Brevet FR2539249A1 — publié le 19840713

JAC/THI 2539249 BOITIER A DISSIPATION THERMIQUE ELEVEE NOTAMMENT POUR MICROELECTRONIQUE La présente invention a pour objet un boîtier à dissipation thermique élevée notamment pour microélectronique. On sait que l'évolution actuelle des circuits intégrés et des circuits hybrides conduit à des dissipations thermiques par unité de surface qui ne cessent de croître. L'évacuation des calories ainsi produites doit se faire par l'intermédiaire du boîtier sur lequel le ou les circuits sont montés. Il est alors essentiel que le boîtier assure une résistance thermique optimale pour que celui-ci soit susceptible d'assurer l'évacuation d'un nombre élevé de calories par unité de surface de substrat (à titre d'exemple, des résistances thermiques aussi faibles que 1 C/W sont souhaitables). On connaît ainsi des boîtiers hermétiques couramment disponi- bles et qui sont constitués d'un corps ou cuvette en alliage Fe-Ni-Co sur lequel sont scellées avec un verre borosilicate des traversées également en alliage Fe-Ni-Co Un substrat est collé ou brasé sur le fond du boîtier qui, du fait qu'il est en alliage Fe-Ni-Co, est un mauvais dissipateur thermique. La présente invention concerne donc un boîtier à dissipation thermique élevée pouvant-être particulièrement utilisé pour les circuits intégrés et/ou hybrides de micro-électronique et qui pré- sente une résistance thermique optimale compatible avec une dimi- nution de la-dimension de boîtiers. L'invention concerne ainsi un boîtier à dissipation thermique élevée caractérisé en ce qu'il comporte un fond métallique en matériau bon conducteur de la chaleur sur lequel est rapporté par brasure dure un cadre métallique supportant des connexions par l'intermédiaire de traversées isolantes du type perle de verre, le matériau du cadre et celui du fond étant choisis de manière telle que leurs coefficients de dilatation thermique soient voisins au moins sur une partie importante de la gamme de température 2539249. moins sur une partie importante de la gamme de température s'étendant depuis l'ambiante jusqu'à la température de soudure de la brasure dure de telle sorte que le fond du boîtier ne présente pas de défaut de planéité après refroidissement. Le matériau constituant les perles de verre a avantageusement un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à celui constituant le cadre métallique. Selon une première variante au moins un des matériaux est magnétique et les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux sont voisins depuis l'ambiante jusqu'à la température de Curie du ou des matériaux magnétiques. Le fond peut être ainsi en molybdène et le cadre en alliage Fe- Ni-Co La brasure dure peut comporter en masse 72 % d'argent et 28 % de cuivre Les traversées isolantes peuvent être en verre borosilicate et les connexions être des broches en Fe-Ni-Co. Le fond peut être également en oxyde de bérylium et le cadre en alliage Fe-Ni avec une teneur en Ni comprise entre 42 et 54 % en poids La teneur en Ni est de préférence égale à 50 % La brasure dure peut être choisie parmi l'Ag-Cu et l'Ag-Cu-In Les traversées isolantes peuvent être en verre sodocalcique et les connexions être de broches en alliage Fe-Ni La teneur en Ni des broches est de préférence la même que celle du cadre métallique. Selon une deuxième variante, le fond est en cuivre et le cadre en acier inox, c'est-à-dire en des matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique voisins depuis l'ambiante jusqu'à la tempéra- ture de soudure de la brasure dure, par exemple du Ni-Au Les traversées isolantes peuvent être en verre sodocalcique et les connexions peuvent être des broches en alliage Fe-Ni. L'invention concerne également un boîtier tel que défini ci- dessus et comportant au moins un substrat brasé sur le fond à l'aide d'une brasure dure dont la température de brasage est inférieure à celle de la brasure utilisée pour le brasage du cadre métallique sur le fond, par exemple de l'Au-Sn qui est la brasure dure dont la température de fusion est la plus faible, ou à l'aide d'une brasure 2539249. tendre à température de fusion élevée, par exemple du Sn-Pb-Ag ou du Pb-Ag. