Brevet FR2047079A1 — publié le 19710312

L'invention, relative à la fabrication de composants semi-conducteurs, concerne plus particulièrement un dispositif pour la fixation d'un composant semi-conducteur à la surface d'une électrode. 5 Dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, il est fréquemment nécessaire de former une liaison entre la pastille ou plaquette de semi-conducteur et un tampon ou contact d'or. Le tampon d'or peut, dans le cas par exemple des microcircuits électroniques, être déposé sur un substrat mince de céramique. 10 Des techniques pour fixer l'or aux matériaux semi-conducteurs tels que le germanium ou le silicium ont été mises au point au cours des années. L'un de ces procédés pour la fixation de l'or comprend des opérations consistant à placer une plaquette de semi-conducteur sur un contact d'or ou doré, à appliquer une for-15 ce prédéterminée entre les éléments.et à élever la température de l'ensemble à plus de 370aC jusqu'à ce qu'il se forme une liaison eutectique. Différentes techniques ont été appliquées pour produire le chauffage voulu ; l'une d'entre elles consiste à appliquer des électrodes aux extrémités opposées du tampon d'or 20 et à établir un courant entre elles pour chauffer le tampon à la température voulue. Bien qu'elle soit largement utilisée, cette technique n'est pas satisfaisante, car une légère différence d'épaisseur du tampon d'or détermine une variation de la température atteinte pour un courant donné et, en conséquence, on ne 25 peut pas être assuré de produire de bons contacts électriques et mécaniques. De plus, il n'est pas rare que la plaquette de semiconducteur soit endommagée par un surchauffage. En outre, s'agis-sant'de tampons d'or minces, un-courant excessif peut les griller complètement. Par ailleurs, il est généralement souhaitable que 30 la zone chauffée soit limitée au voisinage immédiat du tampon d'or qui doit être fixé afin de ne pas altérer les propriétés électriques d'autres parties du circuit en les surchauffant au cours de l'opération d'assemblage. Avec l'avènement des microcircuits électroniques, dans les-35 quels de multiples fonctions sont remplies sur un unique substrat, le besoin de former avec précision des liaisons reproductibles est devenu impérieux, étant donné que des techniques médiocres d'assemblage abaissent fortement le débit de fabrication du produit voulu, ce qui aboutit par contre-coup à une augmentation 40 du coût unitaire. En conséquence, il existe un besoin pressant 23240 2 2047079 lo d*un procédé d'assemblage et de dispositifs pour l'exécution de ce procédé, gui soient en mesure de fournir des liaisons précises et reproductibles entre des plaquettes de semi-conducteur et des électrodes d'or, quelle que soit pratiquement l'épaisseur de l'électrode d'or, qui ne risquent pas d'endommager la plaquette de semi-conducteur ou les composants voisins du circuit et qui puissent être mis en oeuvre facilement et rapidement. En bref, l'invention atteint ces buts par l'utilisation d'un dispositif de fixation qui comprend une platine chaude en acier inoxydable, montée sur un bloc chauffant réglé à une température de 300°C environ, un élément chauffant faisant saillie à travers une ouverture de la surface de la platine chaude, cet élément chauffant prenant contact avec la surface opposée d'un substrat auquel adhère une électrode ou tampon d'or et sur lequel 15 une plaquette de semi-conducteur doit être fixée. Selon l'un des modes possibles de réalisation, un ruban de platine est utilisé en tant qu'élément chauffant et un courant prédéterminé est établi à travers celui-ci pour provoquer un chauffage local du substrat et du tampon d'or. Selon un autre mode de réalisation 20 possible, on utilise comme élément chauffant une pointe chauffée par haute fréquence. Dans l'un et l'autre cas, une plaquette de semi-conducteur, placée au contact du tampon d'or, forme une liaison eutectique à une température de 380°C environ. La liaison est formée dans une atmosphère d'azote, de sorte que la formation 25 et le mouillage de la liaison eutectique soient plus reproductibles et complets. On comprendra parfaitement l'invention elle-même, ainsi que d'autres buts et avantages gui s'y rattachent, en considérant la description suivante, en liaison avec les dessins annexés. 30 La fig. 1 est une vue en perspective d'une platine chaude avec deux plaques de positionnement, utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention. La fig. 2 est une' vue d'extrémité en coupe transversale d' une forme d'exécution possible de l'invention. 