Brevet FR2527837A1 — publié le 19831202

BOîTIER D'ENCAPSULATION D'UN DISPOSITIF SEMICONDUCTEUR FONCTIONNANT A TRES HAUTE TENSION, ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un boitier d'encapsulation pour semiconducteur, ce boitier étant adapté à un usage en très haute tension, c'est-a'- dire, à l'échelle des pastilles semiconductrices, des tensions de plusieurs milliers de volts. Dans le boitier selon l'invention, 'la pastille semiconductrice est isolée des parties métalliques du boitier, et, hormis les connexions de sorties, se trouve enfermée dans un boitier étanche totalement isolant, et sans aucune partie métallique dans l'épaisseur des parois du boitier. L'invention sera décrite en s'appuyant sur l'exemple d'une diode, mais elle s'applique à d'autres dispositifs semiconducteurs tels que les transistors, les thyristors ou les triacs par exemple. La réalisation du dispositif semiconducteur lui-même, c'est-à-dire de la pastille, supportant des tensions de l'ordre de 3 000 Volts en inverse entre anode et cathode par exemple est un problème connexe mais indépendant de la présente invention. Par contre, la tenue en tension de 10 000 Volts entre la pastille de semiconducteur, dont les régions actives sont volontairement court-circuitées, et l'embase métallique du boitier, ou bien la tenue de cette même tension entre les connexions de sorties et l'embase du boitier sont des problèmes qui appartiennent au domaine de l'invention. Parmi les semiconducteurs connus, ceux qui sont étudiés pour supporter les tensions les plus élevées sont les transistors, dont certains sont prévus jusqu'à 1 000 Volts, et les diodes et redresseurs, qui ne dépassent pas 1 700 Volts environ. Mais dans ce dernier cas, les pastilles sont souvent encapsulées dans un boitier en verre, constitué par un tube de verre dont les deux extrémités sont fondues et soudées sur les connexions de sorties. Ce type de boitier verre ne permet pas de dissiper de la puissance, tandis que le boitier selon l'invention permet de dissiper de la puissance, et à cet effet il comporte une embase métallique de dissipation de la chaleur dégagée et une dalle isolante, interposée entre la pastille semiconductrice et l'embase métallique.En outre, le boitier selon l'invention comporte deux faces supérieure et inférieure et un cadre d'épaisseur, ces trois pièces étant en matière isolante et scellées entre elles sans aucun métal, formant une enceinte étanche qui évite tout courant de fuite ou arc électrique jusqu'au delà de 10 000 Volts. Ceci est obtenu en remplaçant les brasures de fixation ou de fermeture d'un boitier céramique par un scellement verre qui n'initie pas de courant de fuite. De façon plus précise, l'invention concerne un boitier d'encapsulation d'un dispositif semiconducteur fonctionnant à très haute tension, rapporté par brasure sur un socle métallique de fixation et de dissipation thermique, ce boitier comportant une plaque de fond de boitier, un corps latéral et une plaque de couvercle de boitier et étant caractérisé en ce que, en premier lieu, le fond, le corps latéral et le couvercle sont en matériau isolant électrique de type céramique et, en second lieu, le fond et le couvercle sont fixés chacun à une extrémité du corps latéral par des scellements de verre, formant une cavité céramique étanche dont les seules parties métalliques qui la traversent sont les connexions d'accès au dispositif semiconducteur, ces connexions étant situées sur la face du boitier opposée à celle sur laquelle est brasée le socle métallique. L'invention et les avantages qui en découlent seront mieux compris par la description d'un exemple d'application, laquelle s'appuie sur les figures jointes en annexe et qui représentent: - figure 1 : un boitier d'encapsulation selon l'art connu, - figure 2 : un boitier d'encapsulation pour très hautes tensions selon l'invention. Comme cela a été précisé, l'invention sera décrite sur le cas d'une diode, ce qui permettra de clarifier le texte et de simplifier les figures. Cependant, la pastille semiconductrice encapsulée pourrait tout aussi bien être celle d'un transistor par exemple. La figure 1 représente un boitier d'encapsulation selon l'art connu, d'un type couramment utilisé avec les diodes PIN par exemple. Ce boitier est notamment constitué par un socle métallique 1, par un corps latéral 2, lequel fait fonction de cloison ou de cale d'épaisseur entre le socle métallique 1 et le couvercle 3 qui referme le boitier.Le corps latéral 2 et le couvercle 3 sont en matériaux isolants, tels que céramique, stéatite, alumine, oxyde de béryllium, et ces matériaux isolants seront par la suite du texte appelés, de façon générique, céramique. La pastille de semiconducteur 4 est fixée sur une dalle d'oxyde de béryllium 5, qui est un isolant électrique et un bon conducteur thermique, et elle est reliée à ses connexions de sorties 6 et 7 par