Brevet FR2098405A1 — publié le 19720310

la présente invention se rapporte d'une manière générale à la technologie de mise en boîtier de dispositifs semi-conducteurs à faibles oscillations parasites, et plus spécialement aux dispositifs aptes à fonctionner à des fréquences élevées. 5 Comme la technologie des semi-conducteurs et les matériaux associés ont permis d'augmenter la dissipation calorifique et de diminuer la dimension physique de ces dispositifs, l'emploi des semi-conducteurs pour les applications à fréquence élevée s'est énormément répandu, le terme fréquence élevée utilisé ici se rappor-10 te à des fréquences moyennes dans la gamme de deuz à quatre gigabertz environ et plus. En plus des problèmes créés par les matériaux physiques et leur technologie elle-même, les caractéristiques électriques des dispositifs décrits par la technique antérieure se traduisaient par une dégradation des performances de ces dispositifs aux 15 fréquences élevées, ce qui imposait des limites à leur emploi', les dispositifs décrits par la technique antérieure possèdent des caractéristiques électriques qui ne conviennent absolument pas pour un fonctionnement à des fréquences élevées. Comme exemple des problèmes existant dans les dispositifs de la technique antérieure, 20 on peut citer les oscillations parasites, l'intermodulation entre éléments et la distorsion harmonique qui peuvent prendre naissance quand les dispositifs de la technique antérieure sont utilisés aux fréquences élevées» le boîtier pour semi-conducteur à faibles oscillations 25 parasites de cette invention résoud dans des proportions importantes bien des problèmes créés par les dispositifs de la technique antérieure. les oscillations parasites peuvent prendre naissance parce qu'une certaine partie de la sortie du dispositif est fortuitement en contre-réaction sur l'entrée de ce môme dispositif. Cette contre-50 réaction peut se produire par suite de l'existence de capacités d'interconnexion, d'une inductance de connexion excessive, d'inductances et de capacités de cablage réparties, etc., le trajet exact de la contre-réaction étant souvent difficile à déterminer. les dispositifs semi-conducteurs de la technique antérieu-35 re emploient par exemple une connexion de base qui est, en raison de l'encapsulage particulier employé, de longueur excessive. Quand un dispositif était encapsulé pour être monté sur une autre structure, la région de la base du dispositif était câblée sur un substrat conducteur sur une distance qui pouvait provoquer la nais-40 sance d'oscillations parasites dues par essence à une inductance de 71 19297 - 2 - 2098405 connexion excessive, ou à une capacité d'interconnexion trop importante, etc... Le dispositif semi-conducteur à faibles oscillations parasites de cette invention permet de résoudre le problème de la longueur de connexion excessive, et réduit ainsi au 5 minimum l'inductance de connexion grâce à la façon dont il est construit. le but de la présente invention est de réaliser un boîtier perfectionné pour semi-conducteur à fréquence élevée qui réduise au m-trHtmim l'inductance de connexion, et qui présente des 10 niveaux réduits d'oscillations parasites et de distorsion harmonique. A cet effet, l'invention concerne un boîtier pour une pastille semi-conductrice ayant des régions actives, boîtier caractérisé en ce qu'il comprend : un support en métal comportant une 15 cavité délimitée par des parois latérales espacées en saillie vers le haut, un élément céramique métallisé thermiquement conducteur comportant une première et une seconde couches de métal qui est fixé à l'intérieur de la cavité de ce support métallique, cet élément céramique étant en contact thermique avec la cavité et la 20 première couche de métal étant fixée sur la plaquette semi- conductrice en une région active de celle-ci, des premiers moyens de connexion étant connectés entre les parties dans l'alignement des parois latérales du support métallique ? et des seconds moyens assurant la connexion des régions actives de la plaquette semi» 25 conductrice à la seconde couche de métal