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, en relation avec les dessins annexés qui représentent: la figure la et lb, un boîtier selon l'invention respectivement en vue de côté et en vẻ de dessus, la figure Ic, la vue de gauche du boîtier de la figure la, la figure ld, un détail de la figure lc. Le boîtier selon l'invention comporte un fond 1 en matériau bon conducteur thermique sur lequel est brasé un cadre 2 compor- tant des côtés longitudinaux 3 sur lesquels sont scellées des conne- xions 5 par des perles de verre, et des côtés transversaux 4 Les matériaux aptes au scellement n'étant pas très bons conducteurs thermiques, l'utilisation d'un fond rapporté est avantageuse sur le plan thermique Le cadre 2 (voir figure ld) est brasé en 10 sur le fond 1 et présente à cet effet des dimensions extérieures plus grandes que celles du fond 1 de manière à produire des décro- chements en saillie référencés 12 sur les côtés longitudinaux 3, et 11 sur les côtés transversaux 4 On notera que les côtés transversaux 4 présentent à cet effet deux pans inclinés 8, les côtés latéraux 4 étant, comme représentés, distants l'un de l'autre à leur partie supérieure d'une distance inférieure à la longueur du fond 1. Les connexions 5 se présentent sous la forme de broches dont chacune est maintenue en position par une traversée isolante 6 On utilise classiquement à cet effet une perle de verre Chaque broche 5 présente une partie 15 dépassant à l'extérieur du boîtier et qui se termine par une ogive 7, et une partie 9 dépassant à l'inté- rieur du boîtier et présentant une fente 16 destinée à la soudure d'un fil de connexion du ou des circuits dont doit être muni le boîtier. Après montage d'un ou plusieurs substrats ( 20) sur le boîtier, un couvercle non représenté est soudé ou brasé sur le cadre 2 de manière à rendre le boîtier hermétique La brasure peut être réalisée classiquement en intercalant une préforme en alliage fusible. On rappellera que la température de fonctionnement maximale d'une puce semi-conductrice d'un substrat étant nominalement de l'ordre de 120 à 130 C, il n'existe pas de problème de tenue en température des brasures du boîtier après sa mise en service. Selon l'invention, le cadre 2 est brasé sur le fond par une brasure dure Une brasure dure est définie comme une brasure présentant après refroidissement uniquement des déformations élas- tiques et pratiquement pas ou pas de déformation plastique Ces brasures sont en général réalisées à des températures relativement élevées à l'exception toutefois de la brasure Au-Sn comprenant 80 % d'or et 20 % d'étain et qui se soude à partir de 280 C Une brasure tendre est une brasure en général à base d'étain-plomb (Sn-Pb) dont le module d'Young est faible, et qui peut de ce fait subir des déformations élastiques et des déformations plastiques. Un tel boîtier est destiné à recevoir un ou plusieurs substrats fixés sur celui-ci par brasage Or, d'une part la brasure du ou des substrats sur le fond du boîtier doit s'effectuer de manière à éviter la refusion de la brasure entre le fond et le cadre et d'autre part, la demanderesse a constaté que les brasures dures ont une meilleure conductivité thermique que lés brasures tendres, et parmi les brasures tendres, les meilleures propriétés thermiques sont le fait de brasures qui présentent une température de fusion élevée. L'optimisation de la conduction thermique substrat-fond du boîtier, outre le fait que le fond est intrinsèquement très bon conducteur thermique, dépend dès lors de la possibilité de souder le ou les substrats à