Brevet FR2118101A1 — publié le 19720728

4,5100 1 .2118101 L'invention concerne des méthodes de fixation d'un corps semiconducteur à un support par soudage. Lors de la fabrication de dispositifs semiconducteurs ,par exemple des transistors et des circuits inté-5 grés, il est d'usage de fixer sur un support un corps semiconducteur en forme de pastille dans lequel les régions de l'élément de circuit ou des éléments de circuit ont été formées. Le support, généralenent déno.aié "embase", peut comporter une base métallique ayant une surface de montage pour le 10 corps semiconducteur et plusieurs conducteurs isolés entre eux auxquels on peut fixer des fils de connexion à une extrémité, les autres extrémités des fils de connexion étant fixées à des surfaces de connexion sur le corps semiconducteur, par exemple par thermocompression ou par soudage aux ultrasons / 71 45100 2 2118101 silicium avant de chauffer l'ensemble à approximativement 380°C pour obtenir le" soudage du corps en silicium à la partie de l'embase en cuivre plaquée d'or. Cette méthode, bien que permettant de réduire les frais de fabrication 5 ne s'est pas avérée entièrement satisfaisante parce que sous une forte tension thermique, il se produit une détérioration du-contact entre le corps en silicium et l'embase. L'examen par section métallurgique des dispositifs lorsqu'on utilise une telle méthode a révélé une craquelure de" la région soudée^ 10 accompagnée d'un mauvais mouillage de la surface en argent sur le corps" en silicium, dans certains cas ceci s'accompagnant de la formation d'espaces vides. Dans le cas où le corps en silicium a la forme d'un élément de transistor discret, le mauvais mouillage est-particulièrmment indésirable du fait 15 que la surface de mauvais mouillage est située de"façon critique directement au-dessous de la surface de la région d'é-mettéur et que c'est dans cette région du contact de la soudure que la présence d'irrégularités est la plus désavantageuse. Une analyse de la région de soudage a révélé la pré-20 sence d'une colonne verticale de matériau dissemblable s'étendant à travers la partie centrale de la région de soudage. On en a conclu que pendant le processus de chauffage utilisé pour, réaliser le soudage, il se produit divers mécanismes d1interdiffusion entre les différents éléments présents dans le maté-25 riau de soudage et aux surfaces adjacentes du corps en silicium et de l'embase avec la formation possible de composés intermétalliques indésirables à des régions localisées de la région de soudage. Suivant le procédé conforme à 1'inventionv pour 30 fixer un corps semiconducteur à un support par soùdage, le corps semiconducteur et au moins un corps de matériau de soudage sent placés de façon à no pas se chevaucher sur une surface du support, ce ou ces corps de soudage étant disposés latéralement par rapport au corps semiconducteur dé telle façon 35 que les surfaces du corps semiconducteur et du support qui se font face sont en contact direct, le support et les corps étant ensuite chauffés à une température dépassant le point de fusion du matériau de soudage dans un intervalle de temps suffisant pour provoquer 1'écoulement du matériau de soudage sur la 40 surface du support et par action capillaire entre les surfaces COPV 71 45100 3 2118101 se faisant face du corps semiconducteur et du support pour former une couche de soudure intermédiaire entre ces surfaces, cette couche de soudure fixant le corps semiconducteur au support après le refroidissement. Avec cette méthode qui peut être appelé "soudage par écoulement capillaire", on obtient divers avantages en comparaison avec les méthodes décrites précédemment dans lesquelles le corps de soudure est positionné entre les surfaces se faisant en face avant le chauffage. En premier lieu pendant le chauffage effectué par exemple dans une atmosphère d'hydrogène, -la surface supérieure complète du corps de soudage ou des corps de soudage est exposée et les impuretés volatiles dégagées par le corps de soudage peuvent s'échapper et rendent le matériau de soudage liquide pratiquement propre et mobile. L'écoulement du matériau de soudage peut être dirigé dans une direction préférée pendant la fusion du corps ou des corps de soudage, le'matériau de soudage fondu s'étendant au-dessous du corps semiconducteur par action capillaire entre les surfaces se faisant face du corps semiconducteur et du support. Cet écoulement peut être efficace pour dégager des gaz occlus entre les surfaces se faisant face. On obtient une meilleur distribution des composés intermétalliques par suite du mouvement du matériau de soudage liquide, les constituants les moins mobiles restant à l'emplacement du matériau de soudage ce qui empêche ainsi l'occlusion entre les surfaces se faisant face. La surface du support est maintenue plane et ne nécessite aucun traitement spécial, de. sorte qu'elle est très réduite. Le corps semiconducteur peut être directement adjacent au corps de soudage, mais de préférence le corps semiconducteur est espacé latéralement du corps ou des corps de soudage en vue d'éviter tout mouillage indésirable des côtés du corps semiconducteur par le matériau de soudage. Bien que l'on puisse utiliser un seul corps de soudage, dans une forme de mise en oeuvre préfér.