Brevet FR2452786A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne un procédé de montage par soudage de dispositifs a semiconducteur et plus particuliè- rement de semiconducteurs de puissance, ainsi que les dispositifs Obtenus. De façon générale, les dispositifs à semiconducteur de puissance doivent être montés sur un support thermiquement conducteur pour éliminer les calories dégagées. Néanmoins, ce montage pose de nombreuses difficultés étant donné que les coefficients de dilatation du semiconducteur (couramment du silicium) et du support (couramment du cuivre) sont distincts. Ainsi, ces dispositifs vieillissent quand ils sont soumis à de nombreux cycles thermiques. Dans le cas où le semiconducteur est soudé sur son support, le vieillissement se manifeste plus particulièrement au niveau de la soudure lorsque celle-ci est contrainte au-delà de sa limite élastique. Pour un type de soudure donné, le phénomène dépendra donc de l'excursion de température, du carré du diamètre de la pastille de semiconducteur et de la nature du métal constituant le support.Par exemple, avec des soudures classiques constituées de mélanges Pb-Ag-In, une pastille de silicium dont le diamètre est de l'ordre de 4 à 5 mm, pour une excursion de température de 1250C et une embase en cuivre, on observe en général une dégradation au bout d'environ 1000 cycles thermiques. Cette dégradation se traduit par une augmentation de la résistance thermique jonction-embase et la détérioration des caractéristiques électriques du composant semiconducteur. Cette dégradation est en fait due à une modification de la nature cristalline de la soudure, celle-ci pouvant aller jusqu'à s'effriter. Les remèdes usuels pour pallier ces inconvénients consistent à minimiser les contraintes par le choix du métal de base mais, en fait, ce choix n'est pas libre et d'autres consi dérations conduisent à utiliser souvent le cuivre ; ou par le choix de soudures dont la limite élastique est suffisante (mais on est alors rapidement limité par les dimensions et les contraintes que peut subir le silicium). Ainsi, en pratique, on utilise couramment trois types de montages - les montages dits pressés (couramment désignés dans la technique par l'appellation anglo-saxone Press-pack) dans lesquels il n'existe pas de soudure et le montage est effectué par compression. Ce procédé est très efficace mais coûteux, particulièrement dans le cas de petits dispositifs. - Les montages par soudure dure sur un métal accordé en dilatation thermique avec le silicium. On reporte alors la contrainte entre ce métal accordé (molybdène ou tungstène) et l'embase. Cette solution est très efficace mais très onéreuse. - Les montages par soudure tendre sur un métal de base bon conducteur. On rencontre alors rapidement les problèmes évoqués précédemment malgré le choix des soudures et des conditions de soudage. Il n'en reste pas moins que, d'un point de vue économique, un montage par soudage direct serait le plus attrayant. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de soudage de pastilles semiconductrices sur une embase thermiquement conductrice (ou radiateur) permettant d'obtenir des caractéristiques améliorées en fatigue thermique par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel procédé qui ne complique pas outre mesure les étapes de fabrication de la pastille semiconductrice. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un montage de dispositif à semiconducteur mettant en oeuvre le procédé précédent. Pour atteindre ces objets, la demanderesse a procédé à de nombreux essais de soudage de pastilles semiconductrices sur un support ou embase thermiquement conducteur à l'aide de soudure tendre. On notera que le support ou embase thermiquement conducteur sera appelé ci-après radiateur, mais ceci n'implique pas nécessairement la prévision d'ailettes de refroidissement. Le radiateur peut être simplement un bloc de cuivre ou autre matière thermiquement conductrice. Ce peut également être un bloc métallique sur lequel sont montées plusieurs pastilles semiconductrices de la façon décrite selon l'invention. Le résultat de ces expériences a été que l'on obtient une tenue en fatigue thermique particulièrement bonne des soudures tendres quand leur épaisseur est très faible, sensiblement de l'ordre de 10 à 20 microns. Toutefois, si ceci a pu être nettement démontré au cours d'expériences de laboratoire, il s'est avéré particulièrement difficile de souder industriellement des pastilles sur un support en prévoyant une épaisseur de soudure constante dans cette gamme de valeurs. Ainsi, il est prévu selon la présente invention de placer entre la pastille semiconductrice et le radiateur une -entretoise en un matériau non soudable par la soudure et non mouillable par celle-ci et dont l'épaisseur corresponde à la valeur optimale choisie Ensuite, au moment du soudage, une pression suffisante est exercée sur la pastille pour obtenir le contact de la cale sur les deux parties à souder, l'excès de soudure étant rejeté à l'extérieur. On