, de bonne résistance mécanique, céramique/ céramique ou céramique/métal, avec fond céramique, intégrant au moins un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier), réalisés selon le procédé et destinés à recevoir différents composants électriques et électroniques ainsi qu'optoélectroniques en vue de les rassembler et de les protéger.

Le fond céramique de ces boîtiers a la forme : d'une alvéole céramique simple ayant en coupe la forme de la lettre U, dont les bords sont orientés vers l'intérieur ou l'extérieur du boîtier, selon que le Peltier est placé de façon interne ou externe au boîtier, ou d'une alvéole céramique double ayant en coupe la forme de la lettre H, occupée en tout ou partie par au moins un Peltier dans chaque alvéole, dont les bords sont orientés vers l'intérieur et l'extérieur du boîtier quand deux Peltier sont placés, l'un à l'intérieur du boîtier et l'autre à l'extérieur du boîtier, ou encore d'une plaque céramique plane, dont l'une au moins des faces externe ou interne dudit fond céramique, ou simultanément les faces externe et interne dudit fond constitue (nt) l'une des plaques céramique sur laquelle les composants semi-conducteurs apparaissent sous forme de plots interconnectés, pris en sandwich entre ledit fond du boîtier et l'autre plaque du système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier).

De tels boîtiers thermo-régulants hautement hermétiques de type céramique/céramique ou céramique/métal, avec un fond céramique, selon l'invention, intégrant un système de régulation et de dissipation thermique par effet thermoélectrique (Peltier) sont employés dans tous les systèmes mettant en oeuvre des composants électroniques ou optoélectroniques sensibles, et qui doivent ainsi être d'abord protégés puis thermo-régulés.

Ces boîtiers sont présents dans de nombreuses applications industrielles, dans des systèmes embarqués aussi bien satellites, missiles, avions, moyens de transport en commun, voitures, dans tous les systèmes de télécommunication, de transmission de données, tels que relais, terminaux, centraux.

Ils peuvent être également présents sur des biens tels qu'équipements industriels et biens de consommation durable, intégrant des éléments capteurs et de conversion et de traitement de signal.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description chiffrée des figures ci-après évoquées, ces figures n'ayant qu'un caractère illustratif non limitatif.

La figure 1 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une alvéole contenant un"Peltier"interne.

La figure 2 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une alvéole contenant un Peltier externe.

La figure 3 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé de deux alvéoles contenant un Peltier interne et un Peltier externe.

La figure 4 est une vue en perspective ouverte sur le devant d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une alvéole contenant un Peltier interne.

La figure 5 est une détail grossi en perspective provenant de la figure 4.

La figure 6 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une plaque céramique participant à un Peltier externe.

La figure 7 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une plaque céramique participant simultanément à un Peltier interne et un Peltier externe.

La figure 8 est une coupe verticale d'un boîtier électronique ou optoélectronique dont le fond céramique est formé d'une plaque participant à un double Peltier externe superposé.

Selon la figure 1, le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier, une alvéole (2) en céramique comprenant solidairement un fond (3) et un bord (4) tourné vers l'intérieur du boîtier. L'alvéole céramique (2) constitue l'une des plaques d'un système de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (5) associée à des semi- conducteurs (6), cet assemblage qui comprend la plaque céramique (2), la plaque (5) et les semi-conducteurs (6), formant le système thermo-régulant (Peltier).

Un cadre métallique (7) en Kovar est brasé sur l'alvéole céramique (2), l'ensemble cadre (7) et alvéole céramique (2) formant un boîtier électronique ou optoélectronique susceptible d'être fermé par une plaque-capot et contenant le système de régulation et de dissipation thermoélectrique (Peltier).

Selon la figure 2, le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier, une alvéole (8) en céramique comprenant solidairement le fond (3) et le bord (9), tourné vers l'extérieur du boîtier (1). L'alvéole céramique (8) constitue l'une des plaques d'un système de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (10) associée à des semi-conducteurs, cet assemblage qui comprend l'alvéole céramique (8), la plaque (5) et les semi-conducteurs, formant le système thermo-régulant (Peltier).