ée de la méthode conforme à l'invention on place plusieurs corps de soudage sur la surface de support et ces corps disposés pratiquement symétriquement par rapport au corps semiconducteur. C'est ainsi que dans une forme de réalisation, on place deux corps de soudage sous la forme de corps préformés de forme régulière sur les côtés opposés du corps semiconducteur. Le corps semi- 71 45100 4 2118101 conducteur peut être de forme pratiquement carrée et les corps de soudage peuvent consister en des disques préformés qui sont situés aux côtés opposés du corps. La dimension d'un tel- corps préformé de soudage et sa position latérale par 5 rapport aux surfaces se faisant face est choisie notamment en concordance avec la superficie entre les surfaces se faisant face, l'activité superficielle de la surface de _.x_ support, la température de chauffage utilisé, le gaz ambiant - et la propreté, et la composition du matériau de soudage. On peut utiliser au moins deux corps de soudage sous 3aforme de fils.En supposant que les fils puissent être obtenus avec un diamètre suffisamment grand, ils peuvent constituer une façon bon marché d'appliquer les corps de soudage. On peut utiliser un seul corps de soudage qui, 15 à la surface du support, entoure partiellement mais non complètement le corps semiconducteur. De cette façon, des gaz occlus entre les surfaces se faisant face peuvent être éliminés tandis que l'on n'utilise qu'un seul corps de soudage. Cette méthode peut être utilisée lorsque le corps 20 semiconducteur est en silicium et lorsque la partie du support à laquelle le corps semiconducteur doit être fixé, au moins, est en cuivre. La surface du support de la partie de support en cuivre neut comporter une couche d'or ou une couche de nickel ou de cobalt et le matériau du corps de soudage on des 25 corps de soudage consiste essentiellement e.n un alliage de plomb, d'argent et d'étain. Avant de placer le corps en silicium sur la surface du support, on peut appliquer sur la surface de ce corps dirigée vers le corps de sondage, p?.r exemple par dépôt par évapo-jq ration, une couche de titane sur le silicium et une couche d'argent sur le titane. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 35 La figure 1 est une vue en plan d'une partie d'une embase d'une enveloppe pour un transistor montrant sur une surface de support de celui-ci un transistor au silicium et deux corps préformés. La figure 2 est une vue en plan plus grande repré-4q sentant la partie de la surface de support de l'embase de la 71 45100 5 2118101 figure 1 avec sur celle-ci le transistor au silicium et des corps de soudage préfornés. La figure 3 est une vue en plan du support des figures "1 et 2 après la mise en oeuvre de la méthode 5 conforme à l'invention pour la fixation du transistor au silicium à la surface de support et après avoir réalisé des connexions de fils aux électrodes d'émetteur et de base sur le transistor au silicium. La figure 4 est une coupe suivant le plan IV -10 IV indiqué sur la figure 3« Les figures 5 à 11 représentent des vues en plan de diverses autres configurations de corps de soudage et de corps semiconducteurs placés sur une surface de support. L'embase représentée sur la figure 1 est de forme 15 standard et est connue généralement sous la dénomination de TO-3 et comporte une plaque de base 1 en acier présentant deux ouvertures de montage 2. Sur la surface supérieure de la plaque de base en acier 1 est fixé un disque de cuivre 3 d'environ 1,65 mm d'épaisseur et d'environ 17,5 mm de dia-20 mètre. Le disque de cuivre 3 comporte deux parties renfoncées 4 dans lesquelles s'étendent des parties tubulaires de la plaque de base en acier. Dans chaque partie tubulaire se trouve un fil conducteur 5 en nickel-fer qui est scellé à la partie tubulaire par un scellement verre sur métal. Le 25 disque de cuivre 3 comporte une surface supérieure de support 6 qui avec les parties métalliques restantes de l'embase a été munie d'un recouvrement de nickel d'approximativement 3 microns d'épaisseur suivi d'un recouvrement d'or d'approximativement 0,1 micron d'épaisseur. Avant de souder un tran-30 sistor au silicium à la surface de support 6 l'embase est placée dans un four dans une atmosphère d'hydrogène en vue de stabiliser l'activité superficielle de l'embase, la température maxiiaale étant approximativement de 375°C et le chauffage total et le cycle de refroidissement durant 30 minutes. 