Brevet FR2525815A1 — publié le 19831028

SUBSTRAT COMPOSITE A HAUTE CONDUCTION THERMIQUE ET APPLICATION AUX BOITIERS DE DISPOSITIFS SEMICONDUCTEURS L'invention a pour objet un substrat composite à haute conduc- tion thermique, notamment applicable à la fabrication de boîtiers pour composants ou circuits électroniques réalisés sur une pastille de matériau semiconducteur. Les composants ou circuits électroniques de ce type sont habituellement enfermés dans un boîtier, comportant un socle, ou substrat, et un capot appliqué hermétiquement sur le socle, ce dernier ou la jonction capotsocle laissant passer les connexions de sortie du circuit. Ainsi qu'il est connu, la dissipation thermique de ces circuits sous bottier crée des difficultés, notamment dans le cas des circuits intégrés à grande échelle et des composants de puissanoe, o la dissipation est particulièrement importante Les principales con- traintes auxquelles doit répondre un tel boîtier sont les suivantes: le coefficient de dilatation thermique du substrat doit être aussi proche que possible de celui du semiconducteur utilisé; les éléments constitutifs du bottier, et tout particulièrement son substrat, doivent avoir une conduction thermique aussi élevée que possible afin de permettre l'évacuation des calories; le substrat doit être électriquement isolant, au moins partiellement, afin d'éviter tout court-circuit entre les connexions de sortie du circuit; dans cer- taines applications, il est même nécessaire que le substrat soit totalement isolant. Il est connu dans oette optique de réaliser un tel substrat en oxyde de béryllium: en effet, ce matériau est électriquement isolant, il a un coefficient de dilatation proche de celui du silicium et il présente une bonne conduction thermique Toutefois, il s'agit d'un matériau très toxique, dont la production industrielle et la manipulation posent de nombreux problèmes de sécurité et, en conséquenoe, il est de plus rare et onéreux. La présente invention a pour objet un substrat au moins partiellement isolant électrique, présentant les propriétés ther- miques requises et n'ayant pas les inconvénients de l'oxyde de béryllium. Plus précisément, l'invention a pour objet un substrat compo- site à haute conduction thermique, comportant: un matériau électriquement isolant sensiblement en forme de plaquette alvéolée; un matériau thermiquement conducteur, placé dans les alvéoles précédentes. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées, qui représentent: la figure 1, une vue en perspective d'un premier mode de réalisation du substrat selon l'invention, et la figure la, une variante d'un détail de la figure 1; la figure 2, une vue en coupe d'un second mode de réalisation du substrat selon l'invention; la figure 3, une variante de la figure 2; la figure 4, une vue en coupe d'un troisième mode de réalisation du substrat selon l'invention; la figure 5, une variante de la figure précédente; la figure 6, une vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation du substrat selon l'invention; la figure 7, une variante de la figure précédente; la figure 8, une autre variante de la figure 6; la figure 9, une vue en coupe d'un premier mode d'application du substrat selon linvention à la fabrication d'un bottier de dispositif semiconducteur; la figure 10, une vue en coupe d'un deuxième mode d'appli- cation du substrat selon Pinvention à la fabrication d'un boîtier de dispositif semiconducteur. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rap- portent aux mêmes éléments. La figure l représente donc un premier mode de réalisation du substrat selon Pinvention. Ce substrat se présente sensiblement sous la forme d'une plaquette 10, munie d'alvéoles 20 en forme de trous la traversant, par exemple cylindriques et de section circulaire. La plaquette 10 est réalisée en un matériau électriquement isolant, par exemple de l'alumine qui est un matériau bon marché et présente l'avantage d'avoir un coefficient de dilatation proche de celui du silicium, qui est le matériau semiconducteur le plus couramment employé à l'heure actuelle dans l'industrie des compo- sants électroniques On peut utiliser de l'alumine pure ou un matériau standard