Brevet FR2663785A1 — publié le 19911227

BOITIER POUR COMPOSANTS SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE La présente invention concerne le domaine des semiconducteurs de puissance et plus particulièrement des boîtiers adaptés à de tels cxlxxsants. Un exemple de boîtier classique pour cOmpOsants semiconducteurs de puissance est le boîtier décrit dans le brevet américain 4 510 677 et commercialisé par la société SGS-thomson Microelectrcnics sous la marque déposée ISOTOP. Un tel boîtier peut contenir un ou plusieurs composants de puissance et comprend un nombre de pièces relativement important. Par exemple, dans la figure 1 de ce brevet américain, on peut voir un boîtier compre- nant une embase métallique sur laquelle est posse une plaquette d'un matériau isolant électriquement et bon conducteur de la chaleur, par exemple une céramique d'alumine à faces métallisées. Sur cette plaquette électriquement isolante est placée une plaquette électriquement conductrice servant de répartiteur thermique, par exemple en cuivre, sur laquelle sont fixées par brasure des puces de caposants électroniques de puissance. Des cosses, faisant initialement partie d'une grille de connexion, sont reliées à des plots appropriées des composants de puissance par des fils d'or et l'ensemble est encapsulé dans un boîtier de matière plastique ou moulé dans de la matière plastique. les diverses pièces susmentionnées, et notamment l'embase et les cosses sont relativement épaisses pour permettre un écoulement sans dissipation thermique notable du courant susceptible de circuler dans le composant de puissance. De tels boîtiers souffrent de deux inconvénients qui apparaissaient jusqu'ici carme inévitables : la nécessité d'assembler plusieurs pièzes élémentaires et leur poids relativement important dû à la quantité de matière métallique utilisée. Un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau type de boîtier pour composants de puissance qui soit particulièrement simple, léger et peu coûteux. Dans ce qui précède et dans la description qui suit, on entend par composant semiconducteur de puissance, un composant susceptible de laisser passer des courants électriques importants et dont le boîtier comprend des cosses destinées à être fixées à des barres ou câbles conducteurs par vissage, brasure, soudure, etc. Ces cosses doivent donc présenter une bonne conduction électrique et thermique. Pour atteinre ces objets, la présente invention prévoit un boîtier pour composants semiconducteurs de puissance composé d'un profilé en un matériau tricouche conducteur-isolant- oeur, le fond du profilé formant embase pour recevoir au moins un posant de puissance et les ailes du profilé formant des cosses de connexion, la couche conduccrice supérieure du profilé étant gravée pour former des surfaces équipotentielles depuis la région de dnaue cosse jusqu'à une région proche du composant à partir de laquelle est établie une liaison avec un ou plusieurs plots du ou des composants. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les ailes sont repliées selon un plan parallèle à l'embse. La présente invention, prévoit aussi un procédé de fabrication d'un tel boîtier canprenant les étapes suivantes a) partir d'un flan d'un matériau trioeucbe conduabeur- isolant-conducteur, b) graver la couche supérieure de ce matériau pour former des régions distinctes dont les unes correspondent à des plages de soudure des faces arrières des ctsants et les autres aux diverses cosses du boîtier, c) souder le ou les composants sur lesdites plages de soudure, d) connecter par des fils conducteurs les plots du composant aux zones de cosses appropriées, et e) replier et découper le flan pour former des ailes constituant des cosses de connexion. Ces objets, caratéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers de la présente invention faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles:: la figure 1 représente une vue en coupe d'un support de circuit imprimé classique la figure 2 représente un exemple de vue de dessus d'une portion d'un circuit imprimé classique; la figure 3 représente une vue en coupe partielle selon la ligne III-III de la figure 2 la figure 4 représente une vue en perspeaLive hÉma- tique d'un boîtier selon la présente invention; la figure 5 représente une vue de dessus du boîtier selon la présente invention lors d'une étape préliminaire de fabrication; la figure 6 représente une vue de dessus d'une variante d'un boîtier selon la présente invention lors d'une étape préliminaire de fabrication; et la figure 7 illustre un montage utilisant la variante de boîtier de la figure 6. La figure 1 représente une plaque de circuit imprimé telle que celle disponible sous l'appellation Thermal Clad auprès de la société Bergguist, Minneapolis, Minesotta, USA. Cette plaque comprend une couche inférieure métallique 1 en aluminium, d'une épaisseur de l'ordre du millimétre, une couche mince 2 ayant la fonction d'un isolant électrique et d'un ooeducteur