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Lycée Christophe COLOMB154 rue de Boissy94 370 Sucy-en-Brie

Technologie Hybride

Choix technologiques concernant l’oscillateur Colpitts

Avantages technologiques

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Principes Généraux

« Définition de la technologie Hybride  »

Un sous-système électronique dans lequel quelques circuits intégrés (empaqueté ou non) et des composants discrets sont attachés directement à un substrat commun. Les connexions entre les composants sont formées sur la surface du substrat, quelques composants comme des résistances et les inductances peuvent être fabriqués directement sur le substrat. Le procédé est additif (on ajoute les pistes), contrairement à une technologie classique, où l’on vient supprimer du cuivre (insolation –révélation).

La dissipation thermique est directement assurée par le substrat (généralement de l’alumine Al2O3), générant une économie de place et de coût (pas d’ajout de dissipateurs).

Pages suivantes quelques exemples

Quelques exemples

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Oscillateur Colpitts* Projet 2003

Bouchon 50

Jauge de carburant

Récepteur FM Emetteur FM

Zoom sur le bouchon 50

Autres exemples

Autre exemple 1Accueil

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Carte « nue » (pistes et résistances sérigraphiées)

Carte complète

Résistances etcondensateurs CMS*

Résistances sérigraphiées

Puces de silicium

Autre exemple 2

Autre exemple 2 : oscillateur compensé en température

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Carte « nue »

(pistes uniquement)

Carte « complète »

bobine

varicap

puce

3 plots permettant de soutenir une lame de quartz

Lame de quartz

La carte est ensuite mise en boîtier

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Le bouchon 50 Accueil

100£

100£

contact1

contact2

contact3

Schéma électrique équivalent :

Description de la réalisation du bouchon :C’est mécaniquement que les résistances vont être mises en parallèle.

Retour Vers résistances sérigraphiées

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3 Contacts

2 résistances sérigraphiées de 100 en parallèle

Réalisation

Les résistances sérigraphiéesCe ne sont pas des résistances classiques (traversantes ou CMS).Elles peuvent être négatives.Il s’agit d’une encre résistive déposée sur un substrat d’alumine.

On dispose d’un pot d’encre par décade (…10 100 1k 10k 1M….)

Un carré correspond à une résistance de la valeur du pot (ex. : 100 ), quelle que soit la dimension du coté. La taille influe sur la puissance dissipable.

On crée toujours une résistance inférieure à la valeur désirée, puis on vient l’ajuster au laser pour obtenir la valeur particulière.

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Résistance de puissance

Le choix de l’encre

Résistances de signal

Choix de l’encre

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Propriétés des métaux

Devant la quantité de fabricants, notre industriel a choisi de se limiter à 2 fournisseurs.Un seul étant trop risqué en cas de rupture d’approvisionnement.Par ce choix, il se « limite » à quelques milliers de références d’encre.

Ses 2 fournisseurs sont : ESL et Dupont de Nemours.

On peut distinguer 3 critères dans le choix de l’encre :La capacité de l’encre à la brasure.Le rôle de l’encre.Le prix.

6 Matériaux (métaux nobles) sont utilisés pour les encres :Or (Au) – Platine (Pt) – Palladium (Pd) – Argent (Ag) – Nickel (Ni) – Aluminium (Al)Des propriétés de ceux-ci, on détermine la composition de l’encre qu’il faudra utiliser.

Propriétés des métaux utilisés pour les encres

Nom avantages inconvénient Résistivité

coût

Or (Au) Stable (pas d’oxydation)

Possibilité de sérigraphie fine

Bonne aptitude au bonding

Lourd – cher

Se dissout dans l’étain 2m/ � 24 €/g

Platine (Pl) Stable

Utilisé pour la réalisation de capteur (sonde PT100)

Lourd – très cher

Ne se soude pas ou très mal

100m/ � 29 €/g

Palladium (Pd) Stable

Utilisé en combinaison avec d’autres métaux

Relativement lourd

Insoudable 60m/ � 23 €/g

Argent

(Ag)

Peu stable (il se passive : tendance à bouger à l’air libre)

Soudabilité excellente

Moins lourd

2m/ � 4 €/g

Nickel (Ni)

Aluminium (Al)

Utilisés pour les capteurs Insoudables

7 €/gRetour

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Le bouchon 50

Les résistances du bouchon 50

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La fabrication de la résistance s’effectue grâce à un masque qui protège les zones à ne pas encrer.