Un cadre métallique (7) en Kovar est brasé sur l'alvéole céramique (8), l'ensemble cadre (7) et alvéole céramique (8) formant un boîtier électronique ou optoélectronique susceptible d'être fermé par une plaque-capot dont le système de régulation et de dissipation thermoélectrique (Peltier) est extérieur audit boîtier.

Selon la figure (3), le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier deux alvéoles en céramique (2) et (8) adossées solidairement l'une à l'autre par le fond commun (3) muni d'un bord (4) tourné vers l'intérieur du boîtier et d'un bord (9) tourné vers l'extérieur du boîtier.

Les alvéoles céramique (2) et (8) constituent chacune l'une des plaques (3) d'un premier système interne de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (5) associée à des semi-conducteurs (6) et d'un deuxième système externe de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (10) associée à des semi-conducteurs (11).

Un cadre métallique (7) en Kovar est brasé sur le bord (4) de l'alvéole (2), l'ensemble cadre (7) alvéoles (2) et (8) en céramique formant le boîtier électronique ou optoélectronique, comprenant deux systèmes thermo-régulants (Peltier), l'un interne et l'autre externe au boîtier, ledit boîtier étant susceptible d'être fermé par une plaque-capot (non représentée).

Les figures (4) et (5) conformes à la figure (1) révèlent le fond (3), le bord (4), l'alvéole (2) contenant le Peltier dont l'alvéole (3) constitue l'une des plaques, l'autre plaque (5) et les semi-conducteurs (6) du Peltier, le cadre métallique en Kovar (7) et les broches 12,13 et 14.

Selon la figure 6, le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier, une plaque (22) en céramique. Ce fond céramique (22) constitue, par sa face externe (23) l'une des plaques d'un système de régulation et dissipation thermoélectrique externalisé comprenant une autre plaque céramique (25) associée à des semi-conducteurs (26), cet assemblage qui comprend la plaque céramique (22), la plaque (25) et les semi-conducteurs (26), formant le système thermo-régulant (Peltier) du boîtier.

Un cadre métallique (27) en Kovar est brasé sur la plaque céramique (22), l'ensemble cadre (27) et plaque céramique (22) formant un boîtier électronique ou optoélectronique susceptible d'être fermé par une plaque-capot et contenant le système de régulation et de dissipation thermoélectrique (Peltier) externalisé.

Selon la figure 7, le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier, une plaque (22) en céramique. La plaque céramique (22) constitue, par sa face externe (23), l'une des plaques céramique d'un premier système de régulation et dissipation thermoélectrique externalisé comprenant une autre plaque céramique (25) associée à des semi-conducteurs (26), ce premier assemblage formant ledit système thermo-régulant (Peltier) externalisé, et par sa face interne (24), l'une des plaques céramique d'un deuxième système de régulation et dissipation thermoélectrique internalisé, comprenant une autre plaque céramique (28), associée à des semi-conducteurs (29), ce deuxième assemblage formant ledit système auto-régulant (Peltier) interne.

Un cadre métallique (27) en Kovar est brasé sur la plaque céramique (22), l'ensemble cadre (27) et plaque céramique (22) formant un boîtier électronique ou optoélectronique susceptible d'être fermé par une plaque-capot dont le système de régulation et de dissipation thermoélectrique (Peltier) est extérieur et interne audit boîtier.

Selon la figure (8), le boîtier électronique ou optoélectronique (1) réalisé selon le procédé de l'invention comporte comme fond de boîtier une plaque en céramique (22).

Ce fond céramique (22) par sa face externe (23) constitue l'une des plaques d'un premier système externalisé de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (25) associée à des semi-conducteurs (26). Cette autre plaque (25) participe à la création d'un deuxième système externe de régulation et dissipation thermoélectrique comprenant une autre plaque céramique (30) associée à des semi- conducteurs (31).

Un cadre métallique (27) en Kovar est brasé sur la plaque (22), l'ensemble cadre (27), plaque (22) en céramique formant le boîtier électronique ou optoélectronique, comprenant deux systèmes thermo-régulants (Peltier) externes, l'un et l'autre étant superposés.