35 Sur la surface de support 6 sont placés un tran sistor au silicium 7 et deux corps de soudage préformés 8. Le transistor au silicium est par exemple un transistor planar n-p-n épitaxial dans lequel le contact de collecteur est établi par l'intermédiaire de la surface inférieure du corps 40 et les électrodes d'émetteur et de base s»e trouvent sur la 71 45100 6 2118101 surface supérieure du corps. Avant d'appliquer le corps en silicium 7 sur la surface 6, la surface inférieure du corps en silicium est soumise à une opération d'évaporation pour appliquer une couche de titane d'approximativement 0,1 micron 5 d'épaisseur suivie d'une couche d'argent d'approximativement 1 micron d'épaisseur, l'opération d'évaporation étant effectuée sur plusieurs corps de ce genre qui se trouvent dans une barre de silicium non divisée. Le corps 7 a approximativement, les dimensions suivantes : 1,6 mm x 1,6 mm et, approximativement 10 250 microns d'épaisseur. Les corps de soudage préformés 8 sont constitués par des disques de 1 rnm de diamètre et de 50 microns d'épaisseur d'un matériau d'alliage de soudage contenant 95}5 % en poids de plomb, 3 % en poids d'argent et 1,5 % en poids d'étain, ce matériau ayant un Solidus de 294°C et 15 un Liquidus de 315°C. La figure 2 est une vue en plan plus grande de la partie de la surface de support 6 sur laquelle sont placés le corps en silicium 7 et les corps de soudage préformés 8, ceux-ci étant disposés symétriquement par rapport au corps 7• 20 Les centres des corps préformés à des côtés opposés du corps 7 sont espacés par une distance d'approximativement 3 mm. Plusieurs embases semblables à celle représentée sur les figures 1 et 2 sont alors placées sur une courioie trans 25 porteuse qui traverse un four. Le chauffage est effectué dans une atmosphère d'hydrogène, la température maximale étant de 38O°C et le cycle total durant ~j>0 minutes. Le temps pendant lequel l'embase et les corps sur celle-ci sont soumis à une température supérieure au Solidus du matériau de'-sou-30 dage est approximativement de 5 minutes. Pendant l'opération de chauffage toute la surface supérieure des corps de soudage préformés est exposée à l'atmosphère d'hydrogène avant et pendant la fusion. Des impuretés volatiles s'échappent du matériau de soudage et la soudure liquide formée est propre et 35 mobile. La soudure liquide s détend sur la surface 6, le matériau en fusion des deux corps préformés se rapprochant du corps en silicium 7 en direction de côtés opposés. Au moment où elle atteint le corps en silicium J, la soudure pénètre entre les surfaces se faisant en face de l'embase et du corps 40 en silicium par action capillaire. De ce fait, des gaz occlus 71 45100 7 2118101 sous le corps en silicium sont dégagés. La quantité de matériau de soudage est choisie pour être suffisante pour permettre une pénétration complète de la soudure liquide par capillarité sous le corps en silicium 7. La figure 3 5 montre en pointillé l'extansion extérieure de la soudure liquide 9. Lors du refroidissement la couche de soudure formée par capillarité entre les surfaces se faisant face du corps en silicium et de l'embase adhère bien aux deux surfaces et en a constaté qu'elle était pratiquement exeapte de 10 vides et qu'il n'y avait pas de distribution indésirable de composés d'internétalliques. La figure 4 est une coupe de la partie initiale du corps préformé 8 en pointillé, l'extension finale de la couche de soudure 9 et de la partie de couche 10 formée par 15 capillarité entre les surfaces se faisant en face du corps 7 et du disque de cuivre plaqué 3» A l'étage suivante de la fabrication des fils 11 et 12 sont fixés par ultrasons à une extrémité de l'électrode d'émetteur et de base sur la surface supérieure du corps en 20 silicium 9 et aux extrémités opposées aux bornes 5» L'encapsu-lation du dispositif est réalisée en fixant un capot métallique sur le disque en cuivre 3, la languette de capot métallique étant soudée à la plaque en acier , Les figures 5 à 11 montrent d'autres formes de 25 corps de soudage et de corps semiconducteur disposés sur une surface de support. Ces figures correspondant à la vue en plan de la figure 2, le corps semiconducteur 7 ayant des dimensions similaires mais les coros de soudage différant quant à leur forme et/ou leur position. D'autre part les étapes de 30 la fabrication sont pratiquement les mêmes que celles décrites précédemment. La figure 5 représente un seul corps préformé de soudage 21 ayant une partie renfoncée dont les côtés sont parallèles aux deux côtés adjacents du corps semiconducteur. 