Brevet FR2483282A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne les couvercles d'étanchéité destinés à des boîtiers hermétiquement fermés et, plus particulièrement, elle concerne un procédé de fixation d'une bague de soudure préformée sur un couvercle destiné à fermer hermétique- ment le bottier d'un dispositif semi-conducteur. Pour qu'il fonctionne efficacement, on enferme her- métiquement un dispositif semi-conducteur dans un conteneur, un bottier ou une botte. De nombreux moyens ont été imaginés pour réaliser cette opération. L'un des plus simple consiste à procéder à l'assemblage du dispositif à l'intérieur d'un conteneur dont le dessus est ouvert et dont les parois latérales présentent des bords coplanaires auxquels un couvercle plat présentant des dimen- sions périphériques correspondantes peut être soudé. La soudure doit être fournie sous une forme et en une quantité permettant que la fusion s'effectue sans risque qu'un excès de soudure ne s'écoule dans le conteneur et n'endommage le dispositif. Ceci peut être réalisé par découpage, dans une feuille d'épaisseur voulue, d'une bague de soudure dont les dimensions externes correspondent à celles du couvercle plat et dont l'épaisseur est suffisante pour assurer un contact avec le bord supérieur plan du conteneur. La bague de soudure préformée est ordinairement rectangulaire ou circulaire. Comme il est connu, on place une bague de soudure entre le bord du conteneur et le couvercle, après quoi on chauffe de manière à fondre la soudure, puis on refroidit pour solidifier la soudure de manière qu'elle lie la botte au couvercle. Toutefois, ce procédé demande une certaine manipulation et l'alignement de trois éléments, de sorte qu'il est difficile de réaliser cet assemblage rapidement. Divers moyens ont été imaginés pour réduire la mani- pulation à celle de deux éléments seulement dans l'assemblage final d'un conteneur pour dispositif semi-conducteur. Selon le procédé du brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 538 597, on applique un revêtement mince d'une soudure formée d'un mélange eutectique étain-plomb par placage ou métallication à une feuille de Kovar (marque déposée de la Société Westinghouse Electric Corp. pour un alliage cobalt-nickel-fer pouvant contenir environ 17% de cobalt et environ 20% de nickel) dans laquelle des couvercles sont découpés par poinçonnage. On place le couvercle sur le bottier, et on chauffe l'ensemble de façon à faire fondre la soudure. La soudure s'écoule dans l'aire de contact et se solidifie en liant le couvercle au bottier. Selon le procédé du brevet des Etats-Unisd'Amérique n0 3 579-817, on dépose une bordure en alliage fusible sur un couvercle d'assemblage de circuits à l'état fondu ou par un moyen connu tel que brossage, pulvérisation ou sérigraphie.. Un matériau diélectrique remplit la partie interne du couvercle qui n'est pas couverte par la bordure en alliage fusible. S'il est plus épais que la bordure en alliage fusible, le matériau diélectrique peut servir de moyen d'alignement du couvercle sur le bâti ouvert de l'assemblage de circuits. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 648 357 propose un procédé permettant de fermer hermétiquement des conte- neurs d'assemblage à plat possédant des bottes et des couvercles en Kovar, qui sont tous deux plaqués à l'or au niveau de leurs surfaces d'étanchéité. On applique des couches d'or relativement épaisses, de 6 à 10m environ. De plus, on fait partiellement dissoudre chacun de ces revêtements dans une préforme de soudure formée d'un mélange eutectique or-étain à une température supé- rieure au point eutectique de manière à pré-étamer les surfaces. On réunit alors les surfaces pré-étamées et on les fait fondre pour fermer hermétiquement le conteneur. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 946 190, qui est une division du brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 874 549, lui-même division d'un brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 823 468, propose un procédé. permettant de fabriquer un couvercle de fermeture hermétique dans lequel une bague de soudure préformée est super- posée au couvercle et est fondue sur le couvercle en plusieurs points séparés, un processus de fusion par soudage par points étant décrit. On peut effectuer la mise en concordance de la bague de soudure préformée avec la périphérie du couvercle en l'enfermant à l'inté- rieur d'une cavité peu profonde d'un élément de soutien non conduc- teur. