WO1983001153A1 - Dispositif de protection integre contre les surtension d'un circuit electronique, et circuit electronique protege par ce dispositif - Google Patents

Dispositif de protection integre contre les surtension d'un circuit electronique, et circuit electronique protege par ce dispositif Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an integrated protection device for electronic circuits and semiconductors against electrical overvoltages of static or dynamic origin. It applies to the 5 circuits and semiconductors known to be particularly fragile with overvoltages, such as for example MOS or field effect transistors, these being further encapsulated in housings made of insulating material such as ceramics. 0
  • the protective device according to the invention is applicable to any existing insulating package, such as, for example, discrete semiconductors in TO 220 * or TO 126 type plastics, which often replace, for reasons of economy, the 5 metal boxes of type TO 3. It is also applicable to mounted integrated circuits .
  • the object of the invention must be realized before the plastic encapsulation.
  • the device according to the invention applies to any discrete, integrated or hybrid electronic component mounted in a housing the surfaces of which, internal or external, poorly flow electrical charges.
  • an operator seated at a work station creates static voltages between 500 and 3,000 volts, while walking on an insulating mat, he creates static voltages compri ⁇ * between 12,000 and 40,000 volts.
  • the MOS and FET circuits are sensitive to electrostatic discharges from 100 to 200 volts and the bipolar transistors to electrostatic discharges from 380 to 7000 volts.
  • connections are metal strips deposited on and under a ceramic plate, it is no longer possible to prick them in a conductive material.
  • the connections being very generally on, the sides of the plate located at the bottom of a protective groove, it is difficult to take the plate with a clamp which short-circuits all the connections.
  • the device according to the invention provides a continuous, rather than a temporary, solution to the protection against overvoltages, whatever the forms of the external connections.
  • the protection device consists in bringing together the external connections, taken two by. two, by a non-linear resistance element with a • low voltage varistor whose resistance is very high at normal operating voltages of the component and becomes low or very low as soon as the so-called varistor threshold voltage, short-circuiting the connections and - protecting the component since a short-circuit is established between its external connections.
  • the non-linear resistance element or varistor consists of a ring which covers all the output metallizations, or by a localized deposit which joins them two by two.
  • a metallization which covers the non-linear resistance makes it possible to drain the overvoltages to ground.
  • the invention relates to an integrated protection device against surten ⁇ sions of an electronic circuit mounted on a support made of insulating material * and provided with at least one external access connection secured to the support, this device , protective being - characterized in that it is constituted by a resistor with a non-linear effect, called a low-voltage varistor - of threshold (V), of which o a first terminal is in ohimic contact with a metal electrode for setting the mass, the thickness of the varistor material between the connection and the grounding electrode being such that, for any overvoltage (U) (dangerous for the electronic circuit and greater than the threshold voltage
  • FIG. 1 curves of current-voltage characteristics of varistors according to known art
  • FIG. 2 diagram of the protection device according to the invention, in a first type
  • FIG. 3 diagram of the device according to the invention, in a second type
  • FIG. 6 a third embodiment example according to the second type
  • Figure 1 recalls the current characteristics as a function of the voltage for the varistan ⁇ these in the general case of the known art.
  • the varistors are, quite generally, obtained from mixtures of powders based on zinc oxide, the structure of which has defects and to which various oxides of bismuth chromium, manganese, cobalt have been added. .., the oxide Bi203 being found essential for the development of the non-linearity of the varistor.
  • V across a varistor can therefore be expressed as being equal to:
  • V - n.
  • V g g with n 'number of grains in series in the g varistor
  • V the tension per grain,. this voltage per grain being between 2 and 4 volts approximately for the varistors currently known. Consequently, if it is desired to protect a circuit against a given voltage, it suffices to lay down a deposit thickness determined by the number of grains.
  • the protective device according to the invention therefore consists of having a given thickness of varistor between an access electrode to a circuit or a semiconductor and an electrode that is grounded, this varistor being considered to have a very high resistance. high at voltages below the threshold voltage V of the varistor, o
  • _OAÎPI while it becomes almost conductive at voltages higher than the threshold voltage, thus passing the overvoltages of static or dynamic origin to ground via the ground electrode.
  • FIG. 2 represents the diagram of the protection device according to the invention, in a first type of operation.
  • the thickness "e" of the varistor is partly determined by the diameter of the grains with which the varistors are made, and partly by the voltage beyond which the operation of the circuit protection device has been fixed.
  • MOS a deposit thickness of the order of three to five grain diameters can be used, that is to say, with grains whose diameter is between 10 and 20 microns, a thickness of 30 to 100 microns for varistor.
  • the varistor is deposited according to known art processes such as screen printing, vacuum deposition or plasma torch.
  • the material is then annealed by a global or localized annealing treatment, with known means such as the laser, so as to constitute the restoration of the properties of the grain boundaries.
  • the upper electrode 7 can be made of non-noble materials, such as for example bismuth, or aluminum or silver, or nickel, doped with oxides of bismuth, silicon or lead.
  • the varistor 6 is deposited in the form of a ring which surrounds the circuit, soldered in the middle of the substrate 3, and realizes, in the event of overvoltage, a short table. circuit of all external access connections, acting somewhat like a Faraday cage.
