Brevet FR2632119A1 — publié le 19891201

L'invention concerne d'une manière générale un élément d'interface perfectionné, conducteur de la chaleur et de préférence électriquement isolant, pour le montage d'un dispositif ou d'un appareil semiconducteur totalement encapsulé sur une surface de montage, et elle a trait plus particulièrement à un élément d'interface destiné & constituer un milieu de montage conducteur de la chaleur entre l'enveloppe d'un dispositif semiconducteur encapsulé et une surface de montage d'un châssis. Conformément à l'invention, une conductibilité thermique améliorée est obtenue entre le dispositif encapsulé et la surface de montage, en particulier grâce à l'élimination et/ou la diminution de l'air non expulsé, retenu ou pris entre les surfaces individuelles constituant la surface extérieure du dispositif totalement encapsulé et sa surface complémen- taire de montage sur un chassis ou analogue. Il est connu depuis longtemps qu'une interface conductrice de la chaleur est souhaitable entre un dispositif semiconducteur et un support de montage tel qu'un châssis électrique ou analogue. A cet égard, une couche électriquement isolante, conductrice de la chaleur, est utilisée comme support de montage entre l'élément de châssis et la surface de l'enveloppe d'un dispositif semiconducteur encapsulé. De tels agencements, lorsqu'ils sont convenablement conçus en ce qui concerne la présente invention, se sont avéré améliorer les propriétés électri- ques et la durée de vie du dispositif semiconducteur sans ajouter notablement à la dimension et à l'encombrement du dispositif semiconducteur et sans nuire à d'autres opérations normales d'assemblage. L'interface proprement dite peut être appliquée directement à une surface du dispositif semiconducteur totalement encapsulé ou bien, en variante, à la surface du châssis ou à une autre surface sur laquelle le dispositif semiconducteur est monté. Récemment, des dispositifs semiconducteurs totalement encapsulés ont été largement utilisés dans le commerce. Pour réaliser un élément d'interface approprié entre l'enveloppe du dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage du châssis, on a habituellement suggéré d'utiliser une graisse aux silicones ou d'autres moyens pour réduire les apparitions et la présence de l'air qui n'est pas expulsé, mais retenu ou autrement pris entre les surfaces complémentaires de montage. Cet air retenu ou pris établit une impédance thermique plus grande entre le dispositif ou assemblage semiconducteur encapsulé et la surface de montage, et des points chauds peuvent se développer pendant l'exposition du dispositif semiconduc- teur à certains paramètres de fonctionnement électrique normalement prévus et rencontrés. Il est apparu que l'invention réduisait les apparitions et la présence d'air retenu ou pris entre les surfaces complémentaires du dispositif semiconducteur encapsulé et du chassis. Pour effectuer cette réduction de l'air retenu ou pris, on utilise une couche relativement mince de matière modérément souple et malléable, cette couche étant conductrice de la chaleur et de préférence électriquement isolante. La combinaison de propriétés comprenant le choix de l'épais- seur, en section transversale, ainsi que de la souplesse et de la malléabilité, s'est révélé réduire efficacement ou éliminer la quantité d'air retenu ou pris, améliorant ainsi les propriétés thermiques de l'ensemble. L'amélioration des propriétés thermiques élargit évidemment les possibilités et la durée de vie du dispositif semiconducteur utilisé en combinaison avec l'agencement d'interface dans son ensemble. La combinaison des propriétés physiques et de l'épaisseur de la couche d'interface est apparue ne gêner en aucune manière les opérations ou le traitement normaux d'assemblage. En d'autres termes, la présence de la couche d'interface ne nuit pas à l'efficacité des opérations normales d'assemblage et il n'est pas non plus apparu qu'elle allongeait de façon notable les opérations normales d'assemblage. Par conséquent, la couche d'interface selon l'invention est compatible avec les opérations normalement rencontrées dans des programmes habituels d'assemblage et de traitement. Pour améliorer la conductibilité thermique entre le dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage, il est prévu une interface à la fois souple et malléable, qui est solide, résistante et capable de supporter une exposition à certains processus et opérations d'assemblage que l'on rencontre normalement avec ce type de dispositif. Pour parvenir à ces résultats améliorés, la couche d'interface doit posséder certaines propriétés et/ou caractéristiques. En particulier, la couche est conçue de façon à être souple et malléable, avec une épaisseur inférieure à environ 0,25 mm. La dureté de la couche devrait avantageusement être comprise entre 10 et 30 au duromètre à l'échelle Shore-A. La caractéristique de malléabilité permet de réduire et/ou supprimer l'air retenu ou pris, l'épaisseur étant telle qu'une bonne conduc- tibilité thermique est établie entre l'enveloppe du dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage. Les propriétés et/ou caractéristiques souhai- tables, demandées pour la couche d'interface, ne se trouvent pas aisément dans des substances à l'état naturel. La présente invention cherche donc & obtenir cette combinaison inhabituelle de caractéristiques, comprenant la propriété physique de souplesse et de malléabilité, en même temps que la caractéristique