Brevet FR2160764A1 — publié le 19730706

La présente invention concerne un procédé de réalisation de de dispositifs semiconducteurs comportant au moins un cristal semiconducteur dans lequel sont créées au moins deux régions et fixé par l'une de ces régions, dite première région, sur une embase métallique formant une première électrode, une seconde électrode solidaire mécaniquement mais isolée électriquement de l'embase étant reliée à l'autre région, dite seconde région, par un fil métallique fixé sur une plage de contact appropriée de cette seconde région. On sait que, dans le mode opératoire de réalisation d'un dispositif semiconducteur, les phases finales de la fabrication, avant encapsulation, consistent à souder le cristal sur une emZ base et à relier électriquement les plages de contacts ohmiques créées antérieurement sur le cristal aux broches de sortie solidaires de l'embase. On sait également que ces opérations sont effectuées dans tordre ci-dessus défini, c'est-à-direque l'on utilise en premier lieu, une machine permettant le soudage du cristal sur et ensuite une machine permettant de relier les plages de contact du cristal aux broches de sortie. Le soudage du cristal est obtenu par fusion et recristallisation d'un alliage plomb-étain, or-germanium ou or-siliciim suivant les cas, entre le cristal et embase accompagnées d'un mouvement de vibrations engendré, par exemple, par un appareillage ultrasonique, la fusion étant réalisée par passage de l'embase sur le plateau d'un four porté à la température appropriée. La liaison électrique entre les plages de contact du cristal et les broches de sortie est obtenue par thermocompression d'un fil d'or ou d'aluminium sur les éléments à relier. Cette thermocompression, dont il existe différents types, avec avecun outil généralement en saphir ou en carbure de tungstène traversé par un tube capillaire servant de guide au fil à souder. Selon les cas elle est formée par pression simple soit à une température élevée, soit à la température ambiante à l'aide d'un dispositif ultrasonique. L'inconvénient d'un tel mode opératoire réside dans le fait qu'il comporte deux séries d'opérations distinctes, d'une part le soudage du cristal, d'autre part l'élaboration des liaisons élecS triques, donc qu'il nécessite au moins deux machines ou deux ensembles de machines différents. Dans ces conditions, il va de soi que le coût du produit fabriqué est relativement important. De plus, le nombre de manipulations du cristal étant augmenté du fait du passage d'une machine à l'autre, les risques de de'tério- ration, voire même de destruction, sont eux aussi, considérablement accrus. En outre, le système traditionnel de mise en place du cristal sur embase est constitué d'une pipette appropriée maintenant ledit cristal par aspiration. Il s'ensuit que, pour chaque modi- fication de la forme ou des dimensions du cristal, il convient de changer de pipette et que dans le cas où la forme du cristal est irrégulière et suit imparfaitement la géométrie prévue, l'aspiration dudit cristal se fait mal ou pas du tout. Enfin, le cristal étant chauffé durant son soudage du cristal sur l'embase, les plages de contact, qui sont généralement en aluminium, se trouvent oxydées et, en conséquence, les thermocompressions sont beaucoup plus difficiles à effectuer. Dans ces conditions, il n'est pas rare d'obtenir des liaisons électriques intermittentes dues à la mauvaise adhérence desdites thermocompressions sur les plages de contact. Ceci est particulièrement fâcheux dans la fabrication de dispositifs hybrides comportant une pluralité d'éléments distincts simples sur un même support et notamment en optoélectronique dans le cas de mosaiques d'affichage constituées de diodes électroluminescentes disposées en lignes et en colonnes. En effet, dans ce cas, pour une seule thermocompression défec- tueuse, la totalité du dispositif est rendue inutilisable. Le procédé selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. En effet, selon l'invention, le procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs comportant au moins un cristal semiconducteur dans lequel sont créées au moins deux régions et fixé par l'une de ses régions, dite première région, sur une embase métallique formant une première électrode, une seconde électrode solidaire mécaniquement mais isolée électriquement de l'embase étant reliée à l'autre région, dite seconde région, par un fil métallique fixé sur une plage de contact appropriée de cette seconde région, est remarquable en ce que l'on fixe le fil métallique sur la plage de contact de la seconde région, puis en ce que, à l'aide dudit fil, on soulève et met en place le cristal sur l'embase formant la première électrode sur laquelle on le soude et, enfin, en ce que l'on relie le fil métallique à la seconde électrode sur laquelle on le fixe. Par ce procédé, la série complète d'opérations, à savoir le soudage du cristal et l'obtention de la liaison électrique, peut être effectuée sur une seule machine. Dans ces conditions, le