  • the presence of a varistor in the region 8 located between two access electrodes such as 4 and 5 plays practically no role since the spacing between the two electrodes considered .e counts rather in fraction of a millimeter and not in microns: there is therefore a transverse operating effect of the varistor 6 and this distance 8 is too high to play a role.
  • the transverse operation between two access electrodes which is implemented in the second type of operation of the invention, that is illustrated in FIG. 3.
  • a ribbon 6 of varis ⁇ tance is deposited on and between the external connections, by a method such as screen printing.
  • the action of the varistor is transverse, that is to say that the thickness of the varistor which will cross its voltage threshold V in the event of a static or dynamic overvoltage that is called the "high speed". you correspond at the distance or at the distance 10 between the metallizations of two connections 4 and 5.
  • This distance "-fc" determines the threshold, for switching of the varistor and it is expressed as has already been said by a thick - grain size of the varistor material. This thickness is therefore counted in a few hundred microns.
  • the safest method for carrying out this second type of protection against voltage overloads consists first of all in making a grid of external connections which are all short-circuited and cut from the same sheet of metal, then separating them by laser cutting or by chemical attack, preceded by photomasking .
  • a continuity solution 10 between two electrodes 4 and 5 it becomes easy to deposit "a" varistor ribbon 6 which fills this inervall 10 with the varistor material over a thickness of a few grains.
  • This second type of embodiment has two advantages: it makes it possible to connect all the external -connections before depositing the varistor, which facilitates the electrolytic deposits of the surface layers such as nickel, gold, silver, etc. etc, and in addition it is only necessary to make a single deposit, that of the varistor since there is no longer any metalization 7 for grounding, as in the first type.
  • FIG. 4 represents a first example of embodiment of the protection device according to the invention, on the base of a micro-housing of the chip-carrier type. Compared to partial figures 2 and 3,
  • igure 4 a ceramic base 3, on which have been deposited a number of metallizations of external connections such as 4 and 5.
  • a number of metallizations of external connections such as 4 and 5.
  • the chip carriers can reach the hundred or so external connections.
  • a ring 6 of varistor has been deposited then, on top of this, an electrode 7 in the form of a ring also, but this electrode is joined together ⁇ to one of the external connections, by a metal bridge II, said external connection being that which corresponds to the ground potential.
  • FIG. 4 and this example of embodiment also remain in the field of the invention.
  • the varistor acts as a sort of Faraday cage ' short-circuiting all the connections and the electrical charges flow through the connection to ground, but this case is of course less favorable than that which provides for metallization 7.
  • FIG. 4 shows the base of a chip-carrier: it is understood that this is only a matter of an example to explain the invention and. that the device according to the invention also applies to any other type of substrate.
  • FIG. 5 represents a second exemplary embodiment according to the first type of the protection device of the invention.
  • the first type of protection acts according to the thickness of the varis ⁇ tance.
  • the varistor is deposited in the form of a ring, consequently having a continuous band, and this varistor band is surmounted by a continuous metallization band which drains the overvoltages to ground.
  • the varistor is produced in the form of a stud, deposited on each external connection, and the upper metallization or ground flow electrode, is a metalli ⁇ tion taken out on the neighboring connection. According to this second type, all the connections act in series.
  • a fragment of substrate 3 has been represented, this fragment supporting a few external connections such as 4 and 5.
  • a varistor block such as 12 on connection 4 and 13 on connection 5.
  • This stud has reduced dimensions but it is important during deposition that it partially covers at least one side ' of the connection in order to avoid short circuits between the elect trode upper '16 with the connection 4, oul7 with the connection 5.
  • This lateral deposition such as 14 and 15 has no role but a varistor insulator.
  • a second localized metallization such as 16 and 17 covers the varistor block 12 or 13 and is in ohmic contact with the connection close to the connection which supports the block:.
  • connection 4 The electrode 16 is in ohmic contact with the connection 5 and the electrode 17 above the connection 5 is in ohmic contact with the neighboring connection, and so on.
  • the varistor therefore acts according to the thickness of the varistor layer between two metal parts which constitute the terminals of the aristor.
  • protection device may concern either one or more connections which are particularly exposed to overvoltages, or all of the external connections.
  • Figure 6 shows a third embodiment of the protection device according to one • in- vention, according to the second type.
  • Figure 6 shows a fragment 3 • substrate supporting at least two external connections 4 and 5.
  • the. external connections 'that they are made in a cut metal plate, as is the case for example for DIL packages, or that they are produced by screen printing of a metal-based paste on a substrate ceramic, as is the case for chip-carrier micro-housings, are all originally joined by a metal bridge 18.
  • metal bridges 18 are cut by any process known to those skilled in the art, such as a chemical attack under mask or a laser beam cutting, so as to leave two arches 9 of the bridge 18, these arches or beaches of .
  • metallization 9 leaving between them a space 10 which corresponds to the thickness "t" of desired varistor, as a function of the composition of the material, of its characteristics and of the tension against which it is sought to protect itself.