et aux premiers moyens de c onnexion. lia plaquette semi-conductrice, qui est par exemple va. transistor, est fixée sur l'une des couches métallisées. Si l'élément de connexion de la pastille semi-conductrice est le collestsur 30 du dispositif semi-conducteur, le fil de contact relié à la sêse couche métallisée sera donc le fil collecteur. Un. élément de connexion conducteur, qui a essentiellement la forme d'un cavalier, est connecté en travers de la cavité du support en cuivre, ses extrémités étant fixées sur les parois latérales espacées de la cavité 35 au voisinage de la pastille semi-conductrice. Une région active de la plaquette semi-conductrice, par exemple la base, est eonneabée électriquement à l'élément de connexion conducteur, ce qui p^rtast une connexion courte entre la base de la plaquette semi-conducteur et le support en cuivre. 40 Puisque la connexion de base est rendue plus courra 71 19297 2098405 que ce qui existait dans les dispositifs de la technique antérieure, les inductances et les capacités de connexion seront réduites, ce qui permet de réduire au minimum les oscillations parasites, ainsi que les distorsions harmoniques indésiracr.es* 5 L'invention sera mieux comprise en regard de la des cription ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels s - la figure 1 est une vue en plan d'un modèle de boîtier pour semi-conducteur à faibles oscillations parasites, 10 suivant l'invention, - la figure 2 est une vue en plan d'un élément céramique métallisé thermiquement conducteur, les conducteurs de contact étant montés conformément à l'invention, - la figure 3 est une vue latérale en coupe de cet 15 élément thermiquement conducteur suivant la ligne 3-3 de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe d'un modèle de cette invention suivant la ligne 4-4 de la figure 1, - la figure 5 est une vue d'ensemble éclatée d'un modèle 20 de cette invention qui montre comment les éléments sont stratifiés. Le boîtier semi-conducteur à faibles oscillations parasites de cette invention nous apparaitra plus clairement en se référant à la figure 1, dans laquelle on a représenté modèle de cette invention qui est repéré dans son ensemble par le numéro de 25 référence 10, Le support métallique 11 se présente comme la partie inférieure du boîtier,il comprend trois parties, deux parties extérieures 12, et la cavité entre celles-ci. Oette cavité est séparée des parties extérieures 12 par des parois vertisales parallèles 14. Celles-ci se présentent comme les extrémités externes permettant 30 d'encapsuler le dispositif semi-conducteur monté. Elles sos~t en saillie vers le haut du support métallique 11. Elles comprenne::.1- des parties interne et externe 15 et 16 respectivement* Les parties internes 15 déterminent les 11,mi tes extérieures de la oa^ité 13-et sont en saillie vers le haut perpendiculairement à la cavité 13* 35 La partie externe 16 des parois 14 est er. saillie vers le haut au-delà de la partie interne 15, ce qui orés xm plateau 17 sur la surface supérieure de la partie interne 15, voir- la figure 4c La plaquette semi-eonductriie 18 est montée sur l'élément métallisé thermiquement conducteur 19, celui-ci étant disposé dans la oavité 40 13 à laquelle il est fixé et étant aligné transversalement à l*axe 71 19297 - 4 - 2098405 principal du support métal ligue -11 • Des conducteurs de contact co-planaires 20 et 21 sont fixés, sur les couches métallisées 22 et 23, respectivement, de l'élément thermiquement conducteur 19 de façon à faire contact avec deux des régions actives de la plaquette 5 semi-conductrice 18. les parties externes 12 du support métallique 11 comportent des ouvertures 24 disposées de haut en "bas de sa surface afind 'avoir les moyens de monter le support 11 à l'intérieur d'un circuit plus important. L'élément de connexion 25 est fixé par chacune de ses extrémités aux plateaux 17 des parties internes 15 10 des parois 14, cet élément 25 étant disposé au-dessus de la plagie tte semi-conductrice 18» Cet élément 25 a essentiellement la forme d'un cavalier, c'est un métal classique électriquement