Brevet FR2588122A1 — publié le 19870403

"DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR DE PUISSANCE POUR MONTAGE EN SURFACE" La présente invention concerne un dispositif semi-conduc- teur de puissance comportant au moins une pastille semi-conduc- trice enrobée dans un corps de matériau isolant et en contact thermique et électrique avec une plage centrale métallique se prolongeant par une plaquette métallique dissipatrice de la cha- leur s'étendant longitudinalement à partir d'une première face latérale dudit corps et présentant des découpes formant des pat- tes, une deuxième face latérale dudit corps opposée à la premiè- re présentant des broches conductrices s'étendant longitudinale- O10 ment. De tels dispositifs sont largement utilisés par exemple sous la forme de composants sous bottier TO 220 et conviennent à une technique de montage classique, c'est-à-dire que les broches traversent des trous d'un circuit imprimé et sont soudées à leur extrémité libre. L'évolution actuelle des techniques conduit de plus en plus à privilégier le montage en surface plus particulièrement par soudure à la vague. Dans cette technique, le corps du bol- tier est collé sur le circuit imprimé pour le maintenir en place lors de l'opération de soudure à la vague. Les composants de puissance sont actuellement exclus du montage en surface, ce qui fait que les microcircuits hybrides sont assemblés en partie en technologie différente. Du fait de la spécificité de la technique du montage en surface, l'homme du métier est conduit à penser qu'un dispositif pour montage en surface ne peut être réalisé qu'en s'inspirant de dispositifs pour montage en surface déjà connus. L'invention se propose au contraire de résoudre le pro- blème en adaptant le dispositif précité à la technique du monta- ge en surface, plus particulièrement par soudure à la vague, tout en modifiant le moins possible sa structure mais en modi- -2 - fiant par contre notablement la fonction de cette structure de telle manière que les bottiers utilisables pour le montage clas- sique et le montage en surface puissent être fabriqués selon la même technique et avec le même outillage. D'autre part, le dispositif selon l'invention est conçu de manière à présenter de bonnes performances d'évacuation ther- mique. L'idée de base de l'invention consiste à souder la pla- quette dissipatrice sur une majeure partie de sa surface pour obtenir un couplage électrique et thermique avec une métallisa- tion d'un substrat, par l'intermédiaire d'une mince couche de soudure, grâce à un effet de capillarité. Le dispositif semiconducteur de puissance selon l'inven- tion est à cet effet caractérisé en ce que les broches et les pattes sont cambrées en direction d'une face dite inférieure du- dit corps de manière à dépasser de celle-ci et d'une face infé- rieure de la plaquette dissipatrice, le dépassement des pattes par rapport à cette dernière étant tel que, lors d'une opération de montage en surface du dispositif par soudure à la vague sur un substrat, une quantité de soudure se trouve emprisonnée par capillarité sous la plaquette de telle sorte que celle-ci se trouve sur une majeure partie de la surface de la plaquette en contact électrique et thermique avec une métallisation dudit substrat. Le dépassement de l'extrémité des pattes par rapport au plan inférieur de la plaquette dissipatrice est de préférence compris entre 0,1 et 0,2 mm. Selon un mode de réalisation, le plan de la plaquette présente une face inférieure pratiquement coplanaire avec la fa- ce inférieure du corps. Comme la plaquette dissipatrice est soudée sur une métal- lisation du substrat, elle peut être utilisée comme sortie élec- trique, les broches constituant d'autres sorties électriques non en contact avec celle-ci. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la des- cription qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, 2588 1 22 -3- en liaison avec les dessins qui représentent: - la figure la, une vue de face d'une bande pré-découpée selon l'art antérieur; - la figure lb, une coupe AA d'une telle bande, après cambrage des pattes selon l'art antérieur. - la figure 2, un dispositif semi-conducteur de puissance enro- bé, selon l'art antérieur, réalisé à partir de la bande des fi- gures la et lb; - la figure 3a, un dispositif semi-conducteur de puissance enro- bé, selon le mode préféré de l'invention, et réalisé à partir de la bande découpée de la figure la; - la figure 3b, une coupe longitudinale du dispositif de la fi- gure 3a, dans un plan décalé latéralement de manière à faire ap- parattre les broches subsistantes sans faire apparaître le rési- du de la broche centrale découpée. - la figure 4, une vue latérale du montage du dispositif de la figure 3a par soudure à la vague. Selon la figure la, une bande conductrice pré-découpée d'un type connu pour la réalisation de boîtiers TO 220 standard commercialisés par la