Brevet FR2379165A1 — publié le 19780825

L-invention concerne un procédé de fabrication de semiconducteurs et notamment la liaison par moulage du semi-conducteur sur l'élément métallique du radiateur Un élément important dans la fabrication de composants semi-conducteurs est leur fiabilité Un domaine qui a créé des problèmes de fiabilité dans le passé est la soudure entre la matrice du semi-conducteur et le radiateur du composant Le procédé de liaison classique consiste à chauffer le radiateur à une température suffisamment élevée pour faire fondre la soudure sur le radiateur plat. puis de mettre en place la plaquette du semi-conducteur dans la soudure.Puise on laisse refroidir le radiateur pour solidifier la soudure et la liaison entre le semiconducteur et le radiateur Les défauts de cette soudure créent des problèmes de fiabilité, Comme la matrice du semi-conducteur et le radiateur ont des coefficients de dilatation'thermique différents il y a des contraintes de cisaillement qui s'exercent dans la soudure, pendant les variations cycliques de température du composant Pour résister à cette contrainte il faut une épaisseur minimale de soudure entre la matrice et le radiateur pour éviter que les contraintes dans la soudure ne dépassent son module d'élasticité Si le module d'élasticité est dépassé, la soudure se fissure ou se sépare Cela affaiblit la liaison a un point tel que la matrice du composant peut se soulever du radiateur Une fissure augmente également la résistance thermique entre la matrice et le radiateur Par ailleurs la résistance thermique entre la matrice et le radiateur est directement proportionnelle à l'épaisseur de la soudure Si l'on augmente ainsi l'épaisseur de la soudure pour réduire les contraintes de température, on augmente également la résistance thermique entre la matrice et le radiateur L'épaisseur de la soudure est en particulier importante dans des semisconducteurs de puissance, Les composants de puissance sont destinés à absorber des quantités d'énergie électrique importantes qui se dissipent a leur tour sous forme de chaleur De ce fait, il est très souhaitable d L avoir une résistivité thermique très faible entre la matrice et le radiateur, Ces matrices sont également suffisamment grandes pour permettre de répartir la chaleur Cela se traduit par moins de contrainte de cisaillement dans la soudure- par rapport aux contraintes engendrées par des matrices plus petites d'autres composants Généralement, les fabricants ont utilisé des soudures de type dur a fort module d'élasticité, pour les applications â des composants de puissance pour permettre de réaliser une soudure mince Cependant une telle soudure a une forte teneur en or ce qui rend la soudure environ trois fois plus coûteuse qu'une soudure plus molle ne contenant pas de l'or En outre selon les procédés connus de mise en place de la matrice, 1 épaisseur de la soudure se détermine difficilement. Il est également difficile de placer la matrice en parallèle sur le radiateur., Cette déviation de l#alignement de la matrice entraîne de multiples effets gênants. En premier lieu a l'endroit de la matrice qui est le plus proche du radiateur il y aura un point de contrainte élevé dans la soudure et un risque de défaillance de la soudure. En second lieu- iL peut y avoir des intervalles ou des vides dans la soudure. a l'endroit de la matrice la plus éloignée du radiateur,. provenant de la fixation non uniforme de soudure sur le radiateur Il en résulte une liaison faible entre la matrice et le radiateur et une forte résistivité thermique entre ces deux éléments.Il y aura ainsi des points chauds créés dans la matrice, dans les surfaces qui n ont pas de bonnes liaisons par soudure entre la matrice et la tette ce qui diminue les possibilités de dissipation thermiques et la fiabilité du semi conducteur. Ainsi un procédé qui permet de placer la matrice à une hauteur uniforme au#dessus du radiateur en parallèle sur celui-ci est très intéressant. L'invention a pour but de créer un tel procédé permettant d'avoir une surface de soudure uniforme entre la matrice du semi-conducteur et le radiateur de ce composant, en ayant un moyen pour