thermique et une couche supérieure de cuivre 3. On a également représenté au-dessus de la couche de cuivre 3 une abouche de résine 4 permettant la gravure par photolithographie de la couche de cuivre selon un motif de circuit imprimé désiré. La figure 2 représente une vue de dessus d'un exemple d'une partion de circuit imprimé formé à partir d'une plaque du type illustré en figure 1, la figure 3 étant une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. Dans la vue de dessus de la figure 2, on a représenté un composant à montage en surface 11 et un dipôle à montage en surface 12 reliés à des plots de connexion, eux-même reliés à d'autres plots de connexion ou à des éléments d'un connecteur 13 par des conducteurs 14. Un avantage de ce type de circuit imprimé est qu'il permet de monter directenwt des composants de puissance en boîtiers ou sous forme de puces nues dont l'une des faces est soudée à une portion de cuivre laissée en place pour assurer une répartition des contraintes thermiques. La face arrière 1 du circuit imprimé peut dans certaines applicaticss être reliée à un radiateur. Il est également prévu par le fabricant de ces circuits imprimés d'utiliser des profilés formés à partir de telles plaques multicouches pour servir de radiateur à de multiples compo- sants de moyenne puissance. Dans ce cas, ce sont les cosses normales des composants, mis individuellement en boîtier, qui servent de cosses de connexion. Ainsi, on ne peut pas considérer le rail thérmique propose par la société Bergguist carme un boîtier autonome comprenant ses propres cosses de connexion. Par contre, la présente invention prssse comme cela sera exposé ci-apres de former à partir d'une plaque du type de celle représentée en figure 1 un boîtier autonome muni de cosses de connexion pour le montage d'un ou plusieurs composants de puissance. La figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un boîtier selon la présente invention muni de trois cosses de connexion correspondant par exemple à deux bornes de puissance (aollecteur et émetteur, drain et source, anode et cathode, ...) et à une borne de commande (base, grille, gâchette, ...) d'un composant de puissance (transistor bipolaire, transistor MOS, thyristor, ...). Ce boîtier est constitué d'un profilé formé à partir d'un flan 20 tel qu'illustré en figure 5. Ce flan est constitué d'un morceau d'une plaque telle que celle illustre en figure 1. le profilé comprend une embase 21 et des ailes formant cosses 22, 23 et 24.Les ailes 22, 23 et 24 sont dans des plans parallèles à l'embase 21 et en sont solidaires par des flancs ortgonaux 26 et 27. Dans les figures 4 et 5, on a représenté par des hachures des régions où la couche métallique supérieure (la ouche 3 de la figure 1) a été enlevée. Il reste ainsi dans ce mode de réalisation quatre plages métallisées isolées les unes des autres : une plage centrale 30 sur l'embase destine à revoir la face arrière du composant semiconducteur, une plage 31 se prolongeant sur la partie formant cosse 22, une plage 32 se prolongeant sur la partie formant cosse 23, et une plage 33 se prolongeant sur la partie formant cosse 24. Dans le cas où le composant de puissance monté dans le boîtier est un transistor, la plage 31 sera reliée par des fils 41 au collecteur, la plage 32 par des fils 42 à l'émetteur, et la plage 33 par des fils 43 à la base. Ainsi, grâce à la présente invention, un profilé unique remplace toutes les pièces d'un boîtier classique de composants de puissance (embase, isolant, répartiteur et grille de conexion). Canne dans le cas d'un boîtier classique, on pourra immerger le composant et les fils de cnexion dans une matière plastiqua d'encapsulation, ou bien en versant simplement quelques gouttes de produit d'encapsulation sur la pcce semiconduaLrice, ou bien en réalisant un moulage, ou encore en positionnant un capot en matière plastiqua et en le remplissant de produit d'encapsulation. Dans les ailes 22, 23 et 24, des trous 45, 46 et 47 sont destinés à permettre une fixation par vis et ecous aux barres de liaison que l'on utilise habituellement pour connecter des composants de haute puissance. Ou notera la forme particulière de l'aile associée à l'électrode de commande qui permet de laisser passer le long de l'aile 23 une barre parallèle à une barre posée le long de l'aile 22.Dans la figure 5 on a représenté une zone hachurée autour de chacun des trous pour indiquer un enlèvement de la couche supérieure. Eti effet, dans certains cas on utilisera des vis métalliques vissées dans la couche inférieure (aluminium) et l'on ne souhaite pas qu'il y ait continuité électrique avec la portion de la couche supérieure (cuivre) en vis à vis. La figure 6 représente une vue de dessus d'un flan constituant une variante de la présente invention. Came en figure 5, il est prévu une embase 21, des flancs 26 et 27, des ailes 22, 23 et 24 oerressndant à des oosses de connexion. Toutefois dans ce cas l'aile 24 vient, une fois repliée, dans le prolongement