obtient ainsi une liaison d'épaisseur constante, contrôlée et exempte de bulles. Plus particulièrement, le procédé de montage de pastilles semiconductrices de puissance sur un radiateur, selon la présente invention, comprend les étapes suivantes : déposer selon le périmètre de la pastille semiconductrice et sur la face devant être montée sur le radiateur une couche mince et étroite d'un produit auquel la soudure n'adhère pas ; déposer de la soudure sur ladite face ; souder cette face sur le radiateur tout en maintenant une pression sur la pastille semiconductrice, de sorte que cette couche mince vienne en butée avec le radiateur. Selon un aspect de l'invention, la couche mince formant cale d'épaisseur peut être constituée d'un verre déposé sur la face à souder, ce verre étant identique aux verres couramment utilisés pour passiver les affleurements de jonction des pastilles semiconductrices et étant déposé en même temps que cette passivation, ce qui permet de gagner des étapes de fabrication. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, seront exposés, ci-après en relation avec des modes de réalisation particuliers et la figure jointe. La figure illustre le montage selon l'invention d'une diode 1 sur un radiateur 2. On a représenté à titre d'exemple une diode de type PNN+, mais il est clair que la description ci-après s'applique à d'autres types de diodes et à d'autres semiconducteurs de puissance. En outre, on notera que la diode représentée est de type mesa, c'est-à-dire qu'elle comprend à sa périphérie supérieure un chanfrein 4. De façon classique, l'affleurement de la jonction PN au niveau du chanfrein est revêtu d'un produit de passivation 6. Ensuite, les deux faces de la diode sont revêtues usuellement de couches métalliques sur lesquelles peut adhérer la soudure, par exemple des couches de nickel 8 et 10.Puis les deux faces de la diode sont revêtues de dépôts de soudure 12 et 14 pour permettre la fixation de celle-ci d'une part, à sa partie inférieure (sur la figure) au radiateur 2, d'autre part à sa partie supérieure à tout élément choisi. Selon l'invention, il est disposé sur le périmètre inférieur de la diode, c'est-à-dire la partie qui vient adhérer sur le radiateur 2, une couche mince 16 d'un matériau servant de cale ou d'entretoise. Selon des techniques connues, on peut disposer ce matériau avec une épaisseur uniforme choisie. Ensuite, lors du soudage, la pastille 1 est pressée contre le radiateur 2 de façon que la couche 16 vienne en contact avec le radiateur, la soudure en excès 14 étant rejetée sur les bords. On notera de façon générale que cette soudure en excès vient se déposer par capillarité sur la surface du radiateur 2. Une forme particulière de surface de contact du radiateur a été représentée en figure 1, mais ceci ne constitue pas une limitation à la présente invention, la seule contrainte étant que ce radiateur comprenne une surface plane à l'emplacement où l'on souhaite monter la pastille semiconductrice. Selon un aspect de la présente invention, la couche mince périphérique 16 peut être du même matériau que le matériau de passivation 6 présent au niveau du mesa de la diode. En ce cas, la couche 16 et le dépôt 6 seront effectués lors d'une même étape de fabrication. Ainsi, le dépôt supplémentaire 16 selon l'invention ne complique pas les étapes de fabrication de la diode. Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait que, lors des étapes de fabrication industrielle d'une pastille telle que la pastille 1, celle-ci fait initialement partie d'une tranche semi-conductrice sur laquelle sont formées de façon adjacente de nombreuses pastilles identiques, ces pastilles étant découpées ultérieurement. Il est clair qu'il y a intérêt à effectuer le maximum d'opérations au niveau de la tranche et à limiter les opérations sur les pastilles individuelles, ce qui présente une plus grande complexité et multiplie le nombre d'opérations par le nombre de pastilles. Ainsi, la couche périphérique 16 de chaque pastille est en fait constituée d'un quadrillage déposé sur la tranche comprenant les nombreuses pastilles avant découpe de celles-ci. Un avantage de la prévision de ce quadrillage 16 se présente lors du dépôt de la couche de nickel 10.En effet, le dépôt de nickel n'adhère pas sur les produits couramment utilisés pour former la couche 16, par exemple des verres et, ainsi, la découpe des pastilles individuelles est facilitée alors que, dans i1 art antérieur, la découpe du nickel présent sur la face inférieure présentait une difficulté. En outre, le dépôt de soudure 14 adhérera également uniquement sur la couche de nickel 10 et pas sur le quadrillage 16. Pour mieux apprécier la présente invention, on donnera ci-après quelques valeurs numériques à titre d'exemple non limitatif. Une diode telle que la diode 1 peut couramment avoir des 2 allant de 1 à 400 'nm2 dimensions allant de 1 20 mm (1 mm 400 l'épaisseur de la pastille peut être de l'ordre de 250 microns, la largeur de la couche périphérique 16 de l'ordre de 100 à 