35 La fig. 3 est une vue en perspective d'un élément chauffant fabriqué d'après les principes de l'invention-. La fig. 4 est une vue d'extrémité en coupe transversale d'une autre forme d'éxecution possible de l'invention. La fig. 5 est une représentation typique de la distribution 40 de température le long du substrat. . La fig. 1, à laquelle on se référera, représente une platine 70 23240 3 2047079 chaude 11 de forme rectangulaire, de préférence en acier inoxydable, comportant une ouverture centrale 12 qui" traverse toute son épaisseur. Sur l'une deè faces de la platine chaude; 11, l'ou-vërture 12 présente un orifice généralement carré qui, comme on 5 peut le vôir plus ne't'tèmenf sur la fig. 2 , s' évase, brusquement en un orifice circulaire plu's grand de l'autre côte de la platine chaude 11. L'ouverture 12, de forme générale conique, comporte un passage d'adlmission 13 qui s'étend entre sa paroi conique et le bord* extérieur de la platine chaude 11. Immédiatement au-10 dessus de -la platine" chaude- 11 et en rapport parallèle d'accole-ment avec celle-ci, une plaque inférieure 14 est percée d'une ouverture centrale 15 dont une "seule a été représentée sur la fig. 1 pour plus de clarté. Entre le bord de la "plaque: supérieure 16 et l'intersection 20 des rainures 18 et 19.s'étend un passage d'admission 20. Comme on le vefra ci-après, les passages d'admission 13 et 20 servent à l'introduction d'un gaz protecteur dans la région qui entoure l'ouverture 12; Alors que la platine chaude 11 est en acier inoxydable et, par suite, présente une conductivité thermique 25 élevée, les plaques .14 et. 16' sont de préférence fabriquées en un matériau transparent à faible conductivité thermique,-par exemple en quartz fondu ; on pourrait également utiliser un type de quartz fondu vendu sous la marque commerciale Vycor. On pourrait encore utiliser d'autres matériaux à faible conductivité thermique tels 30 que céramique, Pyrex ou mica. Comme on peut le voir sur la fig. 2, la platine chaude 11 avec les plaques inférieure et supérieure,14 et 16 respectivement, est placée au-dessus d'un bloc chauffant 21 commandé par un thermostat. On peut également observer sur la fig. 2 un élé-35 ment de substrat 22 disposé dans l'ouverture rectangulaire 15, en juxtaposition avec la platine chaude 11. L'élément de substrat 22 peut être par exemple en céramique ou en tout autre matériau isolant utilisable pour supporter des éléments semi-conducteurs. Sur la face supérieure de l'élément de substrat 22 est placé un 40 tampon d'or 23 qui peut par exemple être appliqué par dépôt sous 70 23240 4 2047079 vide. Au-dessus du tampon d'or 23, un mandrin 24 maintient en position une"plaquette ou pastille de sèmi-conducteur"25 qui peut être par exemple en silicium ou en germanium. Le mandrin 24 comporte une conduite de vide 26 qui s'étend axialement et se 5 termine à sa pointe, ce qui permet de saisir des plaquettes de" semi-conducteurs en un point et de les mettre en place sur le tampon d'or 23. Le mandrin 24 est muni d'un élément chauffant 2 7 en Nichrome enroulé autour de sa pointe et connecté à une source d'énergie électrique (non représentée) pour maintenir la 10 température du mandrin à un niveau voulu, de préférence de l'ordre de 300°C. Pour en venir à la fig. 3, un filament chauffant 28 de platine y est représenté, ses extrémités étant connectées a des fils de nickel 29. De préférence, le filament 28 est un ruban plat 15 en forme de U inversé avec une réduction d'épaisseur 28a dans sa partie centrale. La raison d'être de la partie à épaisseur réduite 28a est d'accroître la résistance par unité de surface et, par suite, d'augmenter le chauffage dans cette région. Le filament chauffant 28 est disposé (à l'aide de moyens de réglage 20 non représentés pour plus de clarté) à l'intérieur de l'ouverture conique 12, comme représenté sur la fig. 2, de sorte que la partie à épaisseur réduite 28a du filament se trouve au ras de la surface de la platine chaude li et au contact de l'élément de substrat 22. 