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 3 874 549 décrit un couvercle de fermeture hermétique dans lequel la bague de soudure est fondue sur l'élément de couvercle en plusieurs points séparés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 937 388 propose un procédé permettant de réunir de façon étanche deux élé- ments de manière à former un assemblage, ce procédé consistant à appliquer un agent d'étanchéité fusible sur une partie de l'un des éléments, à placer l'un des éléments sur un premier puits de chaleur et l'autre élément sur le dessus du premier élément. On applique de la chaleur aux deux éléments de manière à faire fondre l'agent d'étanchéité et à provoquer son écoulement entre les élé- ments suivant une relation étanche. On applique un deuxième puits de chaleur au deuxième élément afin d'absorber la chaleur des élé- ments pendant l'application de chaleur à l'élément d'étanchéité. On applique une pression et on interrompt le chauffage. De la chaleur est retirée par les deux puits de chaleur à la fois pendant le chauffage et après son interruption. La demanderesse a découvert un procédé perfectionné permettant de fixer une bague de soudure préformée au couvercle d'un conteneur pour dispositif semi-conducteur dans le but de former un ensemble, ce procédé permettant de fermer le conteneur à l'aide d'une opération qui ne nécessite l'alignement que de deux éléments constitutifs, à savoir l'ensemble associé au couvercle et le bord supérieur plan des parois latérales du conteneur. En bref, le procédé de l'invention consiste à fixer une bague de soudure préformée sur un couvercle, et on amène à fondre la surface de la bague de soudure préformée qui est en contact avec le couvercle tandis que l'on maintient la surface opposée dans un état solide, si bien que, après solidifcation de la partie fondue de la bague de soudure pré- formée, une partie notable de cette surface est liée au couvercle. Plus particulièrement, le procédé de l'invention nécessite de mettre en place la bague de soudure préformée sur une surface plane d'un matériau auquel la soudure n'adhère pas. On maintient la surface plane à une température située au-dessous du point de fusion de la soudure. On place le couvercle sur le dessus de la bague de soudure, en alignement avec sa périphérie. On applique suffisamment de chaleur, soit en préchauffant le couvercle avant l'alignement, soit en le chauffant après sa mise en place, de façon à élever la surface de la face supérieure de la bague de soudure au-dessus de son point de fusion, tout en laissant la surface plane à une température assurant que la face inférieure de la bague de soudure est maintenue en dessous de son point de fusion. La soudure présente au niveau de la face supérieure fond et s'écoule en contact de liaison avec des parties contigués du couvercle, tandis que la soudure se trouvant au niveau de la face inférieure reste à l'état solide. On laisse la partie fondue de la bague de soudure se solidifier et on retire de la surface plane un ensemble couvercle portant une bague de soudure dont la face exposée est plane. Le fait de fixer la soudure à un couvercle avant de souder le couvercle au conteneur évite tous les problèmes résultant de l'alignement de trois éléments constitutifs distincts, à savoir le couvercle, la bague de soudure préformée et le conteneur, pendant la fermeture du conteneur. Les procédés connus permettant d'obtenir un système à deux éléments constitutifs comprennent le placage de - tout le couvercle au moyen de soudure, l'opération consistant à faire couler la soudure dans les aires de contact, l'application de soudure fondue aux bordures du couvercle définies par l'existence d'un matériau diélectrique central, et le pré-étamage du couvercle et des bords du. conteneur au moyen de soudure. Ces procédés tendent à utiliser des quantités excessives de soudure, ceci entraînant le risque de contaminer les