du plan de l'aile 23. En outre, on a représenté en pointillés un composant principal 50, par exemple un transistor MOS de puissance vertical (VDMOS), dont la face arrière constitue une électrode principale qui est solidaire de la métallisation 31 se terminant sur l'aile 22. La métallisation 32 se terminant sur ltaile 23 est reliée à ce composant principal par des fils de connexion 42 et la métallisation de commande ou de grille 33 est reliée par des fils 43 à l'électrode de grille du transistor MOS de puissance. On a aussi représenté un opposant auxiliaire 51, par exemple une diode, dont la face principale constitue une électrode reliée à la même métallisation 31 que la face arrière du composant principal 50.La face supérieure de la diode est reliée par des fils 52 à la métallisation 23. Cette diode se donc donc en parallèle sur les électrodes principales du composant de puissance. La figure 7 représente un mode de montage d'un boîtier constitué à partir du flan de la figure 6. Un radiateur 60 est fixé à l'embase 21 par des vis ou des boulons 61 et 62 passant par des ouvertures zonages dans celle-ci. On a également représenté en pointillés une barre de connexion 64, courament une barre de cuivre, destinée à être fixée par des vis 65 et 66 à une cosse principale 22 du boîtier. Parmi les avantages du boîtier selon la présente inven- tion, on peut noter les points suivants - grande simplicité de réalisation, - faible coût, - faible poids, - faible diffécce de niveau entre le plan des cosses principales et le plan de l'errlbase, - possibilité de fabrication et de montage simultanés d'un grand nature de boîtiers à partir de plaques de grande surface découpees ensuite en flans et conformées en boîtiers individuels, - possibilité de préparer sous forme de boîtiers électri quement indépendants mais non séparés mécaniquement deux ou plusieurs boîtiers destinés à réaliser par exemple un montage en pont. - possibilité d'obtention de boîtiers très plats à pistes larges et donc de faibles inductances parasites. Bien entendu, la présente invention est susceptible de très nombreuses variantes qui seront réalisées par l'homme de l'art pour s'adapter à des besoins spécifiques de montage ou d1encapsulation. Par exemple, si l'on souhaite remplir complèment le boîtier d'un produit encapsulant initialement liquide, an pourra prévoir des flancs prolongeant l'embase 21 et venant se replier perpendiculairement à cette embase et aux flancs 26 et 27. Ces flancs supplémentaires pourront aussi être prolonges d'ailes formant cosses. Des figures 4 à 7 représentant des boîtiers comprenant seulement trois cosses. On pourrait également prévoir des boîtiers à plus grand nombre de cosses. On a décrit ci dessus la fabricatian d'un boîtier selon la présente invention à partir d'une plaque de circuit imprimé existant actuellement dans le commerce. Plus généralement, la présente invention envisage la fabrication d'un boîtier à partir d'une plaque tricouche, la couche inférieure étant une couche métallique, la couche médiane un isolant électrique bon conducteur thermique, et la couche supérieure une couche métallique susceptible d'être gravée. L'homme de l'art pourra préférer conformer la plaque en profilé avant ou après positionnement et connexion des composants semiconducteurs. REVENDICATIONS 1. Boîtier pour composants semiconducteurs de puissance caraabérisé en ce qu'il est composé d'un profilé en un matériau triccxlche conducteur-isolant-conducteur, le fond (21) du profilé formant embase pour recevoir au moins un composant de puissance et les ailes (22, 23, 24) du profilé formant des cosses de connexion, la couche conductrice supérieure du profilé étant gravée pour former des surfaces équipotentielles (31, 32, 33) depuis la région de chaque cosse jusqu'à une région proche du composant à partir de laquelle est établie une liaison avec un ou plusieurs plots du ou des coeposants. 2. Boîtier selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailes sont repliées selon un plan parallèle à l'essase. 3. Procédé de fabrication d'un boîtier pour composants semiconducteurs de puissance selon la revendication 1, oeracté- risé en ce qu'il asnprend les étapes suivantes a) partir d'un flan (20) d'un matériau tricouche conducteur-isolant-conducteur, b) graver la couche supérieure de ce matériau pour former des régions distinctes (30, 31, 32, 33) dont les unes correspondent à des plages de soudure des faces arrières des composants et les autres aux diverses cosses du boîtier, c) souder le ou les wosants sur lesdites plages de soudure, d) connecter par des fils conducteurs les plots du composant aux zones de cosses appropriées, et e) replier et découper le flan pour former des ailes constituant des cosses de conexion. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape e) prend place avant l'étape c). 5. Procédé selon la revendioetion 3, caractérisé en ce qu'il canprend en outre l'étape consistant à protéger le cappa sant par un matériau d'encapsulation.