répartir uniformément les contraintes dans la soudure, pour avoir une épaisseur uniforme de soudure permettant d'utiliser une soudure ne contenant pas de l'or tout en ayant une bonne conductivité thermique et qui puisse résister à de multiples cycles thermiques sans dégradation de la liaison entre la matrice du semi-conducteur et le radiateur A cet effet loinvention concerne un emplacement pour la soudure fixant la matrice pour fixer un semi-conducteur# comportant un grand nombre de saillies ou de pyramides de hauteur uniforme portant le semi-conducteur a hauteur déterminée, parallèlement à l'emplacement de la soudure L'invention sera décrite dans les dessins dans lesquels la figure 1 est une me en perspective d'un chassis conducteur et d'un radiateur de semi-conducteur selon l'invention - la figure ss est une vue éclatée partiellement en coupe, en perspective d'un emplacement de matrice montrant le détail des saillies - la figure 3 est une coupe transversale du radiateur et de l'emplacement de la soudures portant une matrice semiconductrice - la figure 4 est une courbe montrant la fiabilité de l'invention par rapport au procédé connu de fixation. A la figure 1 le radiateur 10 est fixé à un cadre 12 et comporte un emplacement de liaison de matrice 14 destiné à recevoir une matrice semi-conductrice non représentée. Le radiateur 10 est en cuivre revêtu de nickel. La figure 2 est une vue en perspective agrandie de l'emplacement 14 montrant les saillies 16 formées à la surface 18. Les bosses ou collines 16 sont réalisées de façon préférentielle par matriçage de la surface avant du radiateur par un réseau de saillies carrées, réparties suivant un certain ordre. Les saillies 20 ont 0,5 mm de côté et leurs centres sont espacés de 0,8 mm. La profondeur des cavités dans le radiateur est de l'ordre de 0.3 mm, créant des ondes 20 ainsi que des coins jusqu'aux bosses 16" à une hauteur de l'ordre de 75 microns au-dessus de la surface 18 du radiateur Ces bosses 16 forment les supports sur lesquels s'appuie la matrice pendant que s'effectue la liaison. Bien que ces bosses 16 étaient matriçées à la surface du radiateur, on peut également les réaliser en extrudant le dos du radiateur avec un outil pointu ou en bouclant la surface du. radiateur. La figure 3 est une coupe transversale du radiateur 10 de la figure 1 après soudage de la matrice 22, La matrice 22 repose sur les bosses 16 du radiateur 10 et la soudure 24 remplit l'intervalle entre les bosses 16. La soudure 24 du mode de réalisation préférentiel est une combinaison riche en étain, telle qu'un composé à 95 % d'étain et à 5 % d'argent. Comme la matrice 22 est placée sur les bosses 16 pendant la liaison, la matrice est parallèle au radiateur et à une distance déterminée de celui-ci. On a ainsi une soudure uniforme qui donne des contraintes de température, uniformes et prévisibles dans la soudure. L'épaisseur de la soudure se régle correctement et la plage des états de contrainte s'exerçant sur la soudure est plus faible que selon les procédés de liaison,. classiques. Il est ainsi possible d'utiliser une soudure plus molle et moins coûteuse g sans risquer de dépasser le module d'élasticité de cette soudure Les bosses ou saillies fonctionnent comme des barrières de contrainte pour répartir régulièrement les contraintes dans la soudure et supprimer les concentrations de contrainte dans la soudure En outre la structure de la figure 3 présente de nombreux avantages par rapport aux procédés de liaison connus sur le plan de la dissipation de la chaleur de la matrice 22 vers le radiateur 20 Comme l'épaisseur de la soudure est uniforme la conductitité thermique par rapport au radiateur est instante dans la matrice et il n-y a pas de point chaud résultant dune résistl ité thermique irrégulière de la soudure Ainsi. les saillies 16 établissent en fait le contact ou sont au voisinage immédiat de la matrice 22 sur environ 10 % de la surface de la matrice . ces saillies constituent des conducteurs de chaleur puisque ces bossages sont meilleurs conducteurs que la soudure L D uniformité de la soudure améliore ainsi la fiabilité du composant semi-conducteur Selon la figure 