température relativement élevée Comme les brasures dures ou tendres favorables sur le -plan thermique ont toutes un point de fusion de température relatigement élevée, il en résulte que le cadre 2 doit être lui-même soudé par brasure dure sur le fond 3, faute de quoi il y aurait refusion partielle de la brasure au niveau du cadre lors du brasage du substrat sur le-fond, et défaut d'étanchéité du boîtier. Comme on l'a indiqué plus haut, le cadre reçoit des connexions maintenues en place par des perles de verre Les matériaux compa- tibles avec le scellement de perles de verre ne sont pas de très bons conducteurs thermiques et le matériau constituant le fond doit être selon l'invention aussi bon conducteur de la chaleur que possible Or une brasure dure, comme on l'a également indiqué plus haut ne présente pratiquement pas de déformation plastique Selon l'inven- tion, on choisit le matériau du cadre et le matériau du fond de manière telle que leurs coefficients de dilatation thermique soient voisins au moins sur une partie importante de la gamme de tempéra- ture s'étendant depuis l'ambiante jusqu'à la température de fusion de la brasure dure de telle sorte que le fond ne présente pas de défaut des planéité après refroidissement. En particulier, les matériaux magnétiques présentent des cour- bes de dilatation thermique présentant un point d'inflexion à leur température de Curie La Demanderesse a cependant constaté que même en utilisant des brasures dures à des températures bien supérieures à la température de Curie, le boîtier conservait sa tenue mécanique et son étanchéité dans la mesure o les coefficients de dilatation des deux matériaux étaient voisins dans le domaine de température inférieur à la température de Curie, que l'on utilise un ou deux matériaux présentant un point de Curie Une explication de ce phénomène est que probablement, une brasure dure à l'état solide est susceptible de subir des déformations plastiques lorsqu'elle est à température élevée, c'est-à-dire qu'elle se comporte dans une gam- me de température au voisinage de son point de fusion comme une brasure tendre et absorbe plastiquement les différences de coef- ficient de dilatation. Exemple 1 > On réalise un bo tier pourvu d'un fond en molybdène et d'un cadre en alliage Fe-Ni-Co, par exemple un alliage connu sous la marque Dilver Pl des aciéries d'Imphy et comportant en-poids 54 % de Fe, 29 % de Ni, et 17 % de Co ou bien un alliage connu sous la marque Dilver PO des aciéries d'Imphy et comportant également 2539249. 54 % de Fe, 29 % de Ni et 17 %de Co Ces deux alliages présentent en dessous de leur point de Curie (respectivement 425 et 420 C> un coefficient de dilatation thermique égal à environ 50 107 C et 47 o 7 C respectivement et leur courbe de dilatation devient paral- lèle à celle de Fe ou de Ni au dessus du point de Curie. L'assemblage du boîtier a lieu en deux opérations, à savoir en premier passage au four o des broches en alliage Fe-Ni-Co, et préférentiellement dans le même alliage que celui constituant le cadre, sont mises en place par fusion de perles de verre en verre borosilicate (par exemple le verre 747 fabriqué, par Sovirel ou le verre 7052 fabriqué par Corning Glass Worls), et un second passage au four o le cadre et le fond sont brasés ensemble vers 8000 C à l'aide d'une brasure Ag-Cu comportant en poids 72 % d'Ag et 28 % de Cu, ou vers 720 C à l'aide d'une brasure Ag-Cu-In comprenant en poids 60 % d'Ag, 27 % de Cu et 13 % d'In, ou bien encore vers 6000 C à l'aide d'une brasure Ag-Cu-Sn comprenant en poids 42 % d'Ag, 33 % de Cu et 25 % de Sn. Exemple Il On réalise un boitier pourvu d'un fond en oxyde de beryllium (coefficient de dilatation 90 10) et d'un cadre en alliage Fe-Ni comportant en poids 50 % de Fe et 50 % de Ni (coefficient de dilatation égal à environ 102 10- 7 en dessous du point de Curie) On remarquera que le coefficient