conducteur comme du cuivre. Les fils de contact 26 et 27 relient respectivement les régions actives de la plaquette semi-conductrice 18 à 15 l'élément de connexion 25 et au fil de contact 21. Le support métallique 11 est réalisé de préférence en cuivre à haute conductivité sans oxygène. On préfère du cuivre sans oxygène à haute conductivité, car la fabrication du boîtier semiconducteur à faibles oscillations parasites de la présente invention 20 se fait par exemple en utilisant un procédé de brasure dans une atmosphère réductrice ou dans une atmosphère de gaz de traitement classique. S'il y avait de l'oxygène dans le cuivre au moment de la brasure, il pourrait y avoir une réaction, ce qui pourrait amener le cuivre à foisonner et pourrait créer des vides de brasure 25 à l'intérieur. La présence de ces vides de brasure à l'intérieur du support 11 pourrait provoquer la dégradation des propriétés thermiques et électriques des produits finis. 1 La plaquette semi-conductrice 18 peut être n'importe quel dispositif semi-conducteur apte à fonctionner à des fréquences 30 élevées, le type particulier de dispositif semi-conducteur utilisé ne faisant pas partie de la présente invention. La figure 1 montre une pastille transistor 18 montée sur l'élément céramique métallisé 19, l'émetteur étant connecté au conducteur de contact 21 grâce aux fils de contact 27, et la base étant connectée à l'élément de 35 connexion 25 grâce aux fils de contact 26. La pastille transistor 18 est fabriquée de manière que le corps de celle-ci constitue la région collecteur du transistor, et par suite le conducteur de contact 20 constitue la connexion collecteur du dispositif 10. La pastille transistor 18 est fabriquée de préférence'en silicium, 40 mais elle pourrait être fabriquée en tout autre matériau semi- 71 19297 2098405 conducteur classique comme du germanium. Les régions actives de la pastille 18 sont formées de préférence grâce à des méthodes classiques comme la diffusion, mais les actives régions peuvent être disposées à l'intérieur de la pastille 18 grâce à d1autres.méthodes 5 classiques comme l'épitaxie. En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on peut voir dans de meilleures conditions comment est placée la pastille 18 à l'intérieur du boîtier semi-conducteur à faibles oscillations parasites. Cette pastille est montée sur la couche métallisée 22 10 de l'élément céramique métallisé 19. A la surface supérieure de celui-ci sont disposées deux couches métal Usées 22 et 23. Celles-ci sont isolées l'une de l'autre, la couche métallisée 22 étant apte à recevoir le conducteur de contact 21 et la pastille 18, et la couche métallisée 23 étant apte à recevoir le conducteur de 15 contact 20. En se référant maintenant à la figure 2, chaque couche métallisée 22 et 23 est essentiellement de forme rectangulaire, trois côtés de chacune d'elles étant essentiellement parallèles aux bords respectifs de l'élément céramique 19, les quatrièmes côtés de chacune d'elles étant parallèles entre eux, mais à une certaine 20 distance. Les couches métallisées 22 et 23 peuvent être fabriquées en. métaux de contact classiques, mais ils le sont de préférence en or. L'élément céramique métallisé thermiquement conducteur est fabriqué de préférence on oxyde de béryllium (BeO), mais il 25 peut également l'être en oxyde d'aluminium (AlgO^). BeO possède de meilleures propriétés de conduction, et par suite il convient mieux pour les dispositifs exigeant des caractéristiques thermiques élevées. Puisque la pastille transistor 18 sera directement montée sur l'élément céramique 19, des caractéristiques de conduction 30 thermique élevées seront souhaitables, et l'élément 19 est donc fabriqué de préférence en BeO. On doit prendre grand soin à la manipulation et au traitement du BeO. Celui-ci peut être dangereux pour le système respiratoire humain quand il est sous forme de poudre et par suite, si le BeO doit être usiné ou poli, on doit se 35 soucier de disposer de l'équipement convenable pour être sûr qu'il ne peut se produire d'expositions dangereuses. On se rendra mieux compte de la