Brevet FR2648620A1 — publié le 19901221

CIRCUIT HYBRIDE FONCTIONNANT SOUS HAUTE TENSION La présente Invention concerne un circuit hybride, adapté pour travailler sous de fortes' tensions sans risques de claquage. Elle concerne de préférence les circuits hybrides de puissance, pour lesquels une tension élevée est appliquée afin d'augmenter la puissance délivrée par le module de circuit hybride. Généralement, les modules de puissance sont réalisés dans un boîtier métallique tel que représenté en plan en figure 1, le couvercle étant enlevé. Ce boîtier 1 est en métal épais et bon conducteur de la chaleur, de façon à bien dissiper les calories dégagées en cours de fonctionnement. Il est muni de moyens de fixation sur un dissipateur, et comporte une pluralité de connexions d'accès extérieur 2, qui, sur cette figure, traversent les cloisons latérales du boitier 1.Les connexions 2 pcuvant également traverser le fond du boitier, ou être repliées à angle droit, à l'extérieur. Le circuit hybride encapsulé dans ce boîtier peut être monolithique, sur un substrat d'alumine ou d'oxyde de béryllium, mais dans le cas d'un circuit de puissance, et surtout s'il est alimenté sous haute tension, il est préférable qu'il soit fractionné en plusieurs éléments, dits porteurs de puces. Chaque élément 3 de substrat supporte soit une puce 4 de transistor de puissance, par exemple, soit une pluralité de composants 5 de signal, capacités, diodes etc..., ainsi que les métallisations d'interconnexions de tous ces composants entre eux. Pour clarifier la figure, ces Interconnexions ainsi que les fils de connexions aux bornes d'accès extérieur 2 ne sont pas représentées. Ce type de montage, par porteurs de puces. permet de tester séparément chaque composant avant assemblage dans le boîtier. La tendance naturelle en électronique des semiconducteurs est de densifier au maximum les circuits, mais, si le circuit hybride doit fonctionner sous haute tension, par exemple 1000 V, le risque est grand qu'il y ait des claquages en tension entre les fils d'interconnexions des puces, les pistes métallisées déposées sur les éléments de substrat 3, et le boîtier 1 qui est normalement à la masse. En effet, les distances entre des éléments portés à des potentiels différents sont courtes, et. ces éléments baignent dans l'air, dont la rigidité diélectrique est de l'ordre de 1000 V/mm. Afin de pouvoir faire fonctionner un tel module hybride sous de fortes tensions, sans perdre sur la compacité du circuit, et sans augmenter les dimensions du boîtier, l'invention propose d'enrober au moins l'un des porteurs de puces, s'il n'y en a qu'un qui soit alimenté sous haute tension, au moyen d'une résine organique de rigidité diélectrique élevée, par exemple 20 000 V/mm, en tous cas plus élevée que celle de l'air. Cette résine est coulée sur la face du support de puce 2G qui porte le composant haute tension, l'autre face, métallisée, étant brasée sur le fond du boîtier. Pour obtenir une épaisseur de résine suffisante pour y noyer les fils d'interconnexions, et pour obtenir une géométrie définie en surface du porteur de puce, cette résine qui est à l'origine fluide, avant sa polymérisation, est coulée à l'intérieur d'un cordon, conforme à la géométrie désirée, formé par une autre résine plus pâteuse. Les différentes qualités de résines silicones disponibles répondent bien à ces impératifs. De façon plus précise, l'invention concerne un circuit hybride fonctionnant sous haute tension, comportant, à l'intérieur d'un boitier, une pluralité de porteurs de puces, dont chacun comprend un substrat, au moins un composant brasé sur le substrat, et des métallisations de prises de contacts ainsi que des fils d'interconnexion du composant avec lesdites - métallisations, ce circuit hybride é-ant caractérisé en ce que au moins l'un des porteurs de puces, alimenté sous haute tension, est protégé localement par un enrobage de la face du substrat qui porte le composant et les métallisation, au moyen de deux résines à grande rigidité diélectrique, supérieure à 15000 Vmm 1. L'invention sera mieux comprise, sa simplicité et ses avantages ressortiront mieux de la description plus détaillée qui suit, en s'appuyant sur les figures jointes en annexes, qui représentent - Figure 1: vue en plan d'un boitier de circuit hybride, selon l'art connu, détaillé précédemment; - Figure 2: vue en plan d'un porteur de puce, qui sert de base a la protection haute tension selon l'invention; - Figure 3: le porteur de puce de la figure 2, muni de la !5 protection selon l'invention - Figure 4: vue en coupe du porteur de puce de la figure 3 - Figure 5: vue en coupe d'un module de circuit hybride haute tension, dans son boîtier, selon l'invention. 