de dilatation de l'alliage Fe-Ni en dessous du point de Curie varie de 60 à 105 10-7 quand la teneur en Ni varie de 42 à 54 % ce qui fait qu'une teneur en Ni autour de 50 % peut convenir pour adapter les coefficients de dilatation Au delà du point de Curie, et quelque soit la teneur en Ni, la courbe de dilatation des alliages Fe-Ni devient pratiquement parallèle à celle de Fe ou de Ni. L'assemblage du boîtier a lieu en deux opérations à savoir un premier passage au four o des broches en alliages Fe-Ni, et préférentiellement dans le même alliage que celui constituant le cadre, sont mises en place par fusion de perles de verre en verre sodocalcique, et un second passage au four o le cadre et le fond 2539249, sont brasés ensemble à 600 C à l'aide d'une brasure Ag-Cu-In comportant en poids 42 % d'Ag, 33 % de Cu et 25 % d'Sn ou vers 800 C à l'aide d'un brasure Ag-Cu comportant en poids 72 % d'Ag et 28 % de Cu. Exemple III On réalise un boîtier pourvu d'un fond en Cu et d'un cadre en acier inox, tous les deux ayant un coefficient de dilatation de 165 -7 environ jusqu'à 600 -C et variant peu au delà de cette température L'assemblage du boîtier a lieu en deux opérations à savoir un premier passage au four o des broches en Fe-Ni, notamment avec une proportion pondérale de Ni égale à 50 %, sont mises en place par fusion de perles de verre, en verre sodocalcique (notamment verre type T fabriqué par Fusite ou type 9013 fabriqué par Corning Glass Worls) vers 1000 C, et un second passage au four o le cadre et le fond sont brasés ensemble vers 720 C à l'aide d'une brasure Ag-Cu-In comprenant en poids 60 % d'Ag, 27 % de Cu et 13 % d'In ou vers 800 C à Paide d'une brasure Ag-Cu comportant en poids 72 % d'Ag et 28 % de Cu. Exemple IV Comme dans l'exemple III le fond du boîtier est en Cu et le cadre en acier inox. Le bottier est assemblé en un seul passage au four, o des broches en alliage Fe-Ni (par exemple comprenant 50 % en poids de Ni) sont mises en place par fusion de perles de verre, en verre sodocalcique (notamment verre type T fabriqué-par Fusite ou type 9013 fabriqué par Corning Glass Worls) et la brasure du cadre sur le fond est effectuée à l'aide d'une brasure Au-Ni La température de brasure habituelle (vers 950 C) de la brasure Au-Ni (qui fond à 900 C) est en effet compatible avec la température de fusion des verres sodocalcique de telle sorte que ces deux opérations peuvent avoir lieu à la même température (environ 1000 C). L'acier inox est de préférence pré-nikelé avant la brasure à l'aide d'une couche de Ni d'épaisseur suffisante (par exemple 4 à 6 microns) pour empêcher la diffusion du chrome que contient l'inox et son oxydation lors de l*a brasure. Le boitier selon l'invention présente divers avantages D'une part, le fond en matériau bon conducteur thermique constitue en lui- même un bon dissipateur thermique L'utilisation d'une brasure dure pour le montage du cadre sur le fond, et plus particulièrement d'une brasure dure à température de fusion élevée permet d'assurer que la fixation du ou des substrats ( 20) sur le fond du bottier pourra être effectuée avec une brasure dure à température de fusion plus faible que la précédente, ce qui assurera le meilleur contact thermique possible, la brasure étant réalisée en phase vapeur, voire avec des brasure tendres présentant des températures de fusion élevées (par exemple 2800 C pour la brasure Sn-PbAg, et jusqu'à 3050 C pour la brasure Pb-Ag), -et qui, parmi les brasures tendres sont celles qui ont les meilleures propriétés thermiques. D'autre part, l'adaptation des coefficients de dilatation entre le matériau constituant le cadre et celui constituant le fond permet d'éviter, lors du refroidissement de la brasure, qu'en dépit de la rigidité de la brasure dure à l'état solide, des contraintes résiduelles ne viennent provoquer un défaut de planéité du fond du boîtier