35 La figure 6 représente deux corps de soudage pré- formés triangulaires 22 faisant face aux côtés adjacents du coros semiconducteur et la figure 7 représente deux corps préformés de soudage triangulaires similaires 23 faisant face à des côtés opposés du corps semiconducteur 7« 71 45100 8 2118101 La figure 8 représente deux corps préformés en forme de disques semicirculaires 24 situés en regard de côtés opposés du corps semiconducteur 7. La figure 9 représente deux corps préformés de 5 soudage carrés 25 situés en regard de côtés opposés du corps semiconducteur 7. La figure 10 représente deux disques préformés de soudage 26 ayant leur ligne de centres qui coïncident avec une diagonale du corps semiconducteur 7. La figure 11 représente deux corps de soudage en 10 forme de fils 29 situés en regard de côtés opposés du corps semiconducteur 7- De nombreuses autres variantes sont possibles dans le cadre de l'invention. Par exemple la fixation du corps semiconducteur peut se faire sur une embase TO-J de structure 15 différente ou même sur une surface d'une partie d'enveloppe d'une forme complètement différente. Des corps semiconducteurs ou dispositifs autres que des transistors, par exemple des circuits intégrés au silicium, peuvent être soudés à la surface de support. On peut utiliser différents matériaux de soudage, 20 le choix du matériau de soudage étant déterminé notamment par le point de fusion et le matériau des surfaces se faisant face du corps semiconducteur et du support. Pour des corps en silicium, au lieu d'appliquer une couche d'or sur la couche de titane sur la surface inférieure on peut appliquer une 25 couche d'argent à la couche de titane. La couche d'argent peut être munie d'une mince pellicule d'or. 71 45100 9 2118101 RE-VEMDICATIOHS 1.- Procédé pour fixer un corps semiconducteur à un support par soudage, ce procédé étant caractérisé en ce que le corps semiconducteur et au moins un corps de matériau 5 de soudage sont placés de façon à ne pas se chevaucher sur une surface du support, le ou les corps de soudage étant disposés latéralement par rapport au corps semiconducteur, de telle façon que les surfaces du corps semiconducteur et du support qui se font face sont en contact direct, le support et 10 les corps étant ensuite chauffés à une température dépassant le point de fusion du matériau de soudage dans un intervalle de temps suffisant pour provoquer l'écoulement du matériau de soudage sur lq. surface du support et, par action capillaire, entre les surfaces se faisant face du corps semiconducteur 15 et du support pour former une couche de soudure intermédiaire entre ces surfaces, cette surface de soudure fixant le corps semiconducteur au support après le refroidissement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, sur la surface du support, le corps semi- 20 conducteur est espacé latéralement du corps de soudage ou des corps de soudage. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs corps de soudage sont disposés sur la surface de support et sont placés 25 pratiquement symétriquement par rapport au corps semiconducteur. 4.- Procédé selon la revendication 3> caractérisé en ce que les corps de soudage ayant la forme de corps préformés de forme régulière sont placés le long de côtés 30 opposés du corps semiconducteur. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps semiconducteur est de forme pratiquement carrée et en ce que les deux corps de soudage sont constitués par des disques préformés qui sont situés en 35 regard de côtés du corps semiconducteur. b.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à caractérisé en ce qu'on utilise au moins deux corps de soudage sous la forme de fils. 71 45100 10 2118101 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un seul corps de soudage qui, à la surface du support, entoure partiellement mais non complètement le corps semiconducteur. dications 1 à 7i caractérisé en ce que le corps semiconducteur est en silicium et en ce que la partie du support à laquelle est fixé le corps semiconducteur, au moins, est en cuivre. 10 térisé en ce que la surface de la partie de support en cuivre comporte une couche d'or sur une couche de nickel ou de cobalt et en ce que le matériau du corps de soudage ou des corps de soudage est constitué essentiellement par un alliage de plomb, d'argent et d'étain. 15 10.- Procédé selon la revendication 9> carac térisé en ce qu'avant de localiser le corps en silicium à la surface du support, on applique sur la surface du corps en silicium en regard une couche de titane sur le silicium et une couche d'argent sur le titane. 20 11.- Dispositif semiconducteur obtenu par la mise en oeuvre du procédé spécifié selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 5 8.- Procédé selon l'une quelconque des reven- 9.- Procédé selon la revendication 8, carac- S