2M * De façon à être plus claire, l'invention sera exposée en s'appuyant sur le cas d'un porteur de puce de transistor de puissance, soit un MOS, soit un bipolaire, mais il est bien entendu que l'invention s'applique à tout composant tel que transistor de signal, diode, ou pavé de capacité, alimenté sous haute tension. Par haute tension on entend de l'ordre d'au moins 800 à 1000 V. La figure 2 représente, vu en -plan, un porteur de puce avant sa protection haute tension. C'est une plaquette 3, sensiblement carrée, d'alumine, oxyde de béryllium ou nitrure d'aluminium, dont la face inférieure est métallisée en 6 - visible sur la figure 4 - en vue de sa brasure dans le boîtier 1. La face supérieure de la plaquette 3 supporte une puce 4 de transistor de puissance, elle-même brasée par sa face arrière sur une métallisation 7 déposée sur la plaquette 3 de substrat: ladite métallisation 7 assure, par exemple, le contact de drain du transistor 4 si c'est un transistor à effet de champ. Deux autres métallisations 8 et 9 sont déposées sur la face supérieure de la plaquette 3 de substrat: l'une est connectée par un fil métallique 10 à la source du transistor 4, et l'autre est connectée par un fil métallique 11 à la grille du transistor. Un composant 12, tel que self ou capacité, est souvent Interconnecté entre grille et source. En raison de la haute tension en. service, les trois métallisations 7, 8 et 9 sont déposées le long des bords de la plaquette 3, pour établir le plus grand espace possible entre elles, mais il n'en demeure pas moins que - la métallisation 7 est au potentiel de drain VD - la métallisation 8 est au potentiel de source VS - la métallisation 9 est au potentiel de grille VG et que les différences de potentiel VD-V et VD-V peuvent et que le s difeecsd oete V-Ge VD-S peuvent être importantes: 1000 V ou plus. Cependant, la rigidité diélectrique de l'air, de l'ordre de -1 1000 V. mm, impose une distance minimale entre les métallisations 7, 8 et 9, tandis que la géométrie du composant impose une limite en tension dans son utilisation. La distance dans l'air entre les métallisations de grille et source, sur la face supérieure de la puce de transistor 4 et la métallisation de drain, sur la face inférieure de la même puce, est d'environ 1 mm, soit 1000 V maximum: 400 pm du bord de la puce, plus 600 pan d'épaisseur de puce. Il est possible d'augmenter la tension de service, donc la puissance délivrée, au moyen d'une protection localisée selon l'ilnvention, dont une forme préférée est représentée en figure 3. Une forme simple consiste. à recouvrir la face supérieure de la puce du transistor 4 par une couche de résine silicone, qui enrobe les métallisations de grille et source, augmentant la tension de claquage par fuite en surface de la puce, vers la métallisation de drain. Mais cela n'empêche pas un éventuel claquage en tension entre les fils 10 et Il et la métallisation 7, ou entre les métallisations 8 et 9 et la métallisation 7. C'est pourquoi une forme préférée de l'invention comporte un cordon 13 d'une première résine silicone, ou de toute autre résine ayant des propriétés comparables, qui entoure la puce de transistor 4, et recouvre partiellement les métallisations 7, 8 et 9 de reprises de contacts. Cette première résine, déposée à la seringue, doit avoir une viscosité suffisante pour ne pas fluer, mais au contraire former un barrage. La forme géométrique donnée au cordon 13 peut être irrégulière, et commandée par des Impératifs technologiques. En particulier, elle doit réserver des plages telles que 15, 16 et 17 sur les métallisations 7, 8 et 9: ces plages sont destinées d'abord au test en puissance du composant 4, avant son brasage dans le boîtier 1, ensuite au câblage de fils d'interconnexions entre porteurs de puces assemblés dans le boitier. A l'intérieur de ce cordon 13 est coulée une seconde résine silicone 14, qui noie la surface de la puce 4, les fils de contacts 10 et 11, et les surfaces de métallisations 7, 8 et 9 comprises à