préjudiciable à un bon contact thermique du substrat. On notera que dans tous les cas,le brasage du substrat sur le fond pourra s'opérer avec la brasure dure dont la température du fusion est la plus faible à savoir l'Au-Sn qui peut être brasé à 2800 C. 2539249. REVENDICATIONS 1 Boîtier à dissipation thermique élevée, caractérisé en ce qu'il comporte un fond métallique ( 1) en matériau bon conducteur de la chaleur sur lequel est rapporté par brasure dure un cadre métalli- que ( 2) supportant des connexions ( 5) par l'intermédiaire de traver- sées isolantes ( 6) du type perle de verre, le matériau du cadre et celui du fond étant choisis de manière telle que leurs coefficients de dilatation thermique soient voisins au moins sur une partie impor- tant de la gamme de température s'étendant depuis l'ambiante jusqu'à la température de soudure de la brasure dure de telle sorte que le fond du boîtier ne présente pas de défaut de planélté après ref roidissement. 2 Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant les perles de verre ( 6) a un coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à celui constituant le cadre métallique ( 2). 3 Boîtier selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un des matériaux est magnétique et en ce que les coefficients de dilatation thermique desdits deux matériaux sont voisins depuis l'ambiante jusqu'à la température de Curie dudit matériau magnétique. 4 Boîtier selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fond ( 1) est en molybdène et le cadre ( 2) en alliage Fe-Ni-Co. Boîtier selon la revendication 4, caractérisé en ce que la brasure dure comporte en masse 78 % d'argent et-28 % d'étain. 6 Boîtier selon une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les traversées isolantes ( 6) sont en verre borosilicate et en ce que les connexions ( 5) sont des broches en Fe-Ni-Co. 7 Boîtier selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fond ( 1) est en oxyde de berylium et le cadre ( 2) en alliage Fe-Ni avec une teneur en Ni comprise entre 42 et 54 % en poids. 8 Boîtier selon la revendication 7, caractérisé en ce que la teneur en Ni est égale à 50 %. 2539249,. 9 Bottier selon une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la brasure dure est choisie parmi l'Ag-Cu et l'Ag-Cu-In. Boîtier selon une des revendication 7 à 9, caractérisé en ce que les traversées isolantes ( 6) sont en verre sodocalcique et en ce que Jes connexions ( 5) sont des broches en alliage Fe-Ni. 11 Boîtier selon la revendication 10, caractérisé en ce que la teneur en Ni des broches ( 5) est la même que celle du cadre métallique. 12 Boîtier selon une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que le fond ( 1) est en cuivre et le cadre ( 2) en acier inox. 13 Boîtier selon la revendication 12, caractérisé en ce que le cadre est revêtu d'une couche de Ni formant barrière de diffusion. 14 Boîtier selon une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que la brasure dure est du Ni-Au. 15 Boîtier selon une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les traversées isolantes ( 6) sont un verre sodocalcique et en ce que les connexions ( 5) sont des broches en alliage Fe-Ni. 16 Boîtier selon une des revendications précédentes, caracté- risé en ce qu'il comporte au moins un substrat ( 20) brasé sur le fond à l'aide d'une brasure dure dont la température de brasage est inférieure à celle de la brasure utilisée pour le brasage du cadre métallique sur le fond. 17 Boîtier selon la revendication 16, caractérisé en ce que la brasure dure utilisée pour le brasage dudit substrat ( 20) est de l'Au- Sn 18 Boîtier selon une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un substrat ( 20) brasé sur le fond à l'aide d'une brasure tendre à température de fusion élevée. 19 Boîtier selon la revendication 18, caractérisé en ce que la brasure est du Sn-Pb-Ag ou du Pb-Ag.