de conductibilité thermique. Conformément à l'invention, un élément d'interface conducteur de la chaleur est destiné à être interposé entre l'enveloppe d'un dispositif semiconducteur encapsulé et une surface de montage pour améliorer la conductibilité thermique entre le dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage, lequel élément d'interface comprend une couche plastique globalement souple et malléable en résine synthétique, qui est néanmoins dure, résistante et de faible impédance ou résistance thermique. A cet égard, la couche plastique est en une résine synthétique choisie dans le groupe constitué des caoutchoucs silicones, résines époxy, polyesters et polyuréthannes. La couche souple et malléable présente avantageusement une dureté d'environ 10 à l'échelle du duromètre Shore-A, un intervalle d'épaisseur entre 10 et 60 s'étant avéré acceptable. Pour améliorer la conductibilité thermique de la matière, la résine est de préférence mise en composition avec une substance destinée à améliorer cette conduc- tibilité. En particulier, les matières utilisées pour améliorer la conductibilité thermique comprennent des isolants électriques tels que l'alumine, le nitrure de bore, le nitrure d'aluminium et des mélanges de ces substances, des mélanges d'alumine et de nitrure de bore, des particules métalliques finement divisées telles que du cuivre, de l'aluminium, de l'acier finement divisé, ou analogue. Ces matières peuvent être additionnées aux caoutchoucs silicones en quantité comprise entre environ % et 50% en volume des matières solides de la composi- tion, le reste étant constitué de matières solides à base de résines. Une liste de ces matières est donnée dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 07/114 855, déposée le 30 Octobre 1987. L'invention a donc pour objet principal un élément d'interface perfectionné destiné à être monté et interposé entre l'enveloppe d'un dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage pour ce dispositif, lequel élément d'interface comprend une couche plastique globalement souple et malléable en résine synthétique ayant une dureté comprise entre environ 10 et 60 au duromètre, à l'échelle Shore-A. Un autre objet de l'invention est de proposer un élément d'interface à monter entre l'enveloppe d'un dispositif semiconducteur encapsulé et une surface de montage pour ce dispositif, dans lequel une couche plastique souple et malléable de résine synthétique est prévue, la résine synthétique étant choisie dans le groupe constitué des caoutchoucs silicones, époxy, polyesters et polyuréthannes et la matière plastique étant chargée de matières solides finement divisées pour améliorer la conductibilité thermique. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective d'un type commun de dispositif semiconducteur encapsulé utilisé dans le passé, et illustrant un élément métallique d'interface sous la forme d'une plaque de masse fixée à une surface plane de l'enveloppe; et la figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif semiconducteur totalement encapsulé, l'élément d'interface selon l'invention étant interposé entre l'enveloppe du dispositif semiconducteur et la surface de montage pour ce dispositif; et la figure 3 est une élévation du dispositif semiconducteur totalement encapsulé de la figure 2, montrant le dispositif monté sur la surface d'un châssis classique, une vis de montage étant utilisée pour fixer le dispositif sur la surface du châssis. Selon la forme préférée de réalisation de l'invention et en référence notamment aux figures 2 et 3, il est montré un dispositif semiconducteur totalement encapsulé 10 dont l'enveloppe est utilisée pour renfermer complètement ou "encapsuler complètement" un dispositif semiconducteur à l'intérieur. En particulier, le dispositif semiconducteur totalement encapsulé 10 comprend une enveloppe ll de laquelle partent des pattes conductrices 12. Un ensemble 14 à écrou et vis relie le dispositif semiconducteur 10 à une plaque de base ou un châssis 15 de montage. On peut utiliser, comme autre moyen de montage, une pince de montage pour serrer mécaniquement le dis- positif semiconducteur contre la surface du châssis. Des dispositifs et/ou appareils semiconducteurs encapsulés du type illustré sur les figures 2 et 3 sont évidemment disponibles dans le commerce. En se référant toujours aux figures 2 et 3, il est prévu un élément d'interface 16 qui est disposé le long de la partie de base du dispositif semiconducteur totale- ment encapsulé 10. L'élément d'interface 16 se présente sous la forme d'une couche ou semelle plastique globalement souple et malléable d'une substance du type résine synthé- tique choisie dans le groupe constitué des caoutchoucs silicones, époxy, polyesters et polyuréthannes, qui renferme avantageusement sous forme de charge ou en composition des particules solides conductrices de la chaleur telles que des particules d'alumine, de nitrure de bore, de mélanges d'alumine et de nitrure de bore, de nitrure d'aluminium ou des particules métalliques finement divisées. La couche 16 est elle-même liée uniformément à une surface plane de l'enveloppe 11 du dispositif semicon- ducteur encapsulé 1î. Pour permettre et faciliter les opérations suivantes d'assemblage, une couche d'adhésif 17 peut être utilisée sur la surface extérieure de la couche 16 d'interface. La surface extérieure de la couche 16 d'interface peut être revêtue d'un film d'adhésif pour faciliter une liaison sur la surface d'un châssis ou