  • the varistor 6 is deposited either by screen printing or by spraying and it fills the intervals 10 between the metal areas, also forming incidentally but this is not essential for the operation of the device one. continuous strip as described on the occasion of FIG. 2 or of FIG. 3.
  • the varistor therefore acts transversely between two connections.
  • the protection device can be applied between a connection particularly subjected to external overvoltages, between several or between the all-. connections, at least one of which is grounded.
  • FIG. 7 represents a fourth embodiment of the device for protection against overvoltages, in the case of a metal case, such as for example the boxes T03 for encapsulation of discrete semiconductor.
  • FIG. 7 is shown in 19 a fragment of the metal base of a housing: the external access connection 4 is immobilized and supported on this base by means of a glass bead 3, which fulfills the function of the insulating substrate described on the occasion of. previous examples.
  • the invention provides for depositing a film or a drop of varistor 20 at the foot of the connection 4, and on the base 19.- In this case , the action of the varis ⁇ tance is exerted according to the distance 21 separating the per ⁇ turn of the connection 4 at the edge of the hole in the base 19 which supports the glass bead 3.
  • the overvoltage protection therefore acts according to the second type, that is to say transversely. Given, on the one hand, that this distance 21 is greater than that which separates a connection from its grounding electrode in the examples described above, but that on the other hand the switching voltage of the vaistor 20 is a function of the intergranular tension, it suffices to increase the particle size of the starting material, so as to provide protection through a length 21 of varistor corresponding to a precise number of grains of material.

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Abstract

Dispositif de protection de circuits et semiconducteurs contre les surtensions d'origine statique ou surcharges dynamique en tension. Le dispositif selon l'invention consiste à déposer sur le support (3) et sur les connexions (4, 5) d'accès extérieur du circuit un résistance non linéaire ou varistance (6), dont la composition et l'épaisseur du dépôt sont choisies pour que la tension de seuil (Vo) de la varistance soit inférieure à la surtension dangereuse pour le circuit. Selon une forme préférée de l'invention, la varistance (6) est déposée par sérigraphie en anneau recouvrant les connexions (4, 5) d'accès extérieur, une métallisation (7) déposée sur la varistance (6) assurant la mise à la masse en cas de surtension. Selon une autre forme, la mise à la masse est assurée par les connexions d'accès elles-mêmes. Application aux circuits MOS et aux FET en microboîtiers céramiques ou aux circuits hybrides.

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION INTEGRE CONTRE LES SURTENSIONS D'UN CIRCUIT ELECTRONIQUE, ET CIRCUIT ELECTRONIQUE PROTEGE
PAR CE DISPOSITIF
La présente invention concerne un dispositif de protection intégré des circuits électroniques et des semiconducteurs contre les surtensions électriques d'origine statique ou dynamique. Elle s'applique aux 5 circuits et aux semiconducteurs réputés particulière¬ ment fragiles aux surtensions, tels que par exemple les MOS ou les transistors à effet de champ-, ceux-ci étant en outre encapsulés dans des boîtiers en maté¬ riau isolant tel que des céramiques. 0 Le dispositif de protection selon l'invention est applicable à tout boîtier isolant existant, tel que par exemple les semiconducteurs discrets en boîti¬ ers de type TO 220* ou TO 126, plastiques, qui remplacent souvent pour des raisons, d'économie les 5 boîtiers métalliques de type TO 3. Elle est également applicable aux circuits intégrés montés .en boîtiers' de type DIL ou en microboîtiers couramment appelés chip-carriers, céramiques, enfin aux circuits hybri¬ des sur substrats céramiques ou tôle émaillée. Dans 0 le cas de boîtiers d ' encapsulation plastique, l'objet de l'invention doit être réalisé avant l' encapsula¬ tion plastique.
De façon plus générale, le dispositif selon l'in¬ vention s'applique à tout composant électronique dis- 5 cret, intégré ou hybride monté dans un boîtier dont les surfaces, internes ou externes, écoulent mal les charges électriques.
Il est connu que les composants électroniques sont calculés pour fonctionner à des tensions relati- 0 vement faibles, telles que par exemple + 5 V pour les circuits TTL , 15V pour les circuits MOS, quelques centaines de volts pour les transistors de puissance, sans que ceci soit limitatif. Ces mêmes composants sont bien entendu réalisés avec un coefficient de sécurité qui permet une certaine marge sur les ten- sions, de quelques dizaines de volts selon les types. Ceci ne met cependant pas ces composants à l'abri des décharges d'électricité statique ou des surchar¬ ges accidentelles de tension, en service. En effet, surtout en ce qui concerne l'électricité statique, les tensions développées sont sans commune mesure avec les tensions admissibles. C'est ainsi que, à titre d'exemple, un opérateur assis à un poste de travail crée des tensions statiques comprises entre 500 et 3 000 volts, tandis qu'en marchant sur un tapis isolant, il crée des tensions statiques compri¬ ses* entre 12 000 et 40 000 volts. A titre de comparaison, les circuits MOS et FET sont sensibles à des décharges électrostatiques de 100 à 200 volts et les transistors bipolaires à des décharges électro- statiques de 380 à 7 000 volts.