structure du boîtier semi-conducteur à faibles oscillations parasites de cette invention grâce à la figure 4 dans laquelle on peut voir une coupe, en éléva-40 tion latérale, du dispositif de cette invention, l'élément céramique métallisé 19 est placé dans la cavité 13; et il est délimité 71 19297 - 6 - 2098405 par les limites intérieures des parties intern.es des parois 14» En se référant à la figure 1, la pastille 18 est fixée sur une partie de la couche métallisée 22, le collecteur de la pastille 18 étant en contact électrique avec la couche métallisée 22. Le 5 conducteur de contact 20 est fixé sur une partie restante de la couche métallisée 22, ce qui en fait la connexion collectrice du dispositif 10ti En se référant de nouveau à la figure 4, l'élément de connexion 25 est disposé au dessus de la pastille 18, et fixé sur des parties alignées transversalement des plateaux 17 des 10 parois 14» La base de la pastille 18 est connectée à l'élément de connexion 25 par des fils de contact 26, et l'émetteur est connecté au conducteur de contact par les fils de contact 27 (voir la figure 1). IT*élément de connexion a essentiellement la forme d'un cavalier, et peut être fabriqué en matériaux classiques, mais il 15 est fabriqué de préférence en cuivre. Les fils de contact 26 et * 27 peuvent être réalisés en matériaux de contact classiques, mais ils le sont de préférence en or. Ces fils 26 et 27 sont soudés sur les régions actives de la pastille transistor 18 par des méthodes classiques, comme la soudure par thermo-compression ou la soudure 20 aux ultra-eons. Le support en cuivre 11 est par exemple à la masse de n'importe quel circuit électrique auquel le dispositif 10 est connecté. En entourant le circuit par la masse que constitue le support en cuivre 11, les éléments d'entourage étant les parois 14, 25 le fonctionnement aux fréquences élevées en est facilité par le fait que le couplage entre le circuit d'entrée et la masse ect amélioré. Puisque la présence d'oscillations parasites et de distorsion harmonique indésirable sont le résultat d ' indue tancer- et de capacités de connexion excessives, etc..* La structure du dispos?-30 tif 10 de la présente invention permet de remédier à ce problfeffie. En disposant l'élément de connexion 25 très près de la pastille 18 et en fixant cet élément directement sur les plateaux 17, en saillie vers le haut, des parois 14, il se produit une réduction importante de la distance entre la base de la pastille transistor 18 35 et le plan de masse. Les fils de contact 26 peuvent être énor*r4ment raccourcis par rapport à ceux des dispositifs de la technique antérieure, ce qui réduit les inductances et les capacités de connexion. Le fait de réduire la longueur des connexions permettra de réawire les oscillations parasites, tout autant qu'il aidera à empêcha les 40 distorsions harmoniques indésirables, ce qui répond bien aux uu,,oc-tifs de la présente invention. 71 19297 mm ** mm 2098405 On se rendra mieux compte de la manière de fabriquer le boitiez pour semi-conducteur à faibles oscillations parasites en se référait à la figure 5, dans laquelle on a représenté une vue d'assemblage éclatée du boitier de cette invention» Pour- des raisons de 5 clarté, on a donné aux éléments identiques les mêmes numéros de référence que dans les figures précédentes. On retrouve le support en cuivre 11 à haute conductivité, sans oxygène. On préfère que ce support soit sans oxygène, car le boitier se:?a soumis à ta procédé de brasure qui a lieu dans une atmosphère réductrice ou dans une 10 atmosphère de gaz de traitement. Si ce support ncétait pas rigoureusement sans oxygène, il pourrait se produire une réaetion dans laquelle le cuivre foisonnerait en créant des vides de brasure. Ces vides de brasure provoqueraient nécessairement la dégradation des propriétés thermiques et électriques du produit fini. Le cuivre du 15 support 11 est dégraissé et placé dans une atmosphère réductrice afin d'en purger l'oxygène qui a été attiré en surface» Une ébauche eutectique 30 est placée sur la cavité 13 du support 11. Cette ébauche 30 