qui contient 94 % ou 96 % d'alumine, le reste étant constitué de verre comportant de l'oxyde de titane, de magnésium ou de silicium. Les trous 20 sont remplis d'un matériau thermiquement bon conducteur, désigné par commodité par le même repère que le trou dans lequel il est placé Ce matériau peut être du cuivre, de l'aluminium, un matériau réfractaire comme du tungstène, un alliage de molybdène et manganèse ou molybdène et tungstène, ou encore de l'argent, la fonction du matériau 20 étant d'augmenter la conduc- tivité thermique du substrat composite obtenu par rapport à celle de la plaquette 10 seule Il est à noter que, dans le cas o le matériau 20 est de l'aluminium, celui-ci s'oxyde pour former un isolant électrique, qui permet d'obtenir un substrat composite iso- lant. Les trous 20 sont disposés en lignes ou en quinconces, et leur densité est déterminée, en fonction des matériaux choisis pour la plaquette et le matériau de remplissage des trous, par un compromis entre une conduction thermique maximum, c'est-à-dire une densité de trous maximum, et la compatibilité des caractéristiques ther- miques des matériaux 10 et 20 entre elles et avec celles du matériau semiconducteur En effet, ainsi qu'il est connu (principe de perco- lation), la présence du matériau 20 implique un coefficient de dilatation global du substrat composite légèrement supérieur à celui du matériau 10 seul; ce phénomène croît d'abord lentement puis plus rapidement avec la proportion du matériau 20 dans le subs- trat 10, jusqu'à un seuil après lequel il y a destruction du substrat composite en cas d'élévation de température, seuil en deçà duquel il faut donc rester De plus, le substrat, comme il a été indiqué ci- dessus, doit avoir globalement un coefficient de dilatation qui reste proche de celui du composant semiconducteur qu'il est destiné à recevoir Enfin, il est souhaitable que le substrat ait une épaisseur suffisante pour assurer une tenue mécanique satisfaisante, notam- ment lorsqu'il est destiné à recevoir un circuit de relativement grandes dimensions ou bien plusieurs circuits Plus généralement, les formes et dimensions de la plaquette et des alvéoles sont déter- minées par le calcul des flux thermiques dans chaque maille du réseau ainsi formé. A titre d'exemple, il a été réalisé un substrat selon l'invention à Paide d'une plaquette 10 en alumine 96 %, d'épaisseur normalisée 0,635 mm, avec des trous 20 dont le diamètre est compris entre 0,8 et 2 mm, les trous étant alignés à un pas compris entre 1 et 4 mm et remplis de cuivre. Un substrat selon l'invention peut être obtenu de la façon suivante: coulage d'une feuille d'alumine, de toute façon connue; estampage de cette feuille, relativement souple, de façon à obtenir des morceaux de petites dimensions comportant les trous 20; dépôt du matériau conducteur dans les trous 20, par séri- graphie par exemple, lorsque ce matériau est constitué par l'un des métaux réfractaires cités ci-dessus; cuisson de l'alumine (entre 1450 et 1650 'C). Lorsque le matériau conducteur 20 choisi n'est pas un métal réfractaire, on opère dabord la cuisson de l'alumine et ensuite le dépôt du matériau 20. Un autre procédé consiste à réaliser des feuilles d'alumine par pressage d'une poudre, ce qui permet d'obtenir les trous lors de la même étape qui remplace donc les deux premières étapes précé- dentes. La figure la représente le détail d'une variante de réalisation des alvéoles dans la plaquette isolante 10. Cette alvéole, notée 23, est également de forme cylindrique, débouchant sur les deux faces de la plaquette 10, mais ici de section hexagonale. L'avantage de cette forme est l'amélioration de la résistance mécanique de l'ensemble, éventuellement au prix d'une légère com- plication de la réalisation. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du substrat selon l'invention. Dans cette version, le substrat se compose d'une plaquette Il analogue à la plaquette 10 de la figure 1, c'est-à-dire percée de trous 20 remplis d'un matériau à bonne conduction thermique, sur Pune des faces de laquelle est placée une couche 12 isolante, d'épaisseur (e 1) faible par rapport à l'épaisseur de la plaquette 11, et ne comportant pas de trous La couche 12 peut être réalisée par exemple par sérigraphie d'une couche de verre comportant les oxydes précédents; elle peut être également constituée du même matériau que celui du substrat, par exemple de l'alumine, les deux plaquettes étant frittées ensemble (par exemple lors de la cuisson de l'alumine) L'intérêt d'utiliser de l'alumine pour la couche 12 est que la conductivité thermique de l'alumine est meilleure que celle du verre. Dans ce mode de réalisation et les suivants, quel que soit le matériau de remplissage des alvéoles, le substrat résultant est de plus électriquement isolant, ce qui est nécessaire dans certaines applications, comme semiconducteurs de puissance ou circuits hy- brides, et ce, par rapport à la figure 1, au prix d'un accroissement de la résistance thermique qui est d'autant plus faible que l'épaisseur (e 1) de la couche 12 est faible A titre d'exemple, le rapport des épaisseurs dans le cas o la plaquette 11 est en alumine et la couche 12 en verre peut être compris entre 15 et 25, et dans le cas de deux plaquettes d'alumine, de l'ordre de 12, dans le cas d'une même épaisseur de la plaquette 11. A titre d'exemple, on a illustré sur le mode de réalisation de la figure 2 le montage d'un dispositif semiconducteur 32, qui est collé ou de préférence brasé (couche 31) sur une métallisation (couche 30) réalisée sur la face supérieure de la plaquette 11 La face inférieure de la couche 12 porte, toujours à titre d'exemple, un radiateur 34 afin d'améliorer l'évacuation de la chaleur, fixé par l'intermédiaire d'une métallisation 33 Les métallisations 30 et 33 sont, de préfé- rence, réalisées dans le même métal que celui qui remplit les alvéoles 20. La figure 3 représente une variante de la figure précédente. Le substrat se présente ici sous la f orme d'une plaquette unique 13 dans laquelle sont réalisés des alvéoles en forme de trous borgnes 25, qui affectent l'une des formes décrites ci-dessus pour les trous 20, et qui laissent subsister une épaisseur de plaquette e analogue à, et ayant la même fonction que l'épaisseur e 1 de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, les trous borgnes 25 sont de préférence réalisés dans l'alumine non cuite, par poinçonnage par exemple, puis ils sont remplis dun matériau bon conducteur ther- mique avant ou après la cuisson. La figure 4 représente un troisième mode de réalisation du substrat selon l'invention. Le substrat se présente ici sous la forme de trois couches distinctes: les deux premières sont la plaquette 11 portant les trous 20 et la couche 12 représentées sur la figure 2, et la troisième est une plaquette 14 analogue à la plaquette Il (ou à la plaquette 10 de la figure 1), mais dont les trous, repérés 21, sont décalés par rapport aux trous 20 de la plaquette 11, soit sur la même ligne comme représenté sur la figure 4, soit encore en quinconce par rapport aux trous 20. Dans ce mode de réalisation, les plaquettes Il et 14 sont de préférence en alumine et la couche 12 peut être comme décrit figure 2 soit en verre soit en alumine également, l'ensemble pouvant dans ce dernier cas être cuit en une même opération assurant la tenue mécanique. La couche 12 peut également être réalisée par l'épaisseur résiduelle e 1 de la plaquette 13 comme illustré sur la figure 3. La figure 5 représente une variante de la figure 4. Dans cette variante, également en trois couches, on retrouve la plaquette Il et la couche 12, une plaquette 15 étant fixée à la couche 12, et portant des trous repérés 22, analogues aux trous 20 mais disposés oette fois dans l'alignement des trous 20. La figure 6 représente un quatrième mode de réalisation du substrat selon l'invention. Ce substrat se présente sous la forme d'une plaquette 17 d'épaisseur et de matériau analogues à ceux de la plaquette 10 de la figure 1, dans laquelle ont été réalisées des alvéoles, en forme de trous borgnes 23 sur chacune de ses faces, disposées de sorte qu'elles e soient pas en contact Comme précédemment, ces alvéoles 23 sont remplies avec un matériau conducteur. La figure 7 représente une variante de la figure précédente dans laquelle les alvéoles 23 sont réalisées dans une plaquette isolante de telle