Brevet FR2631166A1 — publié le 19891110

La présente invention concerne les boîtiers pour circuits intégrés. Le boîtier moulé à grille de broches est décrit et revendiqué daons le brevet des E.U.A. n 4 688 152 qui a été délivré au Demnan- deur le 18 août 1987. Ce brevet a également été cédé à la deman- deresse. Le principe de base de la grille de broches consiste à utiliser un boîtier pour semi-conducteurs de forme plate avec un grand nombre de broches de boîtier qui s'étendent à partir d'une face de celui-ci, en formant un réseau ou une grille ayant un pas normalisé. On utilise de façon caractéristique plusieurs cercles concentriques de broches, avec un nombre total de broches allant de 28 jusqu'à 172. Le brevet des E.U.A. n 4 688 152 décrit une plaquette de circuit imprimé de base qui contient un ensemble de trous métallisés. On soude les broches de boîtier dans les trous de façon qu'elles s'étendent en un réseau à partir d'une face de la plaquette. La pla- quette contient un puits placé en position centrale dans lequel on peut monter une puce de circuit intégré, et on connecte les plots de connexion du circuit intégré à des pistes de câblage imprimées qui sont interconnectées avec les trous métallisés. On place ensuite dans une cavité de moulage la plaquette avec sa puce de circuit in- tégré montée et connectée, et cette cavité comporte une série de ner- vures qui positionnent la plaquette à l'intérieur du moule et pres- sent contre le moule la face de la plaquette sur laquelle se trou- vent les broches. On recouvre ensuite l'autre face de la plaquette avec une matière plastique obtenue par moulage par transfert qui en- capsule la puce de circuit intégré et la surface de la plaquette. Ou fait que la face de la plaquette est pressée contre le moule du côté qui comporte les broches, la matière plastique ne peut pas pé- nétrer de ce côté et elle est confinée à l'autre côté de la pla- quette. Un cordon de matière plastique sort à la périphérie sous la forme d'une jupe qui entoure le bord de la plaquette. Lorsque la puce de circuit intégré produit de la chaleur, le boîtier décrit ci-dessus n'évacue pas la chaleur de façon efficace, 263 1166 et on utilise généralement ce boîtier seulement pour des disposi- tifs de faible puissance. La matière d'encapsulation consistant en une matière plastique moulée n'est pas un bon-conducteur de la cha- leur et la plaquette de circuit imprimé ne conduit pas efficacement la chaleur. En pratique, la majeure partie de la chaleur est éva- cuée par l'intermédiaire des broches des boîtiers, et donc des pis- tes métalliques sur la plaquette de circuit imprimé. L'invention a pour but d'assurer une évacuation efficace de la chaleur dans un boîtier en matière plastique moulée du type à grille de broches. Un but supplémentaire de l'invention est de monter un ra- diateur sur le substrat de circuit imprimé qui est utilisé dans un boîtier à grille de broches, et de fixer le dispositif à semi- conducteurs actif sur le radiateur avant le moulage. On atteint ces buts ainsi que d'autres en procédant de la manière suivante. On prépare une plaquette de circuit imprimé de façon qu'elle comporte un ensemble de broches de boîtier fixées de façon à s'étendre à partir d'une face, sous la forme d'une grille de broches. La plaquette présente une ouverture en son centre, et on fixe sur la plaquette un radiateur en cuivre de façon qu'il s'étende sur l'ouverture, sur la face opposée de la plaquette. On fixe ensuite le dispositif à semiconducteurs sur le radiateur, dans le puits qui est formé par l'ouverture. On connecte ensuite électriquement les plots de connexion sur le dispositif à semi- conducteurs aux pistes du câblage imprimé de la plaquette qui sont reliées aux broches arrangées en une grille. On peut effectuer ceci-au moyen de fils de connexion ou d'une "araignée" du type utilisé pour la connexion de composants en bande. La plaquette de circuit imprimé comporte également un ensemble de trous qui sont placés à côté du radiateur et à l'extérieur de celui-ci. On place ensuite la structure assemblée dans un moule de transfert qui est constitué par une paire de plateaux en regard. Un premier plateau comporte une première cavité qui reçoit les broches de boîtier, et cette cavité comprend des arêtes qui portent contre la plaquette de circuit imprimé, dans des positions adjacentes aux broches. 