nombre de manipulations est réduit et, de ce fait, on diminue considérablement les risques de dété- rioration ou de destruction du cristal. En outre, la réduction du nombre de machines et du nombre de manipulations conduit à une diminution du coût du produit fabriqué. De plus, le dispositif de préhension du cristal par pipette est supprimé, ce qui réduit la complexité de la machine, donc son prix de revient, et élimine, du même coup, les problèmes liés habituellement aux défauts géométriques et aux irrégularités de surface du cristal. Du point de vue technologique, le soudage du cristal ayant lieu après la fixation du fil métallique sur la plage de contact appropriée dudit cristal, celle-ci n'a été ni souillée par les manipulations préparatoires au soudage ni oxydée sous l'effet de la chaleur rayonnée par ledit soudage. Avantageusement, la fixation du fil métallique sur la plage de contact du cristal et sur l'électrode solidaire de 1 est obtenue par un procédé de thermocompression, et le soudage du cristal sur l'embase est obtenu par fusion d'une soudure tendre, ladite embase ayant été préalablement revêtue d'une pellicule d'un métal soudable, par exemple de l'or. De préférence, le procédé de thermocompression utilisé est du type dit "en tête de elou", selon lequel à partir d'une boule formée par fusion à l'extrémité du fil à souder, on crée une soudure dont la configuration peut effectivement être assimilée à celle de la tête d'un clou. De préférence également, pour faciliter le soudage du cristal sur l'embase, on exerce sur celui-ei une pression appropriée à l'aide de l'outil de thermocompression. Avantageusement, on dispose à proximité d'un plateau chaufw fant, un ajutage destiné à diriger sur le cristal, pour le refroi- dir après son soudage, le jet d'un gaz à basse température, le débit du gaz étant déterminé par le refroidissement choisi. Ces avantages sont particulièrement intéressants dans le cas où l'élaboration d'un dispositif nécessite la mise en place de plusieurs cristaux sur la même embase et des liaisons multiples, notamment dans le cas de dispositifs hybrides électroluminescents destinés à l'affichage numérique. La présente invention concerne également un appareillage de mise en oeuvre du procédé précédemment décrit et comportant, d'une part, un outil de thermocompression associé à un distributeur de fil métallique constitué d'une bobine, d'un dispositif de blocage et de coupe dudit fil et d'un dispositif de formation de boule à l'extrémité du fil et, d'autre part un plateau mobile sur lequel sont fixés un support chauffant destiné à recevoir les embases des dispositifs et un support destiné à porter les cristaux devant être soudés sur lesdites embases, remarquable en ce que l'outil de thermocompression et le plateau mobile sont disposés sur un bati unique, le support chauffant et le support de cristaux étant mis alternativement en regard de l'outil de thermocompression par un mouvement du plateau mobile. Cet appareillage n'étant constitué que d'éléments simples présente l'avantage de pouvoirAtre réalisé facilement et rapi- dement. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'inven- tion peut être réalisée. La figure 1 représente une vue partielle et schématique de l'appareillage permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les figures 2 à 6 illustrent quelques étapes du soudage d'une diode semiconductrice sur une embase et de la formation de ses liaisons électriques. Il est à noter que sur les figures, les dimensions ne sont pas proportionnées et sont, en ce qui concerne certains éléments, considérablement exagérées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Conformément à la figure 1, 11 appareillage mettant en oeuvre le procédé selon l'invention comprend un plateau mobile 1 en rotation autour d'un axe 2 et portant un support de cristaux 3 et un support chauffant 4. Par ailleurs, l'appareil comprend également les moyens nécessaires à la formation de thermocompres sions,c'est-à-direun outil 5 traversé coaxialement par un tube capillaire 6 dans lequel glisse librement le fil métallique 7 destiné à former les liaisons électriques et provenant d'une bobine 8. L'appareillage représenté, du type thermocompression à tête de clous est muni d'un dispositif de formation de boule à l'ex- trémité du fil 7 comportant au moins une électrode 9, et comparable à celui decrit par la Demanderesse dans le mémoire numéro 70 22 666 accompagnant une demande de brevet, et d'un dispositif de blocage et de coupe 10 du fil 7, formé de deux lames 10a et lOb dont l'une, 10a, est élastique et vient bloquer ledit fil 7 contre la lame lOb. L'outil de thermocompression 5 est soutenu par un bras 11, luiwmême solidaire d'une lame 12 susceptible de vibrer et reliée à un générateur ultrasonique non représenté sur la figure. Lors des diverses opérations d'encapsulation, le cristal semiconducteur 13 est déplacé du support 3 sur l'embase métallique 14 préalablement disposée sur le support chauffant 4 et comportant une connexion