sorte que leurs fonds soient alignés (selon un axe XX sur la figure). L'avantage de cette variante réside notamment dans la facilité de fabrication En effet, le substrat peut être fabriqué par assem- blage de deux plaquettes telles que 10, repérées 18 et 19, dans chacune desquelles on réalise des trous qui débouchent sur les deux faces, les deux plaquettes étant ultérieurement assemblées, par co- cuisson par exemple. La figure 8 représente une variante des figures 6 et 7 précé- dentes, concernant la forme des alvéoles. Dans cette variante, les alvéoles maintenant repérées 24 sont tronconiques, à base circulaire, rectangulaire ou hexagonale, la base étant située vers l'extérieur du substrat Comme précédemment, le substrat peut être constitué par une seule couche ou, comme représenté sur la figure, par deux couches 18 et 19, les trous 24 étant réalisés séparément sur chacune des couches qu'ils traversent. A titre d'exemple, le substrat dans ce quatrième mode de réalisation peut avoir une épaisseur de l'ordre de 0,6 mm, le diamètre des alvéoles ( 23 ou 24) étant compris par exemple entre 0,6 et 1 mm et leur pas (noté p sur la figure 8), entre 1 et 1,4 mm. Le substrat selon l'invention peut être appliqué par exemple à la réalisation de substrat pour circuits hybrides de puissance ou de boîtiers pour composants semiconducteurs de puissance ou circuits intégrés à grande échelle. La figure 9 représente un mode d'application du substrat selon l'invention à la réalisation d'un boîtier de type "chip carrier" pour un dispositif semiconducteur, qui se caractérise essentiellement par le fait que les connexions de sortie sont formées par de simples métallisations, et non par des broches. Ainsi qu'il est connu, ces boîtiers doivent être hermétiques et permettre autant que possible l'évacuation des calories dissipées par le semiconducteur. Sur cette figure, on retrouve le substrat selon l'invention, par exemple dans sa version de la figure 8, désigné par le repère général 1 et constituant le socle du bottier Celui-ci porte donc des alvéoles 24 remplies d'un matériau conducteur, réparties en quin- conce seulement au niveau du dispositif semiconducteur 32 Dans une variante (non représentée), il est possible de réaliser les alvéoles 24 sur la totalité du substrat 1. Le boîtier se présente sous la forme classique d'un socle trois couches, c'est-à-dire que le semiconducteur 32 est fixé (par brasure ou collage) sur le fond métallisé 30 du substrat 1, les bords de ce substrat se surélevant à sa périphérie successivement en deux niveaux repérés 41 et 42 Sur le dernier niveau ( 42) est placé un capot 43, en général métallique, fixé de façon hermétiquue, en général par brasure ( 44), sur le niveau 42 du substrat 1. La périphérie du substrat 1 comporte des demi-trous 47, placés de telle sorte qu'une métallisation 45 déposée sur le niveau 41 puisse, par l'intermédiaire de ces demi-trous, sortir vers la partie inférieure du substrat 1, o elle constitue une connexion de sortie du dispositif 32 A titre d'exemple, la coupe de la figure est réalisée au niveau de ces connexions 45 Enfin, des fils de connexion 46 relient les points de sortie du dispositif semiconducteur 32 aux métalli- sations 45. Ainsi qu'il est connu, les trois niveaux du substrat l sont en général obtenus par co-cuisson de trois plaquettes d'alumine; il est donc préférable que soit déposé au préalable dans les alvéoles 24 un matériau compatible avec les conditions de cuisson, tel que Pun des matériaux réfractaires mentionnés plus haut. La figure 10 représente un deuxième mode d'application du substrat selon l'invention à la constitution d'un bottier pour dispositif semiconducteur, également du type "chip carrier". l Dans ce mode de réalisation, le substrat, globalement repé- ré 2, ne présente qu'un seul niveau et, à titre d'exemple, il présente des alvéoles telles que décrites figure 8, et oe encore à titre d'exemple, sur toute sa longueur Comme précédemment, le dispo- sitif semiconducteur 32 est fixé, par brasure ou collage, sur le fond métallisé 30 du substrat 2 Sur les bords du substrat 2 sont réalisés des demi-trous 47 comme sur la figure 9, permettant aux connexions de sortie 45 