300 microns, l'épaisseur de cette couche 16 de l'ordre de 10 à 20 microns, la largeur totale du dépôt 6 en projection sur un plan parallèle aux faces de la diode de l'ordre de 200 à 500 microns. On a décrit dans ce qui précède le montage de la diode 1 sur le radiateur 2 par la face plane de cette diode. Dans certains cas pratiques, et notamment dans le cas où plusieurs diodes sont montées sur un même support, il peut être utile d'inverser la position relative de diverses diodes, c'est-à-dire que les diodes devront être montées sur le radiateur par leur face supérieure sur la figure 1, c'est-à-dire la face comprenant le mesa et la couche de soudure 12. En ce cas, la partie du produit de passivation 6 qui recouvre la face supérieure de la diode pourra servir de cale d'épaisseur et jouer un rôle identique à la couche 16 déposée volontairement dans le cas décrit en relation avec la figure 1.Ainsi, aucune étape de fabrication supplémentaire ne sera à prévoir selon l'invention, la caractéristique de invention résidant alors dans le fait que la pastille est montée en exerçant une pression suffisante pour que la couche de verre 6 vienne s'appliquer sur la surface du radiateur. De même, l'invention s'applique aux dispositifs à semiconducteur présentant une allure de mesa sur leurs deux faces, par exemple des dispositifs du type thyristor ou triac. La présente invention s'applique également à des diodes dont les deux faces sont planes, il faudra alors prévoir spécialement une couche 16 sur la face en appui sur le radiateur et donc une étape de fabrication supplémentaire par rapport aux étapes de fabrication d'une diode de l'art antérieur.Néanmoins, en ce cas, les avantages apportés par l'augmentation de durée de vie des diodes compenseront dans de nombreuses applications le coût supplémentaire entraîné par l'étape de dépôt d'une couche servant de cale d'épaisseur. Il ressort des exemples précédents qu'une matière préférée pour réaliser la cale d'épaisseur 16 est constituée d'un verre identique au verre de passivation couramment utilisé. Néanmoins, la présente invention n'est pas limitée à l'utilisation de tels produits. D'autre part, on a décrit précédemment l'appui cation d'une face de la diode sur un radiateur. Pour augmenter encore la dissipation thermique dans quelques cas particuliers, on pourra selon l'invention, presser la diode munie de cales d'épaisseur sur ses deux faces entre deux plaques parallèles en une matière thermiquement conductrice, par exemple du cuivre. Pour appliquer la pression sur la pastille 1, on pourra, ou bien prendre appui sur la glassivation périphérique 6 dans le cas de la figure 1, ou bien appuyer sur le "clou" de contact destiné à être soudé à la pastille par la couche de soudure 12. Des essais pratiques ont montré que la pression pouvait être choisie dans 2 une gamme de l'ordre de 1 à 2 g par mm , sans que ceci constitue une limitation à l'invention. En tout cas, il est important que la cale d'épaisseur appuie bien sur le radiateur sur toute sa périphérie pour obtenir effectivement les avantages de l'invention. Les essais effectués par la demanderesse ont montré que si seulement un côté de la cale portait et que l'épaisseur de sou dure était inhomogène, les résultats fastes selon l'invention ne sont pas atteints. Des essais-effectués sur des diodes ont montré que des pastilles montées selon l'invention pouvaient présenter des ca#ractéristiques sans dégradation après plus de 10 000 cycles thermiques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Procédé de montage par soudage de pastilles semiconductrices sur un radiateur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - déposer selon le périmètre du dispositif et sur la face devant être montée sur le radiateur une couche mince et étroite d'un produit auquel la soudure n'adhère pas - déposer de la soudure sur ladite face ; et - souder cette face sur le radiateur tout en maintenant une pression sur la pastille semiconductrice de sorte que ladite couche mince vienne en butée avec le radiateur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit constituant la couche mince est un verre de même type que celui utilisé pour la passivation par glassivation de la pastille. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche mince a une épaisseur de l'ordre de 10 à 20 microns. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dépôt de la couche mince est formé lors de la même étape de fabrication que les dépôts de passivation quand la pastille est encore solidaire d'une tranche comprenant un grand nombre de pastilles élémentaires. 5. Dispositif à semiconducteur comprenant une pastille semiconductrice soudée sur un radiateur, caractérisé en ce qu'il est prévu une entretoise sensiblement périphérique par rapport à la pastille entre celle-ci et le radiateur. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite entretoise est formée par le dépôt d'un produit approprié sur la pastille 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le produit approprié est un verre