Pour les fabriquer, le constructeur doit définir :

•L’encre à utiliser, en fonction (entre autre) de la valeur que l’on veut obtenir. La valeur est ensuite rectifiée par un ajustage L.A.S.E.R.* •La forme que devra prendre la résistance, qui déterminera les caractéristiques fréquentielles de celle-ci.

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Exemple du bouchon 50

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Détermination des besoins :

Plan de masse du dessous Conducteurs du dessus Résistances

3 types d’encre à priori

Le plan de masse :On cherche : une bonne tenue à la brasure et une faible résistivitéOn choisit : une encre à base d’argent et de platine (réf. : 9597)

Les conducteurs du dessus :On cherche : une encre soudable et compatible avec l’encre résistiveOn choisit : une encre argent – palladium – platine (réf. : 9562)

Les résistances :On cherche : ici une montée en fréquence, donc c’est avant tout la forme qui va être imposée. (plus trapézoïdale que rectangulaire) (réf.: 3980)

Exemple du bouchon 50

Pour des résistances classiques, les critères de choix sont les suivants :

La décade à utiliser TCR : coefficient de température Aptitude à dissiper la puissance Capacité à supporter les surtensions La possibilité de sérigraphier à grande vitesse

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Exemple du bouchon 50

Pour les résistances en hyperfréquence (fréquence supérieure au GHz)

La géométrie est imposée (trapézoïdale) Le facteur place : la résistance la plus grande

possible pour dissiper la maximum de puissance Un mélange d’encre pour obtenir une valeur

particulière. (Pour obtenir 200, on mélange 100 et un peu de 1k

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Exemple de la résistance de 200

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Courbe de mélange des encres

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

résistance / 100

prop

orti

on e

n % 75%

25%

courbe de l'encre 1k

courbe de l'encre 100

200

Pour obtenir une résistance de 200, on mélange 25% d'encre 1kpour 75% d'encre 1k

L’ajustage L.A.S.E.R.

Principe : On vient détourner les lignes de courants électrique. On diminue ainsi la section S de passage et augmentant par là-même la longueur L de certaines lignes de courant , donc la résistance.

Résistance

Lignes de courantAvant ajustageR=R1

Résistance

Lignes de courantAprès ajustageR=R2>R1

R : résistivité en .mL : longueur en mS la section en m2

R=.L/S

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Choix technologiques et économiques concernant l’oscillateur Colpitts (1/4)

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Pourquoi de l’hybride ?

Ici, dans un but pédagogique, pour faire connaître cette technologie.

Pourquoi des résistances CMS et pas sérigraphiées ?

Le choix n’est pas guidé par un critère d’encombrement.3 oscillateurs de fréquences différentes qui nécessitent :

3 programmes distincts d’ajustage L.A.S.E.R. 1 masque par oscillateur, les empreintes n’étant pas les mêmes pour chacun d’eux.

Ce qui complique considérablement la production, alors que le temps nous est compté : d’où le choix de composants CMS.

Choix technologiques et économiques concernant l’oscillateur Colpitts (2/4)

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Choix du conducteur :

On utilise le même conducteur que pour le dessus du bouchon 50, qui est un bon compromis (réf. : 9562).

Composé d’argent Ag, Palladium Pd et Platine Pl, il présente :une faible résistivité (4m/carré)un bon comportement à la soudureun prix intéressant

De plus, il permet une sérigraphie à grande vitesse.

Choix technologiques et économiques concernant l’oscillateur Colpitts (3/4)

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Choix du vernis :

Le but du vernis est de détourer les zones de soudure.