Il est donc nécessaire de protéger les composants, e*t surtout les plus fragiles tels que les circuits intégrés et les MOS contre toute surtension d'origine statique ou dynamique afin d'éviter leur destruction. Les solutions actuellement connues sont des solu¬ tions - temporaires qui consistent à court-circuiter les connexions externes pend'ant leur stockage, leur manipulation ou leur soudure sur un circuit complexe. C'est ainsi que, à titre d'exemple, les composants encapsulés dans . des boîtiers munis de connexions extérieures embrochables, tels que les boîtiers du type DIL, ou supportés par des substrats également munis de connexions tels que les circuits hybrides, sont piqués pour leur stockage et leur transport, dans des mousses organiques rendues conductrices de l'électricité ou recouvertes d'une feuille métallique qui court-circuite les connexions. Pendant leur mani¬ pulation, ces mêmes boîtiers sont pris par des pinces spéciales qui court-circuitent entre elles les conne¬ xions et les mettent à la masse.
• Il n'en est plus de même avec les boîtiers sans connexions embrochables tels que les chip-carriers. D'une part, puisque les connexions sont des bandes métalliques déposées sur et sous une plaquette cérami¬ que., il n'est plus possible de les piquer dans un matériau conducteur. D'autre part, les connexions étant très généralement sur ,les flancs de la plaquet¬ te situées au fond d'une gorge de protection, il est malaisé de prendre la plaquette avec une pince qui court-circuite toutes les connexions.
Dans tous les cas, l'action de court-circuit des connexions externes, que ce soit avec connexions em¬ brochables ou que ce soit en court-circuitant les métallisations d'un chip-carrier, cesse quand la pin¬ ce lâche le composant, ou quand le composant est retiré de la mousse dans laquelle il a été piqué. Enfin cette action n'est valable qu'en cours de monta¬ ge ou de manipulation de composant contre les décharges statiques : il n'y a plus d'action contre les surtensions dynamiques au cours du fonctionnement du semiconducteur ou du circuit électronique.
Le dispositif selon l'invention apporte une solu¬ tion continue, et non plus temporaire, à la pr.otec- tion contre les surtensions., quelles que soient les formes des connexions extérieures. En effet, le dispo- * sitif de protection consiste à réunir les connexions externes, prises deux par. deux, par un élément de résistance non linéaire à effet • varistance à basse tension dont la résistance est très élevée aux tensions de service normales du composant et devient faible ou très faible dès que la tension dite de seuil de la varistance, court-circuitant alors les connexions et - protégeant le composant puisqu'un court-circuit est établi entre ses connexions exter¬ nes. Selon la- con iguration du microboîtier ou du substrat, l'élément de résistance non linéaire ou varistance est constitué par un anneau qui recouvre toutes les métallisations de sortie, ou par un dépôt localisé qui les réunit deux à deux. Selon une forme préférée de l'invention, une métallisation qui recou¬ vre la résistance non linéaire permet d'écouler les surtensions à la masse.
De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de protection intégré contre les surten¬ sions d'un circuit électronique monté sur un support en matériau isolant* et muni d'au moins une connexion d'accès extérieur solidaire du support, ce dispositif, de protection étant - caractérisé en ce qu'il est constitué par une .résistance à effet non linéaire, dite varistance à basse tension- de seuil (V ) , dont o une première borne est en contact ohimique avec une électrode métallique de mise à la masse, l'épaisseur du matériau de varistance comprise entre la connexion et l'-électrode de mise à la masse étant telle que, pour toute surtension (U) (dangereuse pour le circuit électronique et supérieure à la tension de seuil
(Vo) de la varistance) , celle-ci franchit .son seuil de basculement et' établit une liaison peu résistive entre la connexion et la masse.
L'invention sera mieux comprise par la description d'exemples de réalisation qui va en être faite, en s ' appuyant sur les figures jointes en annexe et qui représentent : - figure 1 : courbes de caractéristiques courant- tension de varistances selon l'art connu,
- figure 2 : schéma du dispositif de protection selon l'invention, dans un premier type, - figure 3 : schéma du dispositif selon l'inven¬ tion, dans un deuxième type,
- figure 4 : un premier exemple de réalisation selon le premier type sur un • microboîtier ou chip-carrier, - figure 5 : un second exemple de réalisation selon le premier type,
- figure 6 : un troisième exemple de réalisation selon le second type,
- figure* 7 : un quatrième exemple de réalisation sur boîtier à socle métallique.
La figure 1 rappelle les caractéristiques de courant en fonction de la tension pour les varistan¬ ces dans le cas général de l'art connu.