25 En service, l'élément chauffant 21 est amené à une tempéra ture de l'ordre de 300°C et maintenu à cette valeur sous le contrôle d'un thermostat. Un gaz protecteur tel que l'azote, l'argon, l'hélium ou un autre gaz inerte est introduit dans les passages d'admission 13 et 20 le long des bords du bloc chauffant 11 et 30 de la plaque supérieure 16 respectivement. On place un élément de substrat 22, surmonté d'un tampon d'or 23, dans l'ouverture rectangulaire 15 en soulevant la plaque supérieure"16 et en faisant glisser l'élément de substrat dans sa position. Puis la plaque inférieure est déplacée da manière à positionner le tam-35 pon d'or 23 directement au-dessus du filament chauffant 28. On utilise alors le mandrin 24 pour prélever une plaquette de semiconducteur dans un poste voisin et la déposer sur le tampon d'or 23, puis exercer une pression sur elle. Un courant est établi entre les fils de nickel 29 pour provoquer le chauffage du fila-40 ment de platine 28. Typiquement, le courant est de 30 A environ, 70 23240 5 2047079 appliqués pendant une période de quelques 15 secondes. Pendant cette période de temps, du gaz de protection est introduit par les passages d'admission 13 et 20 et s'écoule autour de la zone 5 de liaison pour s'échapper à travers l'ouverture 17. A la fin de cette période de temps, la plaquette de semi-conducteur 25 est soumise à un frottement ultrasonore au contact du tampon d' or 23, pour assurer un bon alliage. Le frottement ultrasonore peut par exemple être réalisé par l'application d'ultrasons au mandrin 24. Les techniques pour provoquer la vibration ultrasono-10 re du mandrin sont connues en soi et ne sont pas considérées comme faisant partie de la présente invention. Après que le courant à travers 1'élément chauffant en platine a été interrompu, le mandrin 24 peut être soulevé et le processus est répété pour d'autres plaquettes de semiconducteur. 15 Pendant toute l'opération de liaison, le gaz protecteur appliqué par les passages d'admission 13 et 20 recouvre complètement l'élément de substrat 22, tant au voisinage du tampon d'or qu'à celui du filament chauffant de platine 28. Le gaz de protection remplit plusieurs fonctions, à savoir : il concourt à la forma-20 tion et au mouillahe de la liaison eutectique, de sorte que cette liaison est plus reproductible et complète. En outre, le gaz protecteur constitue un coussin entre le filament chauffant de platine 28 et l'élément de substrat 22 pendant la période où le mandrin 24 ne presse pas une plaquette contre le tampon d'or. 25 Pendant cette période , l'élément de substrat 22 peut être très facilement déplacé en vue de l'application de la plaquette de semi-conducteur suivante, en faisant glisser la plaque inférieure 14.en direction horizontale. Le coussin formé par le gaz protecteur est tel que l'élément de substrat 22 flotte sur lui et, 30 par suite, il élimine l'usure du filament chauffant de platine 28 résultant du déplacement de l'élément de substrat 22 entre chaque opération de liaison. Une autre forme d'exécution possible de l'invention, représentée sur la fig. 4, comprend une platine chaude 11 sur laquelle 35 est placé l'élément de substrat 22 surmonté d'un tampon d'or 23. Un mandrin 24 positionne une plaquette de semi-conducteur 25 sur le tampon d'or 2 3. Alors que, dans la forme d'exécution illustrée par la fig. 3, on utilise un filament chauffant de platine, la forme d'exécution de la fig. 4 fait appel à une source 30 de hau-40 te fréquence (HF) connectée à un élément chauffant 31 qui peut 70 23240 6 2047079 comprendre un bloc de Nichrome 32 dont une partie 32a est en contact avec l'élément de substrat 22. Le bloc de Nichrome 32 est maintenu en position par un support 33 qui est isolé thermi-quement de ce bloc par un isolant 34. Le rôle de l'isolant 24 5 est de s'opposer à la conduction de la chaleur engendrée par les enroulements HF 31 vers l'extérieur du bloc de Nichrome 32. Dans l'exemple représenté, la partie 32.a du bloc de Nichrome 32 est agencée de manière à être au ras de la surface de la platine chaude 11, de sorte que la chaleur engendrée par l'élément chauf-10 fant HF 31 puisse être facilement conduite à travers le substrat 22 vers le tampon d'or 2 3 et la plaquette de semi-conducteur 25, ce qui permet la formation de la liaison eutectique. Bien qu'ils n'aient pas été représentés, des moyens de réglage peuvent être prévus pour placer le bloc de Nichrome 32 dans la position voulue. 15 Selon une autre variante, les moyens pour produire un chauffage local de la surface inférieure du substrat 22 peuvent être constitués par un jet d'azote chaud dirigé à travers l'ouverture 12 à partir du bas à l'aide d'un pistolet à gaz chaud. Outre l'obtention de la précision et de la reproductibilité 20 requises dans la formation de la liaison eutectique en réglant convenablement la température atteinte par la partie chauffée du substrat 22, il est essentiel que cette partie soit limitée au voisinage immédiat de la zone dans laguelle la liaison doit être formée, afin de ne pas endommager les éléments voisins ou altérer 25 leurs propriétés électriques. Dans les formes d'exécution illustrées par les fig. 2 et 4, ce résultat est atteint en établissant un contact thermique intime entre les parties avoisinantes du substrat 22 et de