On utilise habituellement un vernis de couleur verte. Ici, le vernis est bleu, ce qui n’est pas son unique caractéristique. Son avantage est, que comme le conducteur, il se cuit à 850°C (réf. : D4913). Le choix est ici guidé par une commodité de production :

on cuit en même temps le conducteur et le vernis (un seul passage au four à 850°C).

Choix technologiques et économiques concernant l’oscillateur Colpitts (4/4)

Choix de la crème à souder :

Le choix de l’industriel s’est porté sur la référence NC3701GC.

Il s’agit d’un alliage :62% d’étain Sn36% de plomb Pb2% d’argent Ag

Les 2% d’argent sont présent pour saturer la soudure : c’est-à-dire prévenir la migration de métaux dans la soudure.

Le point de fusion est de 180°C, plus bas que pour les autres composants (850°C) pour éviter de tout refondre ce qui ferait dériver l’ensemble.

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Avantages

• Gain en intégration : réduction par 4 de la taille de circuit utile réduisant ainsi la part du coût liée à la surface.

• Gain en fréquence : plus la taille est réduite, plus les fréquences mises en jeu peuvent être élevées.

• Meilleure résistance climato-mécanique : température, chocs, accélération. (Idéal pour les applications militaires et l’avionique).

• Meilleur MTBF* : Mean Time Between Failure.

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illustration

Illustration de la réduction de taille

version classique (composants traversants)

version C.M.S.

version hybride

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Exemple de la carte émulateur 68 HC 11

Outils de Fabrication

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Machines à sérigraphier

Masque de sérigraphie

Masque de sérigraphie

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Masque pour l’oscillateur Colpitts du projet 2003.

Un masque permet la création en série de 20 oscillateurs.

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Procédé de Fabrication

(1/4)

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Cahier des charges

schéma électrique

I mplantation

Réalisation des photos

(typons)

Défi nition par le client du système à réaliser

Défi nition par le client et la société du schéma électrique

Placement des composants en respectant les contraintes d'encombrements et les règles électriques.

Ces étapes sont valables pour toutes

réalisations. (classiques CMS ou

hybride)

Procédé de Fabrication

(2/4)

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Réalisation des masques

Réalisation des écrans

Reproduction masques/ écrans

Préparation du substrat

Création par la société des masques de sérigraphie

Réalisation par la société des masques de sérigraphie

Préparation du support en vue de la sérigraphie

Etapes de préparation en vue de la sérigraphie

Procédé de Fabrication

(3/4)

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Sérigraphie des pistes et des résistances

Sérigraphie des

conducteurs

Séchage - cuisson

Sérigraphie des résistances

Séchage - cuisson

Procédé de Fabrication

(4/4)

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Finalisation et contrôle

Ajustage LA.S.E.R. des résistances

Contrôle - mesures

Dépose des composants

Câblage des connexions

Dépose de composant CMS Changement d’outil de dépose

Lexique• Brasure : Soudure faite avec un métal ou un alliage d’apport dont le point de fusion est inférieur à celui du métal à assembler.  

• Soudure : Composition métallique utilisée pour souder.

• Souder : Joindre à chaud des pièces de métal ou de matière fusible de manière à former un tout solidaire.

• M.T.B.F. : Mean Time Between Failure (temps moyen entre 2 pannes)

• Oscillateurs Colpitts : La partie filtrage de l’oscillateurs est constituée de 2 capacités et d’un composant selfique (ou se comportant comme tel).

• L.A.S.E.R. : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Générateur d’onde électromagnétique fonctionnant sur le principe de l’émission stimulée d’un rayonnement monochromatique cohérent).

• C.M.S. : Composants Montés en Surface (non traversants).

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Remerciements à :

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M. Tartière pour la Société H.C.T. Hybrid Concept Technology

Toute l’équipe pédagogique du Lycée Ch. Colomb (MM. Allègre, Allindré, Carrillo, Pelletier, Veuillerot, Vo et Mlle Bousquet)

fin