peut être une matière eutectique classique ou une ébauche de brasure, mais elle est de préférence un 20 euteetique argent cuivre comprenant approximativement 72fo d'argent et 28% de cuivre, la composition particulière étant disponible sur le marché sous la désignation feuille BT, la dimension tTansverse de l'ébauche eutectique 30 est légèrement inférieure à la distance entre les parties internes 15 des parcis 14, les intervalles permis 25 assurant le débit eutectique au moment du chauffage» l'élément céramique métallisé 19 est placé sus? Ieébauche eutectique 30, la surface inférie-ïre de l'élément céramique 19 étant en contait intime avec l'ébaueLâ eute«*";±qus 30. ave 3 laquelle elle est alignée. Comme on l'a expliqué ci-dessus, l'élément céramique 30 19 est fabriqué de préféreras en BeO. l'ébaushe ev^e-tique 13 est placée sur la partie de la couche métallisé® 22 ad^asentâ à un "bord longitudinal du suppcr ~ en currc-a 11, are.3 laquelle elle est alignée, l'ébauche a'ite^tique 31 es': de dimension légèrement inférieure à la dimension transversale de la couche métallisée 22, ce 35 qui permet à 1:eutectique de circuler au aoiaent du chauffage, l'ébauche euteetique 32 est placée sur la couche métallisée- 23 au voisinage du bord qui se trouve dans l'alignement du bord longitudinal du support en cuivre 11. Comme pour 15ébauche euteo^ique 31- l'ébauche 32 est de dimension légèrement inférieurs à celle de la couche 40 métallisée 23» les ébauches eute?tiques 31 st 32 pourront être fa 71 19297 - 8 - 2098405 briquées en matériaux eutectiques ou en matériaux de brasure classiques, mais la composition préférée est celle décrite si-dessus pour l'ébauche eutectique 30. le conducteur de contact du collecteur 20, et le conducteur de contact de l'émetteur 21, sont dans le 5 même plan, ce qui est une assurance que l'impédance respective entre chaque conducteur et la masse est essentiellement la môme. Les éléments dans l'alignement décrias ci-àe3sus sont placés dans une atmosphère sans oxygène et chauffés à une température qui dépassera la température euteetique du matériau particulier 10 utilisé pour réaliser les ébauches eutectiques 30, 31 et 32. Lorsque le boitier peut refroidir, la pastille transistor 18 est montée sur une ébauche de soudure et placée sur la couche métallisée 22. La pastille 18'est fixée sur la couche métallisée 22 grâce à des méthodes classiques, en plaçant l'ensemble dans une atmosphère iner-15 te et en le chauffant à une température d'environ 400°C. Ceci garantira le contact électrique entre le colleoteur de la pastille 18 et la couche métallisée 22 de l'élément céramique 19. L'élément de connexion 25 peut être fixé sur le support en cuivre 11 de n'importe quelle manière appropriée, cet élément étant 20 connecté par exemple au support 11 après avoir fixé la pastille 18 sur la couche métalUsée 22. Cet élément 25 est connecté entre les plateaux 17 des parois 14, et aligné transversalement au-dessus de la pastille transistor 18. En fixant la pastille 18 sur la couche métallisée 22, le conducteur de contact 20 est en contact électri-25 que avec le collecteur de la pastille transistor 18. Afin de remplir complètement les conditions de cette invention, la base et l'émetteur de la pastille 18 doivent être connectés au contact électrique approprié. L'émetteur de la pastille 18 est connecté au conducteur de contact 21 grâce à des fils de contact 27, voir la 30 figure 1. La base de la pastille transistor 18 est connectée à l'élément de contact 25 en connectant des fils de contact 26, voir la figure 1. Les fils de contact 26 et 27 sont soudés entre les régions actives de la pastille 18 et les contacts électriques appropriés grâce à des méthodes classiques, comme par exemple par soudure 35 par thermocompression ou par soudure aux ultra—sons. Les fils de contact 26 et 27 sont de préférence réalisés en or, mais ils peuvent l'être en un métal de contact classique comme l'aluminium. On se référé maintenant à la figure 4 dans laquelle on a représenté une vae en coupe du produit final de la présente inven-40 tion. Lorsque le dispositif 