d'entourer le substrat 2 Comme précédemment éga- lement, des fils 46 font la jonction électrique entre les sorties du dispositif 32 et les connexions 45 Le dispositif se termine par un capot 48 qui est en général réalisé en céramique et qui est soudé par l'intermédiaire d'un dépôt sérigraphique de verre, repéré 49, s'éten- dant sur toute la périphérie du substrat 2 au niveau des conne- xions 45. Dans ce mode, contrairement au précédent, le matériau à bonne conductivité thermique peut être déposé dans les alvéoles 24 avant ou après cuisson de la plaquette d'alumine. Il est à noter que, dans l'un ou l'autre des modes de réalisation de bottier, les demi-trous 47 peuvent être réalisés en même temps, le cas échéant, que les trous destinés à constituer les alvéoles 24. Linvention n'est pas limitée aux exemples donnés ci-desssus. C'est ainsi notamment que l'on a décrit l'application du substrat selon l'invention à la réalisation de boîtiers du type "chip carriers" à un ou trois niveaux mais elle peut être appliquée également à tout type de bottier connu à un, deux ou trois niveaux, métallique ou céramique, du type CERDIP, ou DIL Dans tous les cas, il permet dans ces bottiers une excellente évacuation thermique. REVENDICATIONS l Substrat composite à haute conduction thermique, carac- térisé par le fait qu'il comporte: un matériau électriquement isolant sensiblement en forme de plaquette alvéolée; un matériau thermiquement conducteur, placé dans les alvéoles précédentes. 2 Substrat selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les alvéoles sont de forme cylindrique, de section circulaire ou hexagonale. 3 Substrat selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que les alvéoles traversent toute l'épaisseur de la plaquette. 4 Substrat selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus une couche électriquement isolante, dont l'épaisseur est faible devant celle de la plaquette, fixée sur l'une des faces de la plaquette. Substrat selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus une deuxième plaquette alvéolée, dont les alvéoles traversent toute l'épaisseur de la plaquette et sont remplies d'un matériau thermiquement conducteur, la deuxième plaquette étant fixée sur la couche isolante. 6 Substrat selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les alvéoles sont en forme de trous borgnes pratiqués sur l'une des faces de la plaquette. 7 Substrat selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les alvéoles sont en forme de trous borgnes, pratiqués sur les deux faces de la plaquette de sorte qu'ils ne soient pas en contact les uns avec les autres. 8 Substrat selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que les trous borgnes sont de forme cylindrique, de section circulaire ou hexagonale. 9 Substrat selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les trous borgnes sont de f orme tronconique à base circulaire, rectangulaire ou hexagonale, la base étant située vers l'extérieur de la plaquette. 10 Substrat selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'il est obtenu à partir de deux plaquettes percées chacune sur toute son épaisseur, les deux plaquettes étant ensuite assemblées de sorte que les trous soient sans contact les uns avec les autres. 11 Substrat selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que le matériau électriquement isolant comporte principalement de l'alumine. 12 Substrat selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé par le fait que le matériau thermiquement conducteur com- porte au moins l'un des corps suivants: cuivre, aluminium, tungs- tène, molybdène, manganèse, argent. 13 Boîtier de dispositif semiconducteur, comportant un socle portant le dispositif, un couvercle fixé de façon hermétique sur le socle, et des connexions de sortie, électriquement reliées au dispo- sitif et traversant le socle ou la fixation précédents, oe boîtier étant caractérisé par le fait que le socle est constitué à partir d'un substrat selon l'une des revendications précédentes. 14 Bodtier selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le matériau électriquement isolant a un coefficient de dilatation thermique proche de èlui du semiconducteur.