Demanderesse comporte des motifs identi- ques répétés longitudinalement et comportant chacun une plage centrale 4, sur laquelle sera ultérieurement soudée une pastille semi-conductrice de puissance. Cette plage centrale 4 de forme généralement trapézoïdale se prolonge au delà d'un décrochement 5 par une plaquette dissipatrice 8 percée d'un trou central 6 utilisé à des fins de fixation mécanique. La plage centrale 4 comporte à son extrémité opposée à la plaquette dissipatrice 8 une broche centrale 2. Les extrémités des broches 2 opposées à la plage centrale 4 sont solidarisées mécaniquement par une ban- de longitudinale 1 portant des paires de broches latérales 3 en- cadrant chacune des pattes centrales 2 et plus courtes que celles-ci. Les plaquettes dissipatrices 8 sont par ailleurs re- liées entre elles par des languettes 7. Les languettes 7 ainsi que des broches 10 prolongeant le bout des plaquettes 8 sont dé- limitées par une découpe 9 en forme de T inversé. La bande pré- découpée est obtenue à partir d'une bande laminée en double - 4 épaisseur, ce qui permet d'obtenir une épaisseur plus faible pour les broches 2 et 3 et la bande longitudinale 1. Le dispositif enrobé est réalisé de la manière suivante à partir de la bande pré-découpée de la figure la: - cambrage des broches 2 à 90' dans un sens en 12 et à 90' dans l'autre sens en 14 de manière à décaler leur plan ainsi que celui des broches 3 par rapport à celui des plages centrales 4 (voir fig. lb). - soudure des pastilles semi-conductrices de puissance sur les plages centrales 4 donc en contact électrique et thermique avec celles-ci, et soudure des fils de connexion entre chaque pastil- le et les pattes latérales 3 - enrobage collectif isolant des plages centrales 4 avec leurs pastilles semi-conductrice et les fils de connexions, en lais- sant dépasser les extrémités des broches 2 et 3 et la plaquette dissipatrice 8. - découpe des composants individuels avec élimination des lan- guettes 7, et de la bande 1 de manière à obtenir le dispositif de la figure 2. Ce dispositif présente donc un corps isolant d'enrobage dont une face latérale 15 comporte une broche centrale 2 et deux broches latérales 3 et la face latérale opposée 16 une pla- quette dissipatrice 8 présentant des découpes 11 délimitant des pattes 10. Un tel dispositif est utilisé pour un montage de type classique sur un circuit imprimé. L'invention se propose donc d'adapter ce dispositif au montage en surface avec un minimum de modifications ce qui per- met de partir de la même bande pré-découpée (fig. la) mise en oeuvre dans l'art antérieur. Selon les figures 3a et 3b, le dispositif selon l'inven- tion permet une adaptation particulièrement avantageuse au mon- tage en surface par introduction d'une étape de cambrage supplé- mentaire de préférence après enrobage et découpe des dispositifs individuels, c'est à dire en partant du composant préexistant de la fig. 2 sous boîtier standard TO 220, et en utilisant un -5- équipement standard. L'idée de base de l'invention consiste à mettre à profit les pattes 10 qui dans l'art antérieur n'avaient pour fonction que de dégager l'accès aux languettes 7 lors de leur découpe. Les pattes 10 (maintenant référencées 40) sont cambrées de manière à dépasser de la face inférieure 17 du corps isolant 20. Elles dépassent de la plaquette dissipatrice 8 d'une distan- ce permettant lors d'une opération de soudure à la vague décrite plus loin l'accumulation par effet capillaire d'une quantité de soudure 43 sous la majeure partie de la plaquette dissipatrice 8. Du fait que cette accumulation a lieu par effet capillaire sur une surface nettement supérieure à celle d'une goutte de soudure, la soudure 43 forme une mince couche. En outre, les broches 2 et 3 subissent deux pliages supplémentaires inverses l'un de l'autre en 18 et 19 chacun selon un angle qui peut être de l'ordre de 45o, de telle sorte qu'elles dépassent de la face inférieure 17 du corps 20 de manière à être dans le même plan que l'extrémité des pattes 40. Les pattes 3 comportent une ex- trémité à souder 35, une partie plane 34 entre les pliages 18 et 19 et une extrémité 32 partiellement enrobée. L'opération de cambrage s'effectue donc de préférence en partant d'un composant tel que celui de la figure 2. Un équipe- ment standard maintient les broches au plus près du bottier 20 (à une distance d'Il mm environ). Les broches peuvent être alors cambrées à une distance de 5 à 6 mm environ du boîtier 20. Comme le contact électrique des broches 2 est réalisé au niveau des plaquettes 8, il n'est plus nécessaire de conserver celles-ci sauf si une sortie électrique de tous les contacts sur un même côté du bottier est imposé par le client. Une opération de dé- coupe est alors réalisée en même temps que le cambrage et égale- ment avec un matériel standard de manière à éliminer la broche 2 en la coupant aussi près que possible du corps 20. On