d'un autre élément de montage, au lieu de l'ensemble 14 à écrou et vis tel qu'illustré sur la figure 3. Des adhésifs convenables tels que des adhésifs auto-collants, des adhésifs activés par la chaleur ou des adhésifs à base de solvants peuvent être utilisés. Un film de protection, destiné à recouvrir le film d'adhésifs auto-collants lorsqu'il est utilisé, peut être prévu. Ces adhésifs, tels que les adhésifs auto-collants, sont évidemment disponibles dans le commerce. En référence à la figure 3, le dispositif semi- conducteur 10 est représenté monté sur la surface du châssis 15, une couche 16, qui forme l'interface entre le dispositif semiconducteur encapsulé 10 et le châssis 15, étant représentée en place. Comme indiqué, la couche 16 est formée en position sur la surface de l'enveloppe encap- sulante 11 et, par conséquent, elle ne gêne ni ne limite ou ralentit autrement les processus et/ou opérations d'as- semblage normalement rencontrés avec ce type de dispositif. Lorsqu'elle est utilisée, la couche d'adhésif 17 assure une adhérence et une cohérence suffisantes pour constituer un système ayant une solidité et une longévité appropriées. Comme indiqué, l'épaisseur est aussi faible que possible, de préférence inférieure à environ 0,7 millimètre, afin de n'opposer que, voire aucune, impédance ou résistance à la conduction de la chaleur. La caractéris- tique ou propriété de souplesse de la couche, dont la dureté est avantageusement comprise entre 10 et 30 à l'échelle Shore-A du duromètre, convient pour réduire la présence et/ou les apparitions d'air pris, retenu ou non expulsé, et c'est cette particularité qui confère les caractéristiques avantageuses du système. Une dureté mesurée à cette échelle du duromètre, comprise entre 10 et , est apparue convenable. Dans la forme préférée de réalisation, la couche 16 est constituée de caoutchoucs silicones, ayant une épaisseur comprise entre environ 0,127 et 0,254 millimètre. Il est apparu qu'une telle épaisseur présentait une malléabilité convenable pour réduire la présence d'air retenu ou pris, en même temps qu'une dureté mécanique convenable sans nuire à l'intégrité électrique de l'en- semble du dispositif. Dans une autre forme avantageuse de réalisa- tion, la couche 16 est formée en position sur la surface de l'élément de montage ou châssis 15, et elle est conçue pour recevoir sur elle le dispositif semiconducteur encapsulé 10. Dans un tel agencement, le film d'interface est donc appliqué directement sur la surface extérieure du châssis 15. Lors d'une opération suivante d'assemblage, les dispositifs semiconducteurs enveloppés sont donc montés en position dans une configuration correspondant aux exigences de l'assemblage. Les autres paramètres, tels que l'épais- seur et propriétés de l'interface, restent les mêmes que ceux indiqués précédemment. Comme indiqué sur la figure 1, le transistor et/ou tout autre semiconducteur classique, utilisé dans le passé, comporte un plan métallique de masse destiné à établir un contact direct avec le châssis. Cependant, dans certaines applications, l'utilisation d'un tel élément métallique rend difficile l'obtention d'une paire de surfaces complémentaires totalement uniformes et en contact complet. Dans ces cas, les caractéristiques d'inégalité ou d'absence de planéité de l'élément métallique du dispositif semiconducteur et/ou de l'élément de châssis réduisent l'étendue du contact entre l'élément à semelle métallique du dispositif semiconducteur et la surface du châssis de montage. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'élémentd'interface décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Elément d'interface destiné à être monté en position entre l'enveloppe (11) d'un dispositif semiconduc- teur encapsulé (10) et une surface (15) de montage pour ce dispositif afin d'améliorer la conductibilité thermique entre le dispositif semiconducteur encapsulé et la surface de montage, l'élément d'interface étant caractérisé en ce qu'il comporte une couche plastique (16) globalement souple et malléable en une résine synthétique choisie dans le groupe constitué des caoutchoucs silicones, résines époxy, polyesters et polyuréthannes, liée à une surface plane de l'enveloppe du dispositif semiconducteur encapsulé, ladite couche souple et malléable ayant une épaisseur inférieure à environ 0,25 mm et une dureté comprise entre 10 et 60 à l'échelle Shore-A du duromètre. 2. Elément d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche plastique souple et malléable est en caoutchouc siliconé. 3. Elément d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche souple et malléable est en composition avec des particules solides conductrices de la chaleur. 4. Elément d'interface selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules solides conductrices de la chaleur sont choisies dans le groupe constitué d'alumine, de nitrure de bore, de nitrure d'aluminium, de mélanges d'alumine et de nitrure de bore, et de particules métalliques. 5. Elément d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche plastique, souple et malléable présente une dureté d'environ 20 à l'échelle Shore-A du duromètre. 6. Elément d'interface selon la revendication , caractérisé en ce que la couche plastique souple et malléable est constituée d'un caoutchouc siliconé. il 7. Elément d'interface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface extérieure de la couche plastique souple et malléable est revêtue d'un film (17) d'adhésif auto-collant.