de sortie 15. Un ajutage 16, relié à une conduite de gaz neutre maintenu à la température ambiante, est placé près de embase 14 pour permettre son refroidissement rapide après soudage du cristal. Les figures 2 à 6 représentent cinq étapes du procédé selon l'invention. Dans une phase préliminaire, à l'extrémité du fil métallique 7, affleurant la partie inférieure de l'outil 5, on forme une boule 17 à l'aide d'une décharge disruptive 18 provo quée électriquement entre ltélectrode 9 et l'outil 5 faisant fonc- tion également d'électrode (fig. 2). En faisant tourner le plateau mobile 1 autour de l'axe 2, on amène le support 3 en regard de l'outil 5. A l'aide d'un micromanipulateur, on descend outil 5 et la boule 17 entraînée par ledit outil 5 jusqu a affleurer la plage métallisée 19 de la seconde région 20 du cristal 13 choisi, la première région 21, constituée par le corps du cristal lui-même, étant de type de conduction opposé à celui de la région 20. Par thermocompression et sous ultrasons, on écrase la boule 17 sur la plage métallisée 19, ladite boule prenant alors la forme 22 en tête de clou représentée sur la figure 3. Grâce au dispositif de blocage 10, on serre le fil 7 et,er relevant l'outil 5, on relève également le cristal 13 qui y est fixé. On fait tourner le plateau mobile 1 pour amener le support 4 portant l'embase métallique 14 en regard du cristal 13 et de l'outil 5 et l'on descend ces derniers (fig. 4) Jusqu a ce que ledit cristal vienne en contact de la couche de soudure tendre 23 déposée à la surface de l'embase 14. Simultanément à la fuslon de ladite soudure 23, on exerce encore une légère pression sur le cristal 13 à l'aide de l'outil 5, puis on refroidit rapidement à l'aide d'un courant de gaz, neutre de préférence, à température ambiante, dont le débit est réglé par l'ajutage 16 (fig. 5). On libère ensuite le dispositif 10, on relève l'outil 5, ce qui a pour conséquence de laisser appara#tre une certaine longueur de fil 7, que l'on va ensuite souder, par thermocompression également, sur ltélectrode 15 solidaire de l'embase 14 mais isolée électriquement par l'intermédiaire de l'anneau 24, en verre par exemple. La dernière opération consiste à casser le fil 7 après cette seconde opération (fig. 6). Ceci est obtenu en serrant le fil 7 dans le dispositif 10 et en relevant l'outil. Il est à noter que pour faciliter la saisie du cristal et les diverses thermocompressions, l'extrémité inférieure de l'outil 5 comporte une cavité 5a coaxiale du tube capillaire 6 qui, sur le dessin, a une forme cylindrique mais pourrait avoir également toute autre forme géométrique appropriée. - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs comportant au moins un cristal semiconducteur dans lequel sont créées au moins deux régions et fixé par l'une de ces régions, dite première région, sur une embase métallique formant une première élecZ trode, une seconde électrode solidaire mécaniquement mais isolée électriquement de l'embase étant reliée à l'autre région, dite seconde région, par un fil métallique fixé sur une plage de contact appropriée de cette seconde région, caractérisé en ce que l'on rixe le fil métallique sur la plage de contact de la seconde région, puis en ce que, à l'aide dudit fil, on soulève et met en place le cristal sur l'embase formant la première électrode sur laquelle on le soude, et, enfin, en ce que lton relie le fil métallique à la seconde électrode sur laquelle on le fixe. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fixation du fil métallique sur la plage de contact du cristal et sur l'électrode solidaire de l'embase est obtenue par thermocompression, et en ce que le soudage du cristal sur l'embase est obtenu par fusion d'une soudure tendre, l'embase ayant été préau lablement revêtue d'un métal soudable. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les thermocompressions effectuées sont de type en ntête de clou". 4.1 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lors du soudage du cristal sur embase, on exerce une pression sur ledit cristal à l'aide de l'outil de thermocompression. 5.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement de l'embase, après soudage du cristal est obtenu par un jet de gaz à température plus basse. 6.- Dispositif de mise en oeuvre des procédés selon 11 ensemble des revendications 1 à 5, comportant, d'une part, un outil de therg mocompression associé à un distributeur de fil métallique constitué d'une bobine, d'un dispositif de blocage et de coupe dudit fil et d'un dispositif de formation de boule à l'extrémité du fil et, d'autre part, un plateau mobile sur lequel sont fixés un support chauffant destiné à recevoir les embases et un support destiné à porter les cristaux devant être soudés sur lesdites embases, caractérisé en ce que l'outil de thermocompression et le plateau mobile sont disposés sur un bâti unique, le support chauffant et le support de cristaux étant mis alternativement en regard de outil de thermocompression par un mouvement du plateau mobile.