26 3 1166 Une seconde cavité est formée dans le premier plateau de façon à s'étendre sur les trous qui sont formés dans la plaquette, dans des positions adjacentes au radiateur. Le second plateau ou pla- teau opposé, comporte une cavité qui s'étend sur la plaquette de circuit imprimé et qui est suffisamment profonde pour contenir le radiateur. Il comporte également une série de nervures, qui vien- nent en contact avec la plaquette de circuit imprimé de façon à la positionner avec précision à l'intérieur du plateau, et qui exercent une pression contre la périphérie de la plaquette, afin de l'ap- pliquer contre le premier plateau. Il contient également des canaux et des entonnoirs d'injection par lesquels on peut faire entrer une matière plastique à l'état fluide au cours d'une opération de moulage par transfert. Le fluide qui est ainsi transféré recouvre la plaquette en position adjacente au radiateur, mais ne peut pas revêtir le radiateur, à cause du contact avec la face de la cavité du plateau. La matière plastique à l'état fluide remplit la cavité du plateau autour du radiateur et elle s'écoule également à tra- vers les trous formés dans la plaquette, pour recouvrir ainsi le dispositif à semiconducteurs à l'intérieur de la seconde cavité qui se trouve dans le premier plateau. Le moule comprend également des évents périphériques qui ont pour fonction d'éviter une accumu- lation de pression interne, mais qui sont trop petits pour laisser passer la matière plastique à l'état fluide. Le moule se remplit ainsi de matière plastique qui encapsule la plaquette de circuit imprimé et le dispositif à semi-conducteurs qui est logé à l'inté- rieur. Apres le moulage par transfert et un durcissement partiel du matériau d'encapsulation, on peut retirer le dispositif du mou- le et achever le durcissement. Après le durcissement, on enlève de la manière habituelle les bavures éventuelles, et le dispositif est prêt pour l'utilisation. Dans le boîtier terminé, la surface du radiateur affleure la surface de la matière plastique et on peut établir un contact avec le radiateur, de la manière habituelle, pour l'évacuation de chaleur. Si on le désire, on peut fixer au boîtier une certaine forme de structure de refroidissement secondaire. On peut par exem- ple fixer des ailettes de refroidissement à des boîtiers indivi- 263116 6 duels, pour le refroidissement par convection dans l'air. Lorsqu'on doit refroidir plusieurs boîtiers, on peut placer une certaine forme de nappe de refroidissement en contact thermique avec les dispositifs. Dans un autre mode de réalisation, un gou- jon de montage est incorporé dans le radiateur. Ce goujon faci- lite la fixation d'une structure de refroidissement secondaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exem- ples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux des- sins annexés sur lesquels: la fig. 1 est une vue en élévation de face d'une plaquette de circuit imprimé utile à la mise en oeuvre de l'invention, et elle montre un radiateur qui sera associé à cette plaquette. La fig. 2 est une coupe d'un élément de moule qu'on utili- se pour encapsuler une grille de broches avec un radiateur et une puce de circuit intégré fixés à la grille. La fig. 3 est-une vue en élévation de face d'un boîtier de puissance encapsulé. La fig. 4 est une vue partielle d'une autre forme de radia- teur montrant un goujon de fixation et une cavité dans le plateau de moulage supérieur. La fig. 5 est une coupe de la structure de la fig. 3, selon la ligne 5-5. En se référant à la fig. 1, on note que l'élément de départ consiste en un boîtier à grille de broches 10. Le substrat 11 est une plaquette de circuit imprimé classique, qui est de façon carac- téristique du type multicouches. Il comprend une série de trous métallisés dans lesquels les broches 12 du boîtier sont fixées, ha- bituellement par brasage. Bien que la fig. 1 montre un boîtier comportant 56 broches disposées en deux cercles concentriques, on peut employer, comme on le désire, un plus grand nombre ou un plus petit nombre de broches, avec d'autres configurations. Un trou 13 est découpé au centre de la plaquette de circuit imprimé et ce trou est bordé par une métallisation 14. Des trous 15, 16, 17 et 18 traversent également la plaquette de circuit imprimé et sont placés juste à l'extérieur de la métallisation 14. On note que bien que quatre trous soient représentés, on peut en employer un plus grand nombre ou un plus petit nombre. En pratique, un seul de ces trous est nécessaire. Le trou peut avoir n'importe quelle forme désirée. Un radiateur 19 est fixé à la métallisation 14, comme le montrent les flèches. Le radiateur 19 consiste de façon caractéristique en une plaque de cuivre recouverte d'une pellicule d'or anticorrosion, et il est fixé par brasage à la métallisation 13. Selon une varian- te, le radiateur 19 peut être fixé par un adhésif. Bien que ceci ne soit pas représenté, la plaquette de circuit imprimé 11 comprend des pistes conductrices qui relient les broches 12 à un réseau de pistes sur le côté "broches" de la plaquette, et ces pistes entou- rent la périphérie du trou 13. Bien que ceci ne soit également pas représenté, la métallisation 14, et donc le radiateur 19, sont con- nectés à une ou plusieurs des broches 12 par une piste de la pla- quette de circuit imprimé. Une fois qu'on a fixé le radiateur 19 à la plaquette de circuit imprimé 11, le boîtier forme une cavité qui est accessible par le côté "broches", pour le montage d'une puce de circuit