l'intermédiaire de deux métallisations 8 et 9 déposées à la surface de la dalle d'oxyde de béryllium 5. La dalle d'oxyde de béryllium 5 est fixée à l'intérieur du boitier par une brasure 10 sur le socle métallique 1, tandis que les connexions de sorties 6 et 7 sont fixées par deux métallisations ou brasures 11 à travers le couvercle 3 du boitier. Eventuellement, et selon le type de boitier et de fixation, deux trous 12 pratiqués dans l'embase métallique permettent de positionner et de fixer la diode dans un système plus complexe. Les difficultés avec ce type de boitier., aux très hautes tensions, proviennent d'abord de la proximité de l'embase 1 et de la brasure 10 par rapport aux électrodes 6 et 7 et aux métallisations 8 et 9. En effet, il est d'usage courant que la dalle d'oxyde de béryllium, en raison des problèmes de brasure, d'encombrement de prix, soit la plus petite possible par rapport à la puce semiconductrice, ce qui fait que l'espace libre 13 entre la dalle d'oxyde de béryllium 5 et le corps latéral 2 devient gênant, cet espace libre dégageant l'embase métallique 1, et favorisant les courants de fuite ou les arcs électriques entre les métallisations proches 8 et 9 et la surface supérieure de l'embase métallique 1. En outre, le corps latéral 2 est brasé sur l'embase métallique 1 au moyen d'une première brasure 14, et il est également brasé sur le couvercle 3 au moyen d'une seconde brasure 15. Les techniques de brasures sur alumines ou céramiques sont bien connues et sortent du domaine de l'invention, mais il n'en reste pas moins qu'aux très hautes tensions il se forme une chaîne, un premier condensateur formé par la métallisation 11 comme première armature, l'isolant céramique du couvercle 3 comme diélectrique et la brasure 15 comme seconde armature, puis la brasure 15 comme première armature d'un deuxième condensateur, la céramique du corps 2 comme diélectrique et la brasure 14 comme seconde armature.La chaîne des deux condensateurs ainsi formée par trois brasures et deux diélectriques favorise, lorsque la tension différentielle entre une électrode 6 ou 7- et l'embase 1 atteint des valeurs telles que 3 000 à 10 000 Volts, un courant de fuite parallèlement à la diode encapsulée pouvant entraîner un claquage distinctif Le boitier selon l'invention apporte une solution à ces problèmes de courant de fuite et d'arcs électriques entre métallisations et embases métalliques, en réalisant un boitier qui constitue une enceinte d'où toutes brasures ou parties métalliques sont exclues dans l'épaisseur des parois de l'enceinte, hormis les métallisations de fixation des deux électrodes de sorties. La figure 2 représente un boitier selon l'invention, qui est d'un type comparable à celui qui a été décrit comme boitier connu, mais dont la réalisation permet de tenir des tensions telles que 10 000 Volts -même avec des dimensions petites. Le boitier selon l'invention comporte, comme le boitier selon l'art connu, une embase métallique 21 essentiellement destinée à la fixation, soit par soudure soit plus souvent par des trous 12, et à l'évacuation des calories dégagées par la pastille semiconductrice, car ce boitier est avant tout destiné à des semiconducteurs de puissance, qui par conséquent dégagent de l'énergie. La disposition à l'intérieur du boitier des objets tels que la pastille 4 semiconductrice, les métallisations 8 et 9 et les connexions de sorties 6 et 7 sont comparables à ce qui se fait selon l'art connu, et n'entre pas à proprement parler dans le domaine de l'invention. Ce qui différencie le boitier selon l'invention est que la dalle d'oxyde de béryllium 25, sur laquelle est fixée la pastille 4, a des dimensions telles qu'elle vient au contact du corps latéral 22, le contact étant assuré par l'intérieur du corps 22, disposition qui sera précisée par la suite. De son côté, le couvercle 23 du boitier vient également en contact avec -le corps latéral 22, de préférence au moyen d'un chanfrein qui permet au couvercle 23 de reposer sur une partie du corps latéral 22. La dalle d'oxyde de béryllium, qui fait fonction de partie inférieure du boitier, n'est pas brasée sur le corps latéral 22 mais y est fixée par un cordon de verre fondu 26. De la même façon, le couvercle 23 n'est pas brasé sur le corps latéral 22 mais lui est fixé par un scellement de verre 27, en tout point comparable au scellement de verre 26. La partie protectrice du boitier est donc constituée par un fond de boitier 25-en oxyde de béryllium, réuni par un scellement verre à un corps latéral 22, lui-même en céramique isolante et réuni à un couvercle 23 au moyen d'un second scellement verre 27. Ainsi, mis à part l'obligatoire sortie des connexions électro ques 6 et 7, il n'y a plus aucune partie métallique dans l'épaisseur des parois du boitier selon l'invention.Un certain nombre de détails de réalisation sont importants et méritent d'être explicités. En