4 on a comparé deux types de radiateurs, ceux qui sont connus et ceux de l'inxention pour déterminer les caractéristiques de conductivité thermiques entre la matrice et le radiateur, avant et après un cycle de température La figure 4 correspondant å de nombreux cycles thermiques en fonction d'un courant de collecteur maximum de claquage dont on a pris la moyenne pour trente composants de chaque type .la courbe 26 correspond à l'invention et la courbe 28 correspond à l'art antérieur Les composés ont été vérifièsinitialement pour déterminer la conductivité thermique matrice/radiateur par des essais impulsionnels des dispositifs pendant 250 millisecondes a des niveaux de courant indiqués a la figure 4 avec une tension collecteurémetteur égale à 30 volts Puis on a procédé a des cycles de température en augmentant et en abaissant la température des composants dans une plage de 100?C tout en polarisant en inverse la 3onction collecteur-base suivant 50 volts Puis les dispositifs ont été de nouveau -érifiés après cinq mille cycles et après dixmille cycles Suivant le graphique de la figure 4. les dispositifs de l'invention (courbe 26', ont au début un courant de collecteur de sécurité maximum moyen plus grand que les dispositifs à radiateur classiquescourbe ! 28: Apres -inq mille cycles de température au cours desquels la soudure a été soumise â des contraintes dues a la différence des coefficients de dilatation thermiques de la matrice et du radiateur on a de nouveau vérifié les dispositifs.A la fois les dispositifs classiques (courbe 28) et les dispositifs selon l'invention (courbe 26) ne présentaient aucune détérioration de la conductivité thermique entre la matrice et le radiateur Les dispositifs ont été essayés après dix mille cycles Les radiateurs selon l'invention (courbe 26) présentaient une légère diminution du courant de collecteur de sécurité, maximum, bien que le degré de diminution puisse éventuellement ëtre attribué à des imprécisions du procédé de contrôle. Cependant les dispositifs classiques (courbe 28) présentaient une dégradation notable du courant de collecteur de sécurité. maximum. résultant de la dégradation de la soudure provenant des contraintes induites par les cycles de température dans les composants La présente invention permet une amélioration initiale des caractéristiques de fonctionnement d'un semi-conducteur par suite d'une meilleure conductivité thermique entre le radiateur et la matrice, ce qui se traduit également par une augmentation de la fiabilité des composants pendant les divers cycles de température. R E V E N D I C A T I O N S ONS 10) Radiateur pour semicorducteur caractérisé en ce qu'il comporte un emplacement de fixation (14) pour la matrice du semi-conducteur (22) cet emplacement se composant d'un réseau de bossages (16) de hauteur uniforme pour maintenir le semloconducteur (22) à une hauteur uniforme au dessus parallélement au radiateur (10) pendant la réalisation de la liaison, 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre une soudure (24) entourant les bossages (16) pour lier le semi-conducteur (22) au radiateur (10),, 30) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau de bossages (16) présente un espacement entre les bossages adjacents, de l'ordre de 0::8 mm et la hauteur des bossages (16) est de l'ordre de 75 microns 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les bossages (16) ont des parties supérieures arrondies 50) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la soudure (24) est à base de plomb. 60) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un emplacement (14) pour la fixation d'une matrice d'un semi-conducteur (228. cet emplacement se composant d'un réseau de pyramides (16) de hauteur uniforme pour maintenir le semi-conducteur (22) a, une hauteur uniforme parallélement au radiateur (10)- pendant la réalisation de la liaison 70) Radiateur caractérisé en ce que l'emplacement (14) de liaison pour monter le semi-conducteur(22) comporte un réseau de pyramides (16) de hauteur uniforme pour maintenir le semi-conducteur (22) à hauteur uniforme parallélement au radiateur (10) pendant la réalisation de la liaison.