dispositifs semi-conducteurs, ainsi qu'une dépense inutile, en particulier dans le cas o la soudure est un alliage eutectique or-étain. Avec la fusion complète de la bague de soudure, la tension superficielle tend à faire que la soudure se rassemble en tas. Un tel ensemble de couvercle est difficile à mettre en place avec précision sur un conteneur, car il existe alors une tendance à ce que l'ensemble de couvercle s'incline lorsqu'on met la face incurvée portant la soudure en contact avec le bord du conteneur. Il s'ensuit des défaillances en ce qui concerne l'obtention d'une fermeture hermétique. Le procédé de l'invention propose une adhésion plus extensive de la soudure que dans le cas du soudage par points. La fusion incomplète au travers de l'épaisseur de la bague de soudure fait que l'ensemble de couvercle possède une face soudure sensiblement place qu'il est plus facile de mettre en complet con- tact avec le bord du conteneur. 248328 2 La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective montrant la mise en place d'une bague de soudure préformée sur la surface plane d'un bloc de refroidissement, et un couvercle chauffé prêt à être placé sur la bague de soudure; - la figure 2 est une vue en perspective montrant la mise en place d'une bague de soudure préformée sur la surface plane d'un bloc de refroidissement, un couvercle non chauffé en alignement sur la bague, et une masse de chauffage prête à être placée sur le dessus du couvercle; et - la figure 3 est une vue en perspective d'un ensemble de couvercle retourné dans lequel la bague de soudure est liée au couvercle. Sur la figure 1, est présenté un mode de réalisation du procédé de l'invention, dans lequel une bague de soudure préfor- mée 10 est placée sur la surface plane 12 d'un bloc de refroidisse- ment 14 formé d'un matériau auquel la soudure n'adhère pas, comme de l'aluminium, de la céramique ou du graphite. Le couvercle 16 du conteneur, qui a été chauffé, par exemple sur un bloc (non repré- senté) qui est analogue au bloc 14, est prêt à être placé sur le dessus de la bague de soudure 10, ses bords périphériques étant alignés avec ceux de la bague. Le bloc de refroidissement 14 est maintenu à une température qui empêche la face inférieure 18 de la bague de soudure 10 de descendre au-dessous du point de fusion de la soudure. Le couvercle 16 est préchauffé à une température qui est suffisamment supérieure au point de fusion de la soudure pour entraîner, au contact avec la bague de soudure 10, la fusion d'une partie notable de la face supérieure 20. La soudure fondue s'écoule en contact de liaison avec des parties contiguiês du couvercle 16. Après refroidissement et solidification de la soudure, on retire du bloc de refroidissement 14 l'ensemble de couvercle 22 (figure 3) comprenant le couvercle 16 et la bague de soudure 10 qui lui est liée. Selon un exemple, la bague de soudure 10 est découpée à la presse dans une feuille d'aluminium de 50,pm d'épaisseur d'un alliage eutectique d'or et d'étaindont le point de fusion est de 280C. On maintient un bloc de refroidissement 14 en aluminium au-. dessous de 2000C, et on préchauffe à environ 350C un couvercle 16, constitué d'un alliage cobalt-nickel-fer (Kovar) plaqué d'or, d'une épaisseur de 2501um. On place la bague de soudure préformée 10 sur la surface plane régulière 12 du bloc de refroidissement 14, et on place le couvercle 16 préchauffé sur la bague de soudure 10 de manière que leurs bords correspondants soient alignés. En quesques secondes, sensiblement toute la surface supérieure 20 de la bague de soudure fond, et l'alliage fondu s'écoule en contact d'étamage effectif avec des parties contiguës du couvercle plaqué d'or. Même si la bague de soudure n'a qu'une épaisseur de 50Pm, il n'y a pratiquement pas fusion de la face inférieure 18, et il n'apparaît aucune tendance à ce que la soudure colle au bloc de refroidisse- ment 14 lorsqu'on retire l'ensemble 22. Selon un autre exemple, on maintient le bloc de refroidissement 14 à la température ambiante, les autres condi- tions opératoires étant telles que définies ci-dessus. Environ 25%/ de la surface 20 de la bague de soudure se lient au couvercle 16 du conteneur. Le pourcentage