premier lieu, le fond de boitier 25 est préférentiellement en oxyde de béryllium puisqu'il est bien connu que ce matériau est à la fois un bon isolant électrique et un bon conducteur calorifique, mais, dans les cas où la puissance dissipée serait faible, ce fond de boitier pourrait également dans une variante de l'invention être en céramique telle que l'alumine par exemple.Par contre, il n'est pas intéressant du point de vue du coût du boitier que le corps latéral 22 ou le couvercle 23 soient en oxyde de béryllium: en effet, on recherche à éliminer les calories avant tout par le substrat de la pastille semiconductrice et par l'embase métallique, et la présence d'un corps latéral 22 et d'un couvercle 23 ne pourrait que participer à une dissipation des calories d'un côté opposé au côté du radiateur qui est celui de l'embase métallique 21, et ceci avec un mauvais rendement puisqu'il n'y a pas entre le corps latéral 22 et le couvercle 23 un contact direct avec le substrat du semiconducteur. Par conséquent, le corps latéral 22 et le couvercle 23 sont préférentiellement en alumine ou de façon plus générale en céramique bien qu'il puisse aussi être en verre. En second lieu, il a été dit que la dalle d'oxyde de béryllium 25 est scellée sur le corps latéral 22 par sa partie intérieure. En effet, on pourrait concevoir que le corps latéral 22 soit scellé sur l'embase 21, tout en étant en contact mécanique avec le fond de boitier 25, mais un tel contact métallique n'assure pas une étanchéité du boitier et un courant de fuite pourrait toujours avoir lieu entre les métallisations 8 et 9 et embase métallique 21. On pourrait également concevoir que le corps latéral 22 soit fixé par un scellement de verre sur la partie supérieure de la dalle d'oxyde béryllium 26 mais cette dernière disposition ne résiste pas au cours du fonctionnement du dispositif. En effet, lorsque la pastille semiconductrice commence à dissiper de la chaleur, la dalle d'oxyde de béryllium s'échauffe et se dilate linéairement davantage que le corps latéral-22 et le scellement verre se fend par cisaillement après très peu de temps de fonctionnement.Au contraire, avec la disposition de la figure 2, la dalle d'oxyde de béryllium 25 travaille en compression par rapport au corps latéral 22 et, bien que les coefficients de dilatation ne soient pas les mêmes, les dimensions de ce boitier et l'épaisseur du corps latéral 22 sont telles que le boitier résiste aux forces de compression exercées par la dalle d'oxyde de béryllium en dilatation: le scellement verre est intact après de nombreuses heures de fonctionnement du dispositif. Enfin, le couvercle 23 pourrait reposer sur le corps latéral 22 de la même façon que, en figure 1, le couvercle 3 repose sur le corps latéral 2. En fait, la réalisation du boitier est plus aisée si le couvercle 23 vient s'insérer dans une gorge du corps latéral 22, le ruban de verre 27, en poudre avant le scellement, étant plus facilement amené à la fusion selon cette disposition. Le boitier selon l'invention comporte également, comme cela a été dit, un socle métallique 21 brasé en 10 sur le fond 25 du boitier; ce socle 21 est avantageusement chanfreiné en prévision d'inégalités possibles dans la fixation du fond de boitier 25 sur le corps latéral 22 ou de coulure de verre qui ont eu lieu lors du scellement 26. Il comporte également une lame 28 de tungstène ou de molybdène (demande de brevet 79 11023 de la Demanderesse) brasée sur la face opposée à celle qui supporte le boitier isolant, afin d'éviter les contraintes et les déformations au cours du fonctionnement. Enfin, le boitier est achevé par soudure ou brasure des connexions extérieures 6 et 7 dans les métallisations 11. Pour donner un ordre d'idée sur les dimensions d'un tel boitier fonctionnant jusque 10 000 Volts entre pastille et embase, mais sans que ceci n'apporte quelque limitation que se soit à l'invention, le boitier a un diamètre intérieur de l'ordre de 14 mm, une hauteur - sur la seule partie céramique 22 - de l'ordre de 8 à 10 mm, et un écartement entre -les connexions extérieures 6 et 7 de l'ordre de 7 à 8 mm. La réalisation d'un tel boitier comporte la suite des opérations suivantes: - sérigraphie des métallisations 8 et 9 et de la face arrière, en vue de la brasure 10, sur le fond de boitier 25, qui comme il a été dit est préférentiellement en oxyde de béryllium. Les métallisations sont des métallisations molybdène-manganèse ou nickel-or. - Enverrage de la périphérie du fond de boitier 25 par une pâte de verre à haute température, ce verre étant proche de la silice Si02. Cet enverrage se fait selon les techniques de sérigraphie par exemple. - Enverrage de la périphérie intérieure du corps latéral 22, sur une hauteur correspondant à l'épaisseur du fond de boitier 25. Cet enverrage peut se faire également par des techniques proches de la sérigraphie ou par dépôt d'une pâte