10 est assemblé comme décrit en ce qui concerne la figure 5P une protection doit être offerte au dispositif 71 19297 - O «, 2098405 pour empêcher que les conditions d'environnement pexmet'-er/t sa dégradation. Un revêtement classique approprié est disposé sur les régions actives de la pastille afin de permettre une protection initiale de celle-si. lorsque le revêtement approprié a été appli-5 qué, un moulage par' injection, comme une eneapsulation plastique ou époxy» est effectuée sur l'ensemble entier délimité par les parois 14. De cette manière, l'ensemble entier comprenant la pastille 18 et son cablage seront protégés contre les conditions d'environnement contraires. 10 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à 1*exemple de réalisation décrit et représenté ci^-dessus, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de cette invention. 71 19297 - 10 - 2098405 REVENDICATIONS 1°) Boitier pour une pastille semi-conductrice ayant des régions actives, "boîtier caractérisé en ce qu'il comprend ra, support en métal comportant une cavité délimitée par des parois 5 latérales espacées en saillie vers le haut ? tua. élément céramique métallisé thermiquement conducteur comportant une première et ime seconde couches de métal qui est fixé à l'intérieur de la cavité de ce support métallique, cet élément céramique étant en contact thermique avec la cavité et la première couche de métal étant fixée 10 sur la plaquette semi-conductrice en une région active de celle«c"' r des premiers moyens de connexion étant connectés entre les parties dans l'alignement des parois latérales du support métallique, et des seconds moyens assurant la connexion des régions actives de la plaquette semi-conductrice à la seconde couche de métal et aux pre-15 miers moyens de connexion. 2°) Boîtier suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette semi-conductrice est une pastille transistor. 3°) Boîtier suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la base de la pastille transistor est connectée aux moyens 20 de connexion. 4°) Boîtier suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément céramique métallisé thermiquement conducteur est réalisé en oxyde de béryllium. 5°) Boîtier suivant la revendication 1, caractérisé en 25 ce que le support métallique est réalisé en cuivre à haute conductivité, sans oxygène. 6°) Boîtier suivant la revendication 1, pour une pastille semi-conductrice comportant au moins trois régions actives, boîtier caractérisé en ce qu'il comprend un support métallique avec 30 une cavité délimitée par des parois espacées, en saillie vers Xs haut, chaque paroi ayant une partie interne et une partie externe, qui font partie intégrante de la paroi, la partie externe étant en saillie vers le haut au-delà de la partie interne en formant des plateaux sur ces parties internes, un élément céramique métallisé, 55 thermiquement conducteur, comportant une surface supérieure ot une surface inférieure, susceptible d'être logé dans cette c&¥ltés et comportant une première et une seconde couches de métal disposées à la partie supérieure, une première partie de la première couche de métal étant connectée à*la pastille semi-conductrice, 40 la surface inférieure de cet élément céramique étant fixée su.; le support métallique et étant en contact thermique avec celui-e ; t;n BAD ORIGINAL 71 19297 " 11 - 2098405 premier et un second conducteurs de contact étant fixés sur une seconde partie de la première couche de métal,? et sur la seconde couche de métal, respectivement? ces conducteurs étant, de cette manière, aptes à être connectés aux régions actives de la pastille, 5 un élément de contact électrique étant prëvap dont les extrémités sont fixées à un pïateau de la partie interne des parois au—dessus de la pastille, tandis que des moyens de contact assurent la connexion des régions actives de la pastille à l'élément de contact électrique et au second conducteur de contact, respectivement» 10 7°) Boîtier suivant la revendication 6, dans lequel la hase de la pastille transistor est connectée à l'élément de contact électrique.