de longueur de la bague de soudure qui est lié au couvercle peut être observé visuellement et peut faire l'objet d'essais par application d'un objet pointu entre la soudure et le couvercle. On obtient une liaison qui est efficace pour maintenir ensemble le couvercle et la soudure jusqu'à ce que ceux-ci soient fixés à un conteneur au cours d'une opération ulté- rieure, en liant un pourcentage aussi réduit que 2% de la longueur de la. bague au couvercle. On obtient une surface notablement plus liée que lorsqu'on fait fondre la bague de soudure en un nombre raisonnable de points à l'aide du procédé décrit dans le brevet cité n0 3 874 549. On peut lier pratiquement toute la longueur de la bague sans amener la forme de celle-ci à changer en prenant la forme d'un tas du type tension superficielle ou sans amener la soudure à s'écouler au-delà de l'aiiequi doit être alignée avec le bord du conteneur. Un bloc de refroidissement sur lequel une bague de soudure en alliage eutectique or-étain est placée peut être maintenu à n'importe quelle température inférieure au point de fusion de 280 C de l'alliage. Une température inférieure à 20O0C est préférée. Le Kovar ou alliage cobaltnickel-fer plaqué d'or doit être chauffé à au moins 315'C pour que l'on obtienne une liaison. On évite d'endommager le placage d'or en ne chauffant pas le couvercle au-delà de 5500C. Ainsi, la gamme de température comprise entre 315 et 550C est cruciale pour des couvercles en Kovar plaqués d'or. Une température plus élevée produit une durée de manipulation plus importante, tandis qu'une température infé- rieure évite les inconvénients qui pourraient résulter d'un chauf- fage excessif. Selon un mode d'opération préféré, on place le couvercle 16 sur un bloc qui est maintenu à une température com- prise entre 315 et 550C. On retire ensuite le couvercle et on le place sur la bague de soudure qui se trouve sur le bloc de refroi- dissement 14. L'alignement mécanique du couvercle et de la bague est réalisé pendant la mise en place. Une largeur de 0,5 à 1 mm est commode pour la bague de soudure. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel on place une bague de soudure préformée 10 sur la surface plane 12 d'un bloc de refroidissement 14, et on place le couvercle 16 sur le dessus de la bague de soudure 10 en alignant leurs bords correspondants. On laisse la bague de soudure et le couvercle 16, qui sont initialement à la température ambiante, venir jusqu'à la température du bloc de refroidissement, lequel est maintenu à une température qui se trouve suffisamment au-dessous du point de fusion de la soudure pour maintenir la face inférieure 18 de la bague de soudure 10 en deçà du point de fusion de la soudure lorsqu'on applique une chaleur appropriée au couvercle 16 pour faire fondre une partie notable de la face supé- rieure 20 de la bague de soudure. On peut chauffer le couvercle 16 par n'importe quel moyen convenable, par exemple en abaissant un bloc de chauffage 24 sur le couvercle 16. Comme précédemment, la soudure fondue se trouvant au niveau de la face supérieure 20 de la bague 10 s'écoule en contact de liaison avec des parties conti- gués du couvercle 16 de manière à former, après refroidissement, un ensemble de couvercle 22. Selon un exemple de ce mode de réalisa- tion, on place une bague de soudure 10 en alliage eutectique d'or et d'étain,initialement à température ambiante, sur un bloc de refroidissement en aluminium qui est maintenu à environ 1000C, et on place sur la bague de soudure 10 un couvercle 16.en Kovar plaqué d'or, également à température ambiante, de manière que leurs bords correspondants, soient alignés. On abaisse sur le couvercle 16 le bloc de chauffage 24, qui a été préchauffé à une température de 350'C à 450C. En quelques secondes, une partie notable de la face supérieure de la bague de soudure fond et s'écoule en contact de liaison avec des parties contiaués du couvercle en Kovar plaqué d'or. La face inférieure 18 reste dans l'état solide. Après dissi- pation d'une quantité suffisante de chaleur par le bloc 24 pour obtenir des températures inférieures au point de fusion de la soudure entre les faces, on retire du bloc de refroidissement 14 le bloc 24 