obtient ainsi le mode de réalisation préféré représenté aux figures 3a et 3b. La plaquette dissipatrice 8 en contact électrique et thermique avec une pastille semiconductrice 20 constitue une sortie électrique et les broches 3 constituent d'autres sorties -6- électriques non en contact électrique avec celle-ci. Les broches 3 sont reliées par des fils 26 avec des contacts électriques de la pastille 20 soudée sur la plaquette 8. Selon la figure 4, le corps 20 est solidarisé au niveau de la partie 4 par de la colle 49 résistant à la température à la surface d'un substrat 50 par exemple d'un circuit imprimé portant des métallisations 41 et 42. Cette fixation provisoire par la colle 49 permet de manière connue de maintenir en place le dispositif pendant une opération ultérieure de soudure à la vague pour laquelle le circuit est renversé. Au cours de cette opération, les extrémités 35 des pattes 3 sont soudées à une mé- tallisation 42, et la plaquette dissipatrice 8 à une métallisa- tion 41 qui s'étend en regard de la plaquette 8 et au delà de celle-ci. Le dépassement d de l'extrémité 40' des pattes 40 par rapport au plan inférieur 30 de la plaquette dissipatrice 8 a été choisi, ainsi qu'il a été mentionné plus haut, de manière qu'une mince épaisseur de soudure 43 soit, lors de l'opération de soudure à la vague, emprisonnée par capillarité sous une ma- jeure partie de ladite plaquette, laquelle est pratiquement pa- rallèle au plan de la métallisation 41. Ceci permet d'obtenir, en plus d'un bon contact électrique, et du fait que l'épaisseur de soudure est faible, un bon contact thermique entre la pla- quette 8 et la métallisation 41. L'évacuation des calories ainsi facilitée sera d'autant meilleure que la soudure 43 s'étendra sur une surface plus importante. En effet, la mince couche d'air entre le dispositif et le substrat 50 a un effet pratiquement d'isolation thermique. A titre d'exemple, un dépassement d de 0,1 à 0,2 mm est susceptible d'apporter les meilleurs résultats quant aux propriétés capillaires et thermiques recherchées. Il convient toutefois de noter que lors de l'opération de soudure à la vague, le petit volume d'air qui se trouve entre la plaquette 8 et la métallisation 41 doit être évacué pour laisser place à la soudure 43. La présence du trou central 6 favorise grandement la formation de la goutte de soudure 43 du fait qu'il procure un chemin supplémentaire d'accès au plan inférieur 30 de -7- la plaquette 8. Il est possible d'utiliser en variante une bande pré-découpée ne présentant pas de trous 6, mais au risque d'une mauvaise répartition de la soudure 43, de l'air pouvant rester emprisonné entre la plaquette 8 et la métallisation 41. Cette variante obligerait en outre à utiliser une bande pré-découpée légèrement différente de celle de l'art antérieur. 25881-22 REVENDICATIONS: 1. Dispositif semi-conducteur de puissance comportant au moins une pastille semi-conductrice enrobée dans un corps de ma- tériau isolant et en contact thermique et électrique avec une plage centrale métallique se prolongeant par une plaquette métallique dissipatrice de la chaleur et s'étendant longitudina- lement à partir d'une première face latérale dudit corps et pré- sentant des découpes formant des pattes, une deuxième face laté- rale dudit corps opposée à la première présentant des broches conductrices s'étendant longitudinalement caractérisé en ce que les broches (2, 3) et les pattes (10) sont cambrées en direction d'une face dite inférieure (17) dudit corps de manière à dépas- ser de celle-ci ainsi que d'un plan inférieur (30) de la pla- quette dissipatrice (8), le dépassement (d) des pattes (10) par rapport à ce dernier (30) étant tel que, lors d'une opération de _montane n nfnrc dA, di-spositif par soudure à la vague sur un substrat (50), une quantité de soudure (43) se trouve emprison- née par capillarité sous la plaquette (8) de telle sorte que celle-ci se trouve sur une majeure partie de la surface de la plaquette (8) en contact électrique et thermique avec une métal- lisation (41) dudit substrat (50). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépassement (d) de l'extrémité (40') des pattes (40) par rapport au plan inférieur (30) de la plaquette dissipatrice (8) est compris entre 0,1 et 0,2 mm. 3. Dispositif selon une des revendications 1 ou 2 caractéri- sé en ce que la plaquette (8) présente un trou central (6) des- tiné à faciliter la formation de la quantité de soudure (43) lors de l'opération de soudure à la vague. 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la face inférieure (30) de la plaquette (8) est prati- quement coplanaire avec la face inférieure (17) du corps (20). 5. Dispositif selon une des revendications 1 à 4, caractéri- sé en ce que la plaquette dissipatrice (8) constitue une sortie 35. électrique et en ce que les broches (3) constituent d'autres sorties électriques non en contact avec celle-ci.