de verre à la roulette ou au pinceau. - Assemblage du fond de boitier 25 sur le-corps latéral 22 par fusion du verre dans un four, à une température fonction de la nature# du verre utilisé. - Brasure de la pièce obtenue - constituée par le fond de boitier et le corps latéral - sur le socle 21, et montage de la pastille semiconductrice 4 sur sa métallisation 8, ainsi que les connexions externes 6 et 7 sur leur métallisation 8 et 9. - Fermeture du boitier par scellement du couvercle 23 sur le corps latéral 22 au moyen d'un scellement verre 27. Pour effectuer ce scellement 27, le couvercle 23 reçoit d'abord un enverrage sur sa périphérie, exactement de la même façon -que le fond de boitier 25 avait reçu un enverrage sur sa périphérie. Ensuite, le corps latéral 22 reçoit également un enverrage sur la partie de l'alésage qui correspond au couvercle 23. Les deux couches enverrées, face à face, du corps latéral 22 et du couvercle 23 sont alors amenées à fusion pour assurer la fermeture du boitier soit par une spire chauffante, disposée autour du boitier, soit par un rayonnement laser défocalisé, soit encore par la flamme d'un microchalumeau. - En outre, le boitier selon l'invention a été au moment opportun, rempli de matière isolante telle qu'une résine de silicone, de façon à éviter les arcs à l'intérieur du boitier et à améliorer sa tenue en tension. Le boitier selon l'invention a été décrit sur l'exemple d'une diode de puissance mais il est évident pour l'homme de l'art que le nombre de connexions de sorties n'est pas limitatif et que d'autres dispositifs semiconducteurs comportant un plus grand nombre d'électrodes de sorties entrent dans le domaine de l'invention; dans le cas de 3 ou 4 électrodes de sorties, les dimensions du boitier devraient être adaptées de façon à éviter les arcs entre les connexions de sorties. De façon plus générale, l'invention est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Boitier d'encapsulation d'un dispositif semiconducteur (4) fonctionnant à très haute tension, rapporté par brasure (10) sur un socle métallique (21) de fixation et de dissipation thermique, ce boitier comportant une plaque de fond de boitier (25), un corps latéral (22) et une plaque de couvercle de boitier (23) et étant caractérisé en ce que, en premier lieu, le fond (25), le corps latéral (22) et le couvercle (23) sont en matériau isolant électrique de type céramique et, en second lieu, le fond (25) et le couvercle (23) sont fixés, chacun à une extrémité du corps latéral (22), par des scellements de verre (26, 27), formant une cavité céramique étanche dont les seules parties métalliques qui la traversent sont les connexions d'accès (6, 7) au dispositif semiconducteur (4), ces connexions étant situées sur la face du boitier opposée à celle sur laquelle est brasée le socle métallique. 2. Boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond de boitier (25) est scellé par sa périphérie sur la face intérieure du corps latéral (22), le scellement de verre (26) travaillant en compression sous les contraintes thermiques. 3. Boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (23) est scellé par sa périphérie sur une face en regard d'un alésage pratiqué dans le corps latéral (22) au moyen d'un scellement de verre (27). 4. Boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond de boitier (25) est en oxyde de béryllium. 5. Boitier d'encapsulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que corps latéral (22) et le couvercle (23) sont en céramique parmi: oxyde de béryllium, alumine, stéatite et éventuellement en verre. 6. Procédé de fabrication d'un boitier d'encapsulation pour dispositif semiconducteur fonctionnant à très haute tension, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - dépôt sur la première face du fond de boitier (25) des métallisations (8, 9) de report du composant (4), et, sur la seconde face, de la métallisation (10) de brasure sur un socle (21), - dépôt sur la périphérie du fond de boitier (25) d'une pâte de verre à haute température, type silice, - dépôt sur la périphérie intérieure du corps latéral (22) d'une pâte de verre, sur une largeur équivalente à l'épaisseur du fond de boitier (25), - assemblage du fond de boitier (25) sur le corps latéral (22) par fusion du verre (26) dans un four, - brasure (10) du fond de boitier (25) sur un socle métallique (21), - report sur les métallisations (8, 9) du fond de boitier (25) des connexions d'accès extérieur (6, 7) et du dispositif semiconducteur (4), et remplissage du boitier par une matière isolante du type résine polymère, - dépôt sur la périphérie du couvercle (23) d'une pâte de verre, - dépôt sur la périphérie de l'alésage du corps latéral (22) d'une pâte de verre, - assemblage du couvercle (23) sur le corps latéral (22) par fusion du verre (27), - brasure (11) des connexions d'accès extérieur (6, 7) à travers le couvercle (23).