Les varistances sont, de façon tout à fait généra- le , obtenues à partir de mélanges de poudres à base d'oxyde de zinc dont la structure présente des dé¬ fauts et auxquelles ont été ajoutés différents oxydes de bismuth chrome, manganèse, cobalt ..., l'oxyde Bi203 étant trouvé essentiel pour le développement de la non-linéarité de la varistance. La caractéristi¬ que courant-tension d'une varistance n'est donc pas de la forme linéaire I = V/R.V comme' dans les - résistances classiques, mais est d'une forme non linéaire et suit une relation du type I = Kλ avec k étant une constante et α* un coefficient de non-li¬ néarité dépendant de la microstructure du matériau de fabrication de la variβtance. Par différentes compositions du mélange et différents procédés de fabrication des varistances, qui sortent du domaine de l'invention et appartiennent à l'art connu, on sait réaliser des varistances dont les caractéristi¬ ques sont variables, et illustrées à titre d'exemple sur la figure 1 par deux courbes. La tension étant portée en abscisses et l'intensité . étant portée en ordonnées on voit qu'une varistance correspondant à la courbe 1 a une variation monotone de ses caracté¬ ristiques tandis qu'une autre varistance correspondant à la courbe 2 reste très résistante jusqu'à une cer¬ taine tension de seuil repérée V° , tension au delà de laquelle la varistance devient quasiment conduc¬ trice. C'est ce second type de varistance, qui a une tension de seuil à* basculement brutal, qui est inté¬ ressant pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention.
On sait d'autre part que l'effet varistance est lié à un effet de champ aux. joints de grains. La tension V aux bornes d'une varistance peut donc être exprimée comme étant égale à :
V =- n .V g g avec n = 'nombre de grains en série dans la g varistance et
V = la tension par grain, . cette tension par grain étant comprise entre 2 et 4 volts environ pour les varistances actuellement con- nues. Par conséquent, si l'on souhaite protéger un circuit contre, une tension donnée, il suffit de dis¬ poser d'une épaisseur de dépôt déterminée par le nom¬ bre de grains. Le dispositif de protection selon l'invention consiste donc à disposer entre une élec- trode d'accès à un circuit ou à un semiconducteur et une électrode dé mise à la masse une épaisseur donnée de varistance, cette varistance étant considérée comme présentant une résistance très élevée aux tensions inférieures à la tensi.on de seuil V de la varistance, o
"BÏÏRË
, _OAÎPI tandis qu'elle devient quasiment conductrice aux tensions supérieures à la tension de seuil, écoulant ainsi les surtensions d'origine statique ou dynamique à la masse par l'intermédiaire de l'électrode de 5 masse.
La figure 2 représente le schéma du dispositif de protection selon l'invention, dans un premier type de fonctionnement.
En vue de' simplifier la figure et le texte il n'' a
10 été représentée qu'une partie d'un substrat supportant deux électrodes., Soit 3 un substrat céramique qui dans le cas de figure peut être le substrat d'un phip-car- rier, mais qui pourrait également être l'embase d'un boîtier d 'encapsulation de' type DIL., ce substrat céra-
15 mique ' 3 supportant donc les connexions externes 4 et 5, dont il est connu qu'une extrémité sert à fixer le boîtier d' encapsulation sur un support tandis que l'autre extrémité assure les connexions avec la pas¬ tille de semiconducteur. Selon l'invetion, une bande
20 de matériau à effet varistance 6 est déposée entre les connexions, cette bande étant elle-même surmontée par une bande métallique 7 qui est reliée à une connexion de masse. Ainsi l'effet varistance se déve¬ loppe entre chaque connexion d'accès telle que 4 et
25 -l'électrode de mise à la masse 7 à travers une épaisseur repérée de matériau à effet varistance
Tant que le semiconducteur est soumis à des tensions d'alimentation normales, la tension existant entre l'électrode d'accès 4 et l'électrode de mise à la
30. masse 7 est inférieure à la tension de seuil V o choisie pour la varistance 6 : par conséquent celle- ci se comporte comme un .élément ayant une résistance très élevée quasiment comme un' isolant. Par contre, si une -surtension, telle que par exemple une décharge
Figure imgf000009_0001
-ΛΓV^
d'électricité statique, se présente sur la même élec¬ trode d'accès 4 la varistance devient conductrice dans un temps extrêmement bref puisqu'il s'agit d'un phé¬ nomène à effet de . champ, et la surtension, au lieu 8e détériorer le semiconducteur, est écoulée à la masse. L'épaisseur "e" de la varistance est déterminée en partie par le diamètre des grains avec lesquels sont réalisées les varistances, et en partie par la tension au delà de laquelle on a fixé le fonction- nement du dispositif de protection d'un circuit MOS, on pourra utiliser une épaisseur de dépôt de l'ordre de trois à cinq diamètres de grains, c ' est—à-dire , avec des grains dont le diamètre est compris entre 10 et 20 microns une épaisseur de 30, à 100 microns pour la varistance.
Le dépôt de la varistance se fait selon les pro¬ cédés de l'art 'connu tels que sérigraphie, dépôt sous vide ou chalumeau à plasma. Le matériau est ensuite recuit par un traitement de recuit global ou localisé, avec des moyens connus tels que le laser, de façon à constituer du à restaurer les propriétés des joints de grains.