et l'ensemble de couvercle 22. Environ 60% de la surface 20 de la bague de soudure sont liés au couvercle 16 du conteneur. Le fait de maintenir la face inférieure 18 de la bague de soudure 10 audessous du point de fusion de l'alliage dont est formée la soudure assure que la bague maintient sa forme pen- dant la fixation au couvercle. De la soudure fondue ne coule pas latéralement au-delà des limites de la bague préformée en risquant de contaminer un dispositif semi-conducteur qui se trouve à l'inté- rieur d'un conteneur auquel le couvercle est fixé. L'aire du contact de lia is o n entre l a b a g ue de s ou dur e et le couvercle est sensiblement plus importante que l'aire du contact de liaison qui peut commodément être obtenue par soudage par points. Aucun équipement sophistiqué n'est nécessaire, et l'on obtient une liaison rapide et peu onéreuse de la soudure à des couvercles de conteneurs. Alors que la description qui vient d'être donnée concerne principalement la fixation d'une soudure en alliage eutec- tique d'or et d'étain à des couvercles en Kovar plaqué d'or, le procédé de l'invention peut être appliqué à la fixation d'autres soudures à d'autres matériaux de couvercles. On place la bague de soudure sur un bloc que l'on maintient 4 une température inférieure au point de fusion de la bague, tandis que l'on chauffe le couvercle à une température qui est suffisamment élevée pour.que l'on obtienne une liaison, mais qui est suffisamment basse pour que l'on évite les effets non souhaitables de température tels qu'endommagement du placage du couvercle. Pour la fixation d'une bague de soudure en alliage plomb-indium-argent contenant environ 5% d'indium et environ 2,5% d'argerrt et présentant un point de fusion d'environ 305'C à un couvercle de Kovar plaqué d'or, on doit chauffer le couvercle à au moins 350C en ne dépassant pas 550C. Un couvercle de Kovar non plaqué peut être chauffé jusqu'à 600C sans dommages. On utilise des couvercles en alliage de cobal-nickel- fer (Kovar) principalement parce que cet alliage a un faible coef- ficient de dilatation. Un alliage fer-nickel contenant environ 42%- de nickel, que l'on connaît sous la désignation "alliage 42",plaqué d'or ou de nickel ou non plaqué, constitue également un matériau approprié pour former un couvercle. Un alliage eutectique plomb- étain à point de fusion de 1830C est également un matériau appro- prié pour former la soudure. Dans chaque cas, on place la bague de soudure préformée sur un bloc de matériau non adhérent que l'on maintient à une température inférieure au point de fusion de la soudure, tandis que l'on chauffe le couvercle à une température qui est supérieure au point de fusion de la soudure d'une quantité suffisante pour amener une liaison restant efficace pendant l'embal- lage et le transport des ensembles de couvercle destinés à être plus tard utilisés pour fermer des conteneurs renfermant des dispo- sitifs semi-conducteurs. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir des procédés dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Procédé de fixation d'une bague de soudure pré- formée.au couvercle d'un conteneur, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à placer ladite bague de soudure (10) sur une surface plane (12) d'un bloc de refroidissement (14) formé d'un matériau auquel la soudure n'adhère pas, à placer ledit couvercle (16) sur le dessus de la bague de soudure en réalisant l'alignement des bords périphériques, à chauffer le couvercle jusqu'à une tempé- rature supérieure au point de fusion de la soudure, tout en mainte- nant le bloc de refroidissement à une température située au-dessous du point de fusion de la soudure, si bien qu'une partie notable de la face supérieure (20) de la bague de soudure fond, tandis que le bloc de refroidissement maintient la température de la face infé- rieure (18) de la bague de soudure au-dessous du point de fusion de la soudure, la soudure fondue s'écoulant en contact de liaison avec des parties contiguës du couvercle, et à refroidir ladite bague de soudure de manière à faire solidifier la soudure fondue, de sorte que l'on obtient un ensemble de couvercle (22) constitué dudit couvercle et de la bague de soudure qui lui est fixée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on préchauffe le couvercle à une température supérieure au point de fusion de la soudure, puis on le place sur le dessus de la plaque de soudure de manière à faire fondre une partie notable de la face supérieure de la bague de soudure, et en ce que la soudure fondue se solidifie tandis que la température du couvercle passe au point de fusion de la soudure pour lier la bague de soudure au couvercle. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle se trouve à la température ambiante lorsqu'on le place sur le dessus de la bague de soudure, en ce qu'on applique alors un moyen de chauffage (24) au couvercle de façon à chauffer ce dernier jusqu'à une température supérieure au point de fusion de la soudure de façon que la soudure fonde au niveau de ladite face supé- rieure (20), et en ce que la soudure fondue se solidifie lorsqu'on retire le moyen de chauffage du couvercle et que la température du couvercle tombe au point de fusion de la soudure afin de lier la bague de soudure au couvercle. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle se trouve à la température ambiante lorsqu'on le place sur le dessus de la bague de soudure, en ce qu'on applique un moyen de chauffage (24) au couvercle de façon a chauffer celui-ci jusqu'à une température supérieure au point de fusion de la soudure de façon que la soudure fonde au niveau de ladite face supérieure (20), et en ce que la soudure fondue se solidifie tandis que la chaleur en excès du moyen de chauffage se dissipe et que la tempéra- ture du couvercle tombe au point de fusion de la soudure. - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que la bague de soudure est un alliage or-étain ayant un point de fusion de 280 C et en ce que le couvercle est un alliage cobalt-nickel-fer plaqué d'or. 6 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que la bague de soudure est un alliage or-étain possé- dant un point de fusion de 280 C, en ce que le couvercle est un alliage cobalt-nickel-fer plaqué d'or, en ce qu'on maintient le bloc de refroidissement entre la température ambiante et une tempé- rature inférieure à 280 C, et en ce qu'on chauffe le couvercle à une température comprise entre 315 C et 550 C. 7 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que la bague de soudure est un alliage plomb-indium- argent contenant environ 5% d'indium et environ 2,5% d'argent et possédant un point de fusion d'environ 305 C, et en ce que le cou- vercle est un alliage cobalt-nickel-fer plaqué d'or. 8 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que la bague de soudure est un alliage plomb-indium- argent contenant environ 5% d'indium et environ 2,5% d'argent et possédant un point de fusion d'environ 305 C, en ce que le couvercle est un alliage cobalt-nickel-fer plaqué d'or, en ce qu'on maintient le bloc de refroidissement entre la température ambiante et une tempé- rature inférieure à 280 C, et en ce qu'on chauffe le couvercle à une température comprise entre 350 C et 550 C. 9 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, caracté- risé en ce que la bague de soudure est un alliage plomb-indium- argent contenant environ 5% d'indium et environ 2,5% d'argent et possédant un point de fusion d'environ 305C, et en ce que le couvercle est un alliage cobalt-nickel-fer non plaqué. - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que la bague de soudure est un alliage plomb-indium- argent contenant environ 57% d'indium et environ 2,5%.d'argent et possédant un point de fusion-d'environ 3050C, en ce.que le couvercle est un alliage cobalt-nickel-fer non plaqué, en ce qu'on maintient le bloc de refroidissement entre la température ambiante et une température inférieure à 280'C, et en ce qu'on chauffe le couvercle à une température comprise entre 3500C et 6000C. 1l - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que le couvercle est un alliage fer-nickel non plaqué. 12 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que le couvercle est un alliage fer-nickel plaqué d'or. 13 - Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, carac- térisé en ce que le couvercle est un alliage fer-nickel plaqué de nickel.