la platine chaude 11, laquelle est maintenue à une température qui est déterminée par le bloc chauffant 21 con-30 trôlé par thermostat et qui, dans l'exemple mentionné, était choisie aux alentours de 300°C. Il s'est avéré que la distribution de la température en fonction de la distance à partir du centre de la plaquette de semi-conducteur correspondait à une région très nettement défi-35 nie. La fig. 5 illustre une distribution typique de la température en fonction de la distance à partir du centre de la plaquette de semi-conducteur. De cette courbe, il ressort manifestement que des composants voisins ne sont pas soumis inutilement aux températures élevées de liaison. Ainsi, l'altération du transis-40 tor vulnérable et d'autres composants de circuit est fortement 0 23240 7 2047079 réduite, du fait que la température est localisée et n'est présente que pendant une. brève période de temps. Le degré d'extension latérale de la distribution de température est déterminé par la dimension de l'ouverture 12 qui en-5 toure l'élément chauffant 28a. Si l'ouverture 12 est trop grande, le diamètre de. la région chauffée du substrat 22 sera suffisamment grand pour que les éléments de circuit voisins sur le substrat 22 soient, soumis à des températures excessives et que leurs propriétés électriques puissent s'en trouver défavorablement mo-10 difiées. D'autre part, si l'ouverture 12 est trop petite, le gradient thermique à l'intérieur du substrat 22 sera trop élevé, d'où il résultera des tensions excessives dues à la dilatation thermique, donnant lieu à la formation de fissures dans le substrat 22. Une dimension appropriée pour l'ouverture 12 est de 2 15 l'ordre de 3 mm pour un élément chauffant dont la partie de con-tact 28a mesure approximativement là 1,5 mm . La dimension optimale de l'ouverture 12 dépendra évidemment de l'épaisseur et des caractéristiques de dilatation thermique du substrat 22. En conséquence, les dimensions précitées ne sont données qu'à titre 20 indicatif et nullement limitatif. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties,ayant été plus spécialement indiqués; 25 elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 70 23240 s 2047079 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la formation d'une liaison.eutectique entre une plaquette de semi-conducteur et un tampon d'or, caractérisé par le fait qu'il comprend un substrat sur l'une des.faces du-5 quel est fixé un tampon d'or, des moyens qui maintiennent .une ,pla-? quette de semi-conducteur au contact du tampon d'or, et des moyens qui fournissent de la chaleur à une zone située sur la face opposée du substrat et plus petite que le tampon, pour former une liaison eutectique entre le tampon et la plaquette. 10 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens qui, délivrent un gaz protecteur au voisinage de la liaison pour améliorer la formation et le mouillage de celle—ci. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le 15 fait que les moyens fournissant de la chaleur sont constitués par un filament en ruban de platine, placé au contact du substrat 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens qui fournissent de la chaleur sont constitués par un élément chauffant HF disposé au contact du substrat. 20 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens qui maintiennent une plaquette de semiconducteur sont constitués par un mandrin auquel est fixé un élément chauffant, de façon à maintenir ce mandrin à une température prédéterminée pratiquement constante. 25 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il dispose de moyens pour positionner de façon réglable le substrat par rapport aux moyens chauffants . 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens fournissant de la chaleur sont constitués par un 30 filament chauffant sous forme d'un ruban de platine, disposé au contact du substrat. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le gaz protecteur est choisi dans le groupe constitué par l'azote, l'argon et l'hélium. 35 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il dispose de moyens qui comprennent une paire de plaques en un matériau à faible conductivité thermique pour positionner de façon réglable le substrat par rapport au filament et pour contrôler le courant de gaz protecteur sur le substrat, de façon à 40 exclure l'air de la zone de liaison. '0 23240 9 2047079 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens qui maintiennent une plaquette de semi-conducteur sont constitués par un mandrin sur lequel un élément chauffant est fixé pour maintenir ce mandrin à une température sensiblement 5 constante .