inté- gré. La fig. 2, qui comprend une coupe du boîtier 10, montre le boitier placé entre des plateaux de moule 22 et 23, qu'on utilise dans l'opération de moulage par transfert. La fig. 2 montre seule- ment une seule position dans le moule de transfert, qui comporte- rait habituellement un ensemble de telles positions. On peut mou- ler simultanément un nombre relativement élevé de dispositifs. Le moule de transfert lui-même est classique et il est employé dans une machine de moulage par transfert classique (non représentée). Avant le moulage, on fixe la puce de circuit intégré 20 au radiateur 19. On peut effectuer ceci par brasage ou en employant un adhésif. On utilise ensuite de façon classique des fils 21 pour connecter les plots de connexion du circuit intégré aux pistes qui se trouvent sur la plaquette de circuit imprimé 11. Cette action connecte les broches 12 du boîtier aux éléments de circuit intégré. A titre de variante à l'utilisation de fils 19, qui sont habituel- lement soudés par points, on peut employer une "araignée" métal- 26 3 1 166 lique dans une structure automatisée pour le montage de composants en bande. Dans l'opération de moulage, on injecte dans un trou 24 un mélange de matière plastique à l'état fluide (chauffé). Cette matière peut être de la forme qui est décrite dans le brevet. des E.U.A. n 3 838 094, qui a également été cédé à la demanderesse. Les flèches montrent l'écoulement résultant de la matière plastique. Le moule contient un canal d'injection 25 qui fait communiquer le trou 24 avec un ensemble de positions de moulage semblables. Cha- que position est reliée au canal 25 par un entonnoir 26. La ma- tière plastique circule ici autour du radiateur 19 et sur la surface supérieure de la plaquette de circuit imprimé 11. Les trous 15-18 permettent à la matière plastique de circuler entre les deux côtés de la plaquette de circuit imprimé 11, de façon que la cavité qui se trouve dans le plateau inférieur 23 puisse recevoir la matière d'encapsulation. Des nervures 27 maintiennent la plaquette de circuit impri- mé 11 centrée à l'intérieur du moule, et elles comprennent des fa- ces qui appliquent la plaquette de circuit imprimé 11 contre le plateau inférieur 23 du moule. Cette caractéristique est clairement indiquée dans le brevet des E.U.An 4 688 152 précité. Le plateau supérieur 22 comprend une face de cavité qui exerce une pression contre le radiateur 19, de façon à empêcher l'entrée de matière plastique sur la partie supérieure du radiateur. Une bonne règle empirique dans la technique du moulage par transfert indique que la matière plastique à l'état fluide ne pénétrera pas dans une cavité de dimensions inférieures à environ 0,025 mm. De ce fait, un évent représenté en 28, ayant une épaisseur d'environ 0,01 mm déchargera la pression d'air à l'intérieur du moule tout en empêchant le pas- sage de la matière plastique. Le plateau de moule inférieur 23 contient également des ca- vités (non représentées sur la fig. 2) qui se trouvent aux quatre coins de la plaquette de circuit imprimé 11. La matière plastique peut donc former des lèvres en saillie aux quatre coins de la pé- riphérie du boîtier. La fig. 3 montre le boîtier de puissance mou- lé à grille de broches à l'état fini. La fig. 5 est une coupe du produit fini. Sur la fig. 5, la matière plastique moulée est re- présentée en coupe par la partie pointillée. On peut voir que des lèvres 32 s'étendent vers le bas de façon que lorsque le boîtier est monté sur une plaquette de circuit imprimé classique, il re- pose avec la lèvre en contact, tandis que la partie centrale de la structure sera dégagée de la surface de la plaquette. Du fait que des lèvres 32 sont situées aux quatre coins du boîtier, la région centrale est accessible pour un fluide de nettoyage après le bra- sage de la grille de broches au cours de l'assemblage final. En retournant à la fig. 2, on note que bien que le radia- teur 19 soit représenté sous la forme d'une plaque plane, il peut prendre d'autres formes. Il peut par exemple exister un goujon fi- leté 29, formé en une seule pièce avec le reste du radiateur, comme le montre la fig. 4. Un tel goujon peut faciliter la fixation d'ailettes de radiateur ou d'une certaine autre forme de moyens de refroidissement. Lorsqu'un tel goujon est présent sur le radiateur 19, le plateau de moule supérieur 22 comporte une cavité de réception, représentée en 30. Indépendamment de la présence ou de l'absence de ce goujon et de cette cavité, la proximité immédiate entre le radia- teur 19 et le plateau 22 à la périphérie du radiateur empêchera l'arrivée de matière plastique sur la face du radiateur pendant le moulage. -On a trouvé que l'adjonction de la possibilité d'évacuation de chaleur à la structure moulée de grille de broches augmentait d'environ 10 fois la puissance admissible pour le circuit intégré. Pour évaluer les performances, on a monté une puce de circuit-inté- gré consistant en un microprocesseur dans le seul autre boîtier de puissance disponible équivalent, qui est en céramique. La fabrica- tion d'un tel boîtier en céramique est environ deux fois plus coû- teuse et, du fait de la constante diélectrique élevée de la céra- mique, le processeur fonctionne à une vitesse inférieure d'environ % à celle à laquelle il fonctionne dans le boîtier de puissance moulé à grille de broches. 