A titre d'exemple non limitatif, avec les maté¬ riaux de varistance' actuellement connus, il est possi- ble de réaliser des protections des sorties d'un circuit avec des valeurs d'isolement, entre conne¬ xions d'accès externe et électrodes de mise à la masse :
- V < 10 Volts, R ≈ 50 à 100 k ohms - V - 5 Volts, R ~ 10 Moh s
"- V > 10 Volts, R ~ 10 à 100 Mohms De plus, certaines compositions ou des modifi¬ cations d'épaisseur permettent de protéger à des tensions plus élevées que celles citées, par exemple 25 ou 50 Volts. L'électrode supérieure 7 peut être constituée de matériaux non nobles, tels que par exemple le bismuth, ou l'aluminium ou l'argent, ou le nickel, dopés par des oxydes de bismuth, de silicium ou de plomb. Selon une forme préférée du dispositif selon l'in¬ vention, la varistance 6 est déposée sous forme d'un anneau qui entoure le circuit, soudé au milieu du substrat 3, et réalise, en cas de surtension, un véri¬ table court-circuit de toutes les connexions d'accès externe, agissant en quelque sorte comme une cage de Faraday. Dans ce premier type de réalisation de l'in¬ vention, la présence de varistance dans la région 8 située entre deux électrodes d'accès telles que 4 et 5 ne joue pratiquement aucun rôle puisque l'ecartement entre les deux électrodes considérées .e compte plutôt en fraction de millimètre et non pas en microns : il y a donc un effet de fonctionnement transversal de la varistance 6 et cette distance 8 est trop élevée pour jouer un rôle. Par contre, c'est le fonctionnement transversal entre deux électrodes d'accès, qui est mis en oeuvre dans le second type de fonctionnement de l'invention, qu'illustre la figure 3.
De même que pour la figure 1, et afin de simpli- fier les dessins et le texte, seul un fragment de substrat 3 a été représenté ainsi que deux électrodes d ' accès 4 et 5.
Comme dans le cas précédent, un ruban 6 de varis¬ tance est déposé sur et entre les connexions externes, par une méthode telle que la sérigraphie. Cependant l'action de la varistance est transversale, c'est-à- dire que l'épaisseur de la varistance qui va franchir son seuil de tension V en cas de surtension statiαue o ou dynami que es t l ' p ai sseur app elée " t" correspon dant à la distance ou à 1 ' éloignement 10 entre les métal- lisations de deux connexions 4 et 5. Cette distance "-fc" détermine le seuil, de basculement de la varistance et il s'exprime comme il a déjà été dit par une épais- seur des grains du matériau de la varistance. Cette épaisseur se compte par conséquent en quelques cen¬ taines de microns.
Etant donné qu'il n'est pas possible de réaliser une grille de connexion externe dont chaque connexion est séparée de sa voisine par un intervalle 10 de l'ordre de 100 ou 200 microns, le procédé le plus sûr pour réaliser ce second type de protection contre les surcharges en tension consiste à réaliser d'abord une grille de connexions externes qui sont toutes court- circuitées et découpées dans la même feuille de métal, puis à les séparer par une découpe laser ou par une attaque chimique, précédée par un photomasquage. Dans ce cas ayant réalisé une solution de continuité 10 entre deux électrodes 4 et 5, il devient facile de déposer "un "ruban de varistance 6 qui remplit cet in¬ tervalle 10 avec le matériau de varistance sur une épaisseur de quelques grains.
Ce second type de réalisation .présente deux avan¬ tages : il permet de connecter toutes les -connexions ' extérieures, avant dépôt de la varistance, ce qui facilite les dépôts électrolytiques des couches super¬ ficielles telles que nickel, or, argent ... etc , et en outre il n'est nécessaire de faire qu'un seul dépôt, celui de la varistance puisqu'il n'y a plus de métal- lisation 7 de mise à la masse, comme dans le premier type.
La figure 4 représente un premier exemple de réa¬ lisation du dispositif de protection selon l'inven¬ tion, sur l'embase d'un microboîtier de type chip- carrier. Par rapport aux figures partielles 2 et 3,
-BU 1
on retrouve sur la igure 4 une embase céramique 3, sur laquelle ont été déposées un certain nombre de metallisations de connexions externes telles que 4 et 5. En vue de ne pas compliquer la figuré, quatre- metallisations seulement ont été représentées sur chacun des quatre côtés du chip-carrier, mais il est connu"*"que les chip-carriers peuvent atteindre la cen¬ taine de connexions extérieures. Sur l'embase de chip- carrier, munie de ses dépôts métalliques de connexions externes, à été déposé un anneau 6 de varistance puis, par dessus celui-ci, une électrode 7 en forme d'anneau également, mais cette électrode est réunie^ à l'une des connexions externes, par un pontet métallique II, ladite connexion externe étant celle qui correspond au potentiel de masse.
La figure 4 et cet exemple de réalisation reste¬ raient également, dans le domaine de l'invention . si la métallisation 7 n'avait pas été réalisée par dessus la varistance 6. Dans ce cas, la varistance agit comme une sorte de cage de Faraday 'court-circuitant toutes les connexions et .les charges électriques s'écoulent par la connexion de mise à la masse, mais ce cas est bien entendu moins favorable que celui qui prévoit une métallisation 7. La figure 4.représente l'embase d'un chip—carrier: il est bien entendu qu'il ne s'agit là que d'un exem¬ ple pour expliquer l'invention et. que le dispositif selon l'invention s'applique également à tout autre type de substrat . isolant écoulant mal les charges - électriques et l'exemple d'application s'applique également, et avec les mêmes avantages, aux plaquettes substrats -céramiques de circuits hybrides, ou aux embases céramiques de circuits- intégrés encapsulés en .boîtiers DIL par exemple, ainsi qu'à tout autre encapsulation connue utilisant des matériaux tels que les céramiques.