l'intérieur du cordon 13. Cette seconde résine 14 doit être fluide, de haute pureté ionique, et avoir une rigidité -1 diélectrique élevée, par exemple 20.000 V.mm. Ainsi, à l'intérieur du volume délimité par le cordon 13, il n'y a plus d'air, et les matériaux sont soit le substrat 3, soit une résine, tous deux à constante diélectrlque élevée. La figure 4, en coupe, permet de mieux voir la seconde résine 14, qui se distingue mal sur la figure 3, en plan. La protection localisée selon l'invention permet de gagner en densité d'intégration, puisque les espacements de 1000 -1 V.mmn 1 dans l'air deviennent 15 000 ou 20 000 V.mmn'1 sous protection localisée par résine, ce qui permet de réduire les intervalles entre pistes conductrices, jusqu'aux limites de la technologie utilisée: 200 pm pour les métallisations en couches épaisses, 50 glm pour les couches minces. De la même façon, les pistes conductrices déposées sur le substrat 3, et extérieures à la zone protégée sous résine 13 + 14, peuvent avantageusement être protégées par un isolant de surface déposé par exemple par sérigraphie, hors des plages de test 15, 16 et 17. La protection localisée selon l'invention permet de monter des porteurs de puces fonctionnant sous haute tension dans des boitiers métalliques de faible épaisseur, comme le montre la figure 6. Les parties conductrices étant noyées dans une résine à grande rigidité diélectrique, il n'y a plus de risque de claquage en tension avec le couvercle du boitier. Ce risque est ainsi limité au niveau des traversées de cloisons par les connexions 2 d'accès extérieur, mais ceci sort du domaine de l'invention. D'après son fondement même, l'invention est applicable quels que soient le substrat, le ou les composants protéges, les technologies utilisées pour déposer des métallisations ou souder des fils. La seule contrainte est l'exigence d'une bonne adhérence des résines sur le substrat du porteur de puce. - L'invention est appliquée préférentiellement aux circuits hybrides de puissance, formés par une pluralité d'éléments testables séparément, et Interchangeables en cas de nécessité, ( sans que la totalité du circuit hybride soit de ce fait rebutée. Elle est définie par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Circuit hybride fonctionnant sous haute tension, comportant, à l'intérieur d'un boîtier, une, pluralité de porteurs de puces, dont chacun comprend un substrat (3), au moins un composant (4) brasé sur le substrat (3), et des métallisations (7,8,9) de prises de contacts ainsi que des fils (10,11) d'interconnexion du composant (4) avec lesdites métallisations (7,8,9), ce circuit hybride étant caractérisé en ce que au moins l'un des porteurs de puces, alimenté sous haute tension, est protégé localement par un enrobage de la face du substrat (3) qui porte le composant (4) *et les métallisations (7,8,9), au moyen de deux résines (13,14) à grande rigidité diélectrique, supérieure à 15 000 Vmm 2. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protection localisée comprend un cordon extérieur (13) formé par une première résine de viscosité élevée, qui permet de couler à l'intérieur du cordon une deuxième résine d'enrobage (14), fluide avant polymérisation, de haute pureté ionique, et présentant une bonne adhérence avec le matériau du substrat (3). 3. Circuit hybride selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cordon extérieur de résine (13) recouvre au moins partiellement les métallisations (7,8,9) déposées sur le substrat (3), et dégage sur celles-ci des plages (15,16,17) destinées aux tests électriques et aux interconnexions. 4. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que la présence de matériaux à grande rigidité diélectrique autour du composant (4), des métallisations (7,8,9) et fils d'interconnexions (10,11) permet de réduire les distances entre parties portées à haute tension, dans le rapport de la rigidité diélectrique des résines (15-20.000 V. 1) à la rigidité diélectrique de l'air (1000 V.mm-1). 5. Circuit hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que les métallisations situées sur le substrat (3) en dehors de la région protégée localement (13+14), sont protégées en surface par une couche d'isolant sérigraphiée. 6. Circuit hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les première (13) et deuxième (14) résines sont des silicones.