26 3 1166 REVENDICATIONS 1. Boîtier de puissance moulé à grille de broches caractérisé en ce qu' il comprend: une plaquette de circuit imprimé (11) comportant des trous métal- lisés et comprenant un ensemble de broches de boîtier (12) qui sont fixées dans cette plaquette de façon à s'étendre à partir d'une pre- mière face pour former une grille de broches; la plaquette de circuit imprimé (11) comportant une ouverture centrale (13) et une plaque de radiateur (19) fixée à sa seconde face, à la périphérie de l'ouverture précitée; la plaquette de circuit imprimé (11) comprenant un motif de câ- blage imprimé, grâce à quoi les broches (12) de la grille comportent des prolongements électriques qui forment un réseau de pistes en- tourant l'ouverture (13); une puce de semiconducteur (20) fixée sur le radiateur (19) à l'intérieur de l'ouverture (13), cette puce comportant un réseau de plots de connexion; des moyens (21) pour connecter électriquement les plots de con- nexion sur la puce (20) au réseau de pistes, grâce à quoi les broches (12) sont connectées électriquement à. la puce de semiconducteur (20); une encapsulation en matière plastique moulée qui recouvre la seconde face de la plaquette (11) et qui affleure la surface du ra- diateur (19), de façon à entourer les bords de la plaquette de cir- cuit imprimé (11); et un prolongement de l'encapsulation en matière plastique moulée, se trouvant sur la première face de la plaquette de circuit impri- mé (11) et s'étendant sur cette première face, de façon à recouvrir l'ouverture (13) et à encapsuler ainsi la puce de semiconducteur (20) et les connexions associées. 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'encap- sulation en matière plastique sur la première face, communique avec l'encapsulation en matière plastique sur la seconde face par des moyens de passage (15-18) qui sont formés dans la plaquette de cir- cuit imprimé (11). 3. Boîtier selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de passage se présentent sous la forme d'au moins un trou (15-18) dans la plaquette de circuit imprimé, à l'extérieur du ra- diateur (19). 4. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que le radiateur (19) est brasé à une métallisation (14) qui est formée sur la plaquette de circuit imprimé (1) et il est ainsi connecté à l'une au moins des broches (12) du boîtier. 5. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque de radiateur (19) comprend des moyens (29) pour fixer des moyens de refroidissement sur cette plaque. 6. Procédé de formation d'un boîtier de puissance moulé à grille de broches, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations sui- vantes: on forme une plaquette de circuit imprimé (11) de façon qu'elle comporte des trous métallisés et une ouverture centrale (14) qui traverse la plaquette on fixe des broches de boîtier (12) dans les trous métallisés, pour former une grille de broches qui s'étend en une certaine con- figuration à partir d'une face de la plaquette (11); on forme une plaque de radiateur (9) en un matériau conducteur de la chaleur et ayant une taille légèrement supérieure à celle de l'ouverture (14); on fixe la plaque de radiateur (19) sur la plaquette (11) de façon à recouvrir l'ouverture (14), sur l'autre face de la plaquet- te (11); on fixe une puce de semiconducteur (20) au radiateur (19) dans la cavité qui est formée par l'ouverture (14) et la plaque de ra- diateur (19); on connecte électriquement les plots de connexion de la puce (20) à des pistes conductrices sur la plaquette (11); et on moule une matière plastique d'encapsulation sur la plaquet- te (11), pour encapsuler la puce de semiconducteur (20) et de façon qu'elle affleure la plaque de radiateur (19) sur la plaquette et s'étende vers l'extérieur pour former une lèvre (32) à la périphé- rie de la plaquette. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il com- prend l'opération qui consiste à former des moyens de passage (15-18) dans la plaquette, grâce à quoi l'opération de moulage fait passer simultanément la matière plastique d'encapsulation sur les deux faces de la plaquette (11). 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ouver- ture (13) est entourée par une métallisation (14) qui est connectée à au moins une broche (12) du boîtier, et en ce que le radiateur (19) est fixé de façon conductrice à la métallisation (14). 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque de radiateur (19) est formée de façon à comprendre des moyens (29) destinés à lui fixer des éléments de refroidissement.