La figure 5 représente un second exemple de réali- sation selon le premier type du dispositif de pro¬ tection de l'invention.
Le premier type de protection, comme il a été pré¬ cédemment exposé, agit selon l'épaisseur de la varis¬ tance. Dans l'exemple de la figure 4, la varistance est déposée sous forme d'un anneau, présentant par conséquent une bande continue, et cette bande de varistance est surmontée par une bande continue de métallisation qui écoule les surtensions à la masse. Dans ce seond exemple de réalisation, la varistance est réalisée sous forme d'un plot, déposé sur chaque connexion externe, et la métallisation supérieure ou électrode d'écoulement à la masse, est une métalli¬ sation prise en excroissance sur la connexion voisine. Ainsi selon ce second type toutes les connexions agis- sent en série.
Comme dans- les cas de figures précédents, seul un fragment de substrat 3 a été représenté, ce frag¬ ment supportant quelques connexions extérieures telles que 4 et 5. Sur chaque connexion extérieure est déposé un plot de varistance tel que 12 sur la connexion 4 et 13 sur la connexion 5. Ce plot a des dimensions réduites mais il est important au cours du dépôt qu'il recouvre partiellement au moins un côté' de la conne¬ xion en vue d'éviter les court-circuits entre l'élec- trode supérieure '16 avec la connexion 4, oul7 avec la connexion 5. Ce dépôt latéral tel que 14 et 15 n'a pas de rôle de varistance mais un rôle d'isolant. Lorsque le dépôt des plots 12 et 13 a été effectué, une seconde métallisation localisée telle que 16 et 17 recouvre le plot de varistance 12 ou 13 et est en contact ohmique avec la connexion voisine de la connexion qui supporte le plot : . ainsi si l'on considère la connexion 4 L'électrode 16 est en con- tact ohmique avec la connexion 5 et l'électrode 17 au dessus de la connexion 5 est en contact ohmique avec la connexion voisine, et ainsi de suite. D'ans ce type de protection intégrée, la varistance agit donc selon l'épaisseur de la couche de varistance entre deux parties métalliques qui constituent les bornes de la aristance.
Sur la figure 5 n'ont été représentées que trois connexions externes, mais il est bien entendu que le dispositif de protection peut concerner soit une ou plusieurs connexions qui sont particulièrement expo¬ sées à des surtensions, soit la totalité des conne¬ xions externes.
La figure 6 représente un troisième exemple de réalisation du dispositif de protection selon 1 • in- vention, selon le second type. Pour être homogène avec les figures précédentes, les mêmes indices de repère ont ' été conservés, et la figure 6 représente un • fragment de substrat 3 supportant au moins deux connexions externes 4 et 5. * Cependant, dans ce type de réalisation, les. conne¬ xions externes, ' qu'elles soient réalisées dans une plaque métallique découpée, comme c'est le cas par exemple pour , les boîtiers DIL, ou qu'elles soient réalisées par sérigraphie d'une pâte à base de métal sur un substrat céramique, comme .c'est le cas pour les microboîtiers chip-carriers, sont toutes à l'ori¬ gine réunies par un pontet métallique 18. De façon à mettre en évidence cette structure à l'origine, la figure 6 est écorchée et représente dans sa partie gauche la structure des connexions avant le début des opérations destinées à mettre en place le disposi¬ tif de protection contre les surtensions, et, dans sa partie droite, le dispositif achevé. Ainsi donc, à l'origine, les connexions sont réunies par des. ponts métalliques 18 et ceux-ci sont coupés par tout procédé connu de l'homme de l'art, tel qu'une attaque chimique sous masque ou une découpe par faisceau laser, de façon à laisser subsister deux arches 9 du pont 18, ces arches ou plages de. métallisation 9 laissant entre elles un espace 10 qui correspond à l'épaisseur "t" de varistance voulue, en fonction de la composition du matériau, de ses caractéristiques et de la tension contre laquelle on cherche à se protéger. Après découpe des plages métalliques 18, la varistance 6 est déposée soit par sérigraphie, soit par pulvérisation et elle remplit les interval¬ les 10 entre les plages métalliques, formant égale¬ ment accessoirement mais cela n'est pas indispensable au fonctionnement du dispositif une . bande continue telle que décrite à l'occasion de la figure 2 ou de la figure 3.
Dans ce second type de protection contre les surtensions la varistance agit donc transversalement entre deux connexions.. De même que dans les cas précédents, le dispositif de protection peut être appliqué entre -une connexion particulièrement soumise à des surtensions extérieures, entre plusieurs ou entre la totalité-. des connexions, l'une d'elles au moins étant mise à la masse.
La figure 7 représente un quatrième exemple de réalisation du dispositif de protection contre les surtensions, dans le cas d'un boîtier métallique, tels que par exemple les boîtiers T03 d' encapsulation de semiconducteur discret.
-BU EAU Sur cette figure 7 est représenté en 19 un frag¬ ment de l'embase métallique d'un boîtier : la conne¬ xion d'accès extérieur 4 est immobilisée et supportée sur cette embase par l'intermédiaire d'une perle de verre 3, qui remplit, la fonction du substrat isolant décrite à l'occasion des. exemples précédents. Si le semiconducteur encapsulé dans ce boîtier métallique est sensible et peut être détruit par des surtensions, l'invention prévoit de déposer une pellicule ou une goutte de varistance 20 au pied de la connexion 4, et sur l'embase 19.- Dans ce cas, l'action de la varis¬ tance s'exerce selon la distance 21 séparant le pour¬ tour de la connexion 4 au bord du trou dans l'embase 19 qui supporte la perle de verre 3. La protection contre la surtension agit donc selon le second type, c'est-à-dire transversalement. Etant donné, d'une part, que cette distance 21 est supérieure à celle qui sépare une connexion de son électrode de mise à la masse dans les exemples précédemment décrits, mais que d'autre part la tension de basculement de la va¬ ristance 20 est fonction de la tension .intergranulaire, il suffit d'augmenter la granulométrie du matériau de départ, de façon à assurer la protection à travers une longueur 21 de varistance correspondant à un nom- bre précis de grains de matériau.
L'invention a été décrite, en l'appuyant sur quel- quelques exemples de réalisation , mais elle recouvre toutes les variantes que l'homme de l'art trouvera évident d'y apporter sur boîtiers ou substrats cérarni- ques ou plastiques, la cuisson de "la varistance étant, dans ce dernier cas, réalisée avant l'enrobage plas¬ tique .
Elle est précisée par les revendications ci-après.
- UREA

Claims

REVENDICATION
1. Dispositif de protection intégré contre les surtensions d'un circuit électronique monté sur un support (3) en matériau isolant, et muni d'au moins une connexion (4) d'accès extérieur solidaire du sup- port (3), ce dispositif de protection étant caracté¬ risé en ce qu'il est constitué par une résistance à effet non linéaire (6), dite varistance, à basse ten¬ sion de seuil (V ) , dont une première borne est en o contact ohmique avec la connexion {4) d'accès exté— rieur et dont l'autre borne est en contact ohmique avec une . électrode métallique (7) de mise à la masse, l'épaisseur du* matériau de varistance (6) comprise entre la connexion (4) et l'électrode (7) de mise à la masse étant telle que "pour toute surtension (U) dangereuse pour le circuit électronique et supérieure à la tension de seuil (Vo) de la varistance (6), celle- ci franchit son seuil de basculement et établit une liaison peu résistive entre la connexion (4) et la masse (7) .
2. Dispositif de protection selon la revendica¬ tion 1, caractérisé en ce que, le circuit étant monté sur un support (3) muni d'une pluralité de connexions (4, 5) d'accès extérieur, la varistance (6) est dé¬ posée sur le support (3) et sur les connexions (4, 5) d'accès extérieur sous forme' d'un ruban en anneau qui réunit entre elles toutes les connexions exté¬ rieures. *
3. Dispositif de protection selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'électrode métallique (7) de mise à la masse est constituée par une métallisa¬ tion déposée sur la face "libre de l'anneau de varis¬ tance (6), cette métallisation étant réunie électri-
Figure imgf000018_0001
quement (11) à au moins une connexion extérieure de mise à la masse.
4. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le circuit étant monté sur un support (3) muni d'une pluralité de connexions, (4, 5) d'accès extérieur, celles-ci sont munies de plages (9) distantes entre elles d'un intervalle (10) à l'intérieur duquel la varistance (6) est déposée sur le support (3) , la mise à la masse d'une surten- sion sur une première connexion (4) d'accès extérieur étant assurée- par au moins une -seconde connexion (5) d'accès extérieur.
5.' Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la varistance est déposée sur une première connexion (4) d'accès extérieur sous forme, d'un dépôt localisé (12) , qui recouvre' en (14) au moins un flanc de la dite connexion (4) et en ce que la métallisation (16) de mise à la masse est dépo¬ sée sur la varistance (12 et 14) et sur le support (3) et est électriquement réunie à une seconde conne¬ xion (5) d'accès extérieur.
6. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la varistance (6 ou 12) et l'électrode métallique (7 ou 16) sont déposées sous forme de pâtes pour sérigraphie.
7. Dispositif de protection selon la revendicatio 1, caractérisé en ce que la varistance (6 ou 12) et l'électrode métallique (7 ou 16) de mise à la masse sont déposées sous . forme solide, par pulvérisation cathodique ou projection plasma.
8. Dispositif de protection selon la revendication
1, caractérisé en ce que la composition et la granulo- métrie du matériau de la varistance (6) sont choisies pour que ladite varistance ait une tension de seuil
(Vo) supérieure de quelques volts à la tension de service normal du circuit électronique, et ait un seuil de basculement brutal.
Figure imgf000020_0001
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