Brevet FR2674465A1 — publié le 19921002

i "Procédé pour souder deux pièces, notamment un composant électrique, et/ou une plaquette semi- conducteur" Etat de la technique La présente invention concerne un procédé pour souder une première pièce, notamment un composant électrique à une seconde pièce, notamment un composant électrique, une pièce de forme de soudage étant placée entre les composants et par pressage contre les bords, elle est fixée dans au moins une cavité de l'un des composants pour éviter un glissement transversal, puis on procède au soudage, de préférence dans un four à souder. Les composants électriques ou électroniques comme par exemple les plaquettes de semi-conducteur, sont soudés dans le boîtier pour assurer le contact électrique, permettre l'évacuation de la chaleur et être protégés contre les accidents Dans une réalisation connue d'une diode de puissance, on fixe par exemple la plaquette de silicium entre deux pièces en cuivre de forme cylindrique, en procédant par soudage Dans ce cas, on place une rondelle de soudure sur un cylindre en cuivre, puis par dessus, on place la plaquette (chip) et enfin une seconde rondelle de soudure sur l'autre cylindre en cuivre Les deux pièces cylindriques en cuivre ont chaque fois une cavité centrale dans laquelle, les anneaux de soudure déformables relativement facilement, sont maintenus après une légère application pour éviter tout décalage ce qui se fait par la pénétration des bords de la cavité dans la soudure molle Pendant la mise en place des pièces (cylindre en cuivre avec une rondelle de soudure/chip/cylindre de cuivre avec une rondelle de soudure), puis le soudage consécutif dans un four à passage, on maintient les pièces dans un magasin (perçage réalisé dans un organe de support) Cela est nécessaire car les pièces sont transportées sur des bandes transporteuses au cours des fabrications évoquées ci-dessus Pour arriver à des débits de fabrication importants, les bandes transporteuses sont soumises à des accélérations importantes entre les postes de travail En l'absence de magasin, il y aurait des décalages entre les différentes pièces. En particulier, dans les composants semi- conducteurs évoqués ci-dessus (par exemple une diode de puissance), on utilise des chips de grande surface (supérieure à 10 mm 2) pour réduire les pertes de puissance pendant le fonctionnement et permettre une bonne évacuation de la chaleur Or, il faut pour assurer une bonne évacuation de la chaleur, former des couches de soudure minces (l'épaisseur de la couche de soudure doit se situer entre environ 20 x 10-6 m et x 10-6-) Si au cours du soudage, il se produit des cavités dans la couche de soudure, cela détériore la conduction thermique, de sorte que l'on recherche une soudure ne présentant pratiquement pas de telles cavités Les moyens à mettre en oeuvre pour cela sont considérables Les surfaces des chips sont recouvertes de couches de métal particulièrement résistant à l'oxydation (or, argent) Les pièces de raccordement (par exemple les pièces en cuivre, cylindriques évoquées ci-dessus) sont nettoyées de manière particulière Le montage se fait dans une salle blanche Le soudage se fait dans des fours à moufle sous une atmosphère réductrice de gaz extrêmement pur (H 2 ou N 2/H 2)- Malgré la mise en oeuvre de tels moyens, on observe des cavités dans les couches de soudure. Celles-ci sont provoquées par des inclusions d'air entre la pièce formée de soudure et la pièce de raccordement correspondant Une source de telles enclaves d'air est la fixation de la pièce de forme de soudure sur la pièce de raccordement (composants). Cette fixation de la pièce de forme de soudure est néanmoins nécessaire avant le soudage pour éviter le déplacement déjà évoqué entre la pièce de raccordement, le chip et/ou la pièce de forme de soudure L'utilisation évoquée ci-dessus de stockage, pour aligner les pièces les unes par rapport aux autres, n'est pas suffisante, car la pièce de forme de soudure n'est pas guidée (alignée) par le magasin, à cause de sa petitesse Comme d'une part, on veut réaliser des couches de soudure minces et que d'autre part, à cause de la déformation facile de la soudure molle, les pièces de forme de soudure de faible épaisseur ne peuvent pas être travaillées automatiquement, il est nécessaire d'avoir une pièce de forme de soudure plus épaisse avant soudure, que l'épaisseur de la couche de soudure qui se forme ultérieurement Pour cette raison, la dimension (diamètre) de cette pièce de forme de soudure avant soudage, est plus petite que la dimension/diamètre des pièces à souder Pour l'alignement des pièces les unes par rapport aux autres, la dimension du perçage du magasin correspond au diamètre des pièces Pour les raisons évoquées ci-dessus, la pièce de forme de soudure a un diamètre plus faible, ce qui ne permet pas de l'aligner à partir de la paroi du perçage Il est ainsi nécessaire à cause de l'aboutement décrit ci-dessus avant le soudage, de fixer la pièce de forme de soudure sur l'une des pièces pour éviter tout glissement latéral Si un tel glissement se produisait, cela aboutirait à des couches de soudure de qualité plus mauvaise en forme de coin entre les pièces Après l'opération d'aboutement, les pièces de forme de soudure sont fixées de manière centrée sur la surface de soudage des pièces à relier. Il est connu selon le document US-A- 3 860 949, de réaliser des encoches droites, parallèles, juxtaposées sur des surfaces à souder de composants Cela sert à améliorer le soudage; toutefois, le document ci-dessus ne suggère nullement d'utiliser de telles encoches en même temps pour accrocher les pièces de forme de soudage. Jusqu'à présent, pour accrocher la pièce de forme de soudure sur la pièce, on réalise un perçage central (cavité) pour que lors de la réunion, les bords du perçage puissent pénétrer dans la pièce de forme de soudure, malléable Il s'est avéré que le risque de formation de grandes cavités est considérable. Avantages de l'invention Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la cavité est réalisée sous la forme d'un chemin fermé, notamment d'une encoche circulaire et offre vis-à-vis de cela l'avantage d'une fixation certaine entre la pièce et la pièce de forme de soudure et après le soudage, le risque de formation de cavités est extrêmement faible La formation de cavités ne peut être totalement exclue; elle est néanmoins très fortement réduite et si cavités il y a, elles sont très petites et sont pratiquement négligeables Pour arriver à ce résultat, la cavité est réalisée sous la forme d'une encoche ayant un tracé fermé, notamment circulaire L'encoche peut ainsi correspondre à un anneau de cercle, un anneau ovale ou un anneau à tracé irrégulier, mais néanmoins fermé Il est préférable de choisir une encoche de forme circulaire. Selon un mode de réalisation particulier, on réalise plusieurs encoches concentriques Cela est particulièrement avantageux si les pièces (par exemple la pièce de raccordement et le chip semi-conducteur) ont une symétrie de rotation Les encoches situées sur des cercles concentriques sont particulièrement intéressantes pour bien accrocher une pièce de forme de soudure en disque Il est en particulier possible d'utiliser les pièces de forme de soudure à structure circulaire Lors du matriçage de pièce de forme de soudure, circulaire ou en disque, du fait de l'encoche circulaire ou des encoches concentriques, on conserve la symétrie de rotation. Les surfaces de soudage présentent de préférence une légère convexité vers la pièce de raccordement, et qui présente son point le plus haut au milieu de la surface On évite ainsi légalité centrale Les nervures en elles-mêmes fermées, renforcent l'écoulement régulier symétrique de la pièce de forme de soudure, vers l'extérieur, si bien que l'ensemble du chip est concerné par le point de soudage Par la disposition à symétrie radiale, décrite, on réalise une distribution homogène de la soudure sous le chip Cette répartition régulière est favorisée par les encoches concentriques (nervures circulaires) De plus, le procédé selon l'invention, accroche la pièce de forme de soudure de manière centrée sur la surface de soudage On évite ainsi des positions inclinées relatives des pièces De plus, la réalisation symétrique en rotation des encoches, assure une compensation régulière de la dilatation sous l'effet des contraintes de température alternées, c'est-à-dire que la symétrie en rotation reste conservée. Il est prévu en particulier que l'encoche présente une section triangulaire La profondeur de l'encoche est comprise entre 10 et 60 x 10-6 m, en particulier environ 30 x 10-6 m Le diamètre de l'encoche circulaire est de préférence égal à 0,5 1,5 mm et notamment 0,9 mm. Cette dimension s'applique à l'encoche circulaire la plus au centre (du milieu de l'encoche au milieu de l'autre encoche) Si d'autres encoches sont prévues de manière concentrique, elles sont distantes radialement (du milieu d'une encoche au milieu d'une autre encoche) de préférence 0,2 à 0,6 mm et notamment 0,4 mm. Un exemple de réalisation de l'invention sera décrit ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre deux pièces de raccordement entre lesquelles se trouvent des pièces de forme de soudure et un chip semi-conducteur, la figure 2 montre le montage à la figure 1 placé dans un magasin d'alignement, la figure 3 est une coupe transversale d'une partie d'une pièce de raccordement, la figure 4 est une vue de dessus correspondant à la figure 3. Description de l'exemple de réalisation La figure 1 montre des détails d'une diode de puissance Il convient de remarquer que l'invention ne se limite pas au soudage des pièces constituant une diode de puissance, mais à n'importe quelles pièces qu'il faut relier par soudage. Entre deux pièces de raccordement 1 et 2 cylindriques, nickelées, on place un chip semi- conducteur 3, notamment un chip de silicium Le chip de silicium peut avoir une forme de carré avec une longueur de côté de 4,5 mm Pour pouvoir souder les pièces de raccordement 1 et 2 au ship semi- conducteur 3, on place des pièces de forme de soudure 4 et 5 respectives entre chaque pièce de raccordement 1, 2 et le ship semi-conducteur 3 Les pièces de forme de soudure 4, 5 sont de préférence des rondelles de soudure 6, 7 en forme de disque Les deux rondelles de soudure 6, 7 ont un diamètre de 1,7 mm et une épaisseur de 0,6 mm. Les faces 8, 9 des deux pièces de raccordement tournées vers chacune des rondelles de soudure 6, 7 sont munies de plusieurs encoches 10 concentriques Cela apparaît aux figures 3 et 4 qui montrent seulement une partie de la pièce de raccordement 2 La pièce de raccordement 1 a une structure correspondante et ne sera pas plus détaillée. Chaque encoche 10 correspond à un tracé fermé 11 Ce tracé 11 est de préférence circulaire (voir figure 4) Les encoches 10 sont de préférence matricées dans la surface des pièces de raccordement 1, 2 Ce matriçage peut se faire pendant la mise en forme de la pièce sur le même outil ou après la mise en forme avec un poinçon de matriçage distinct. Selon la figure 3, la profondeur des encoches est égale à 30 x 10-6 m Le diamètre de l'encoche circulaire 10 de plus petit diamètre est égal à a = 0,9 mm La distance radiale séparant deux encoches concentriques 10 est de l'ordre de b = 0,4 mm De préférence chaque pièce de raccordement 1, 2 comporte six encoches 10 concentriques. Pour les rondelles de soudure 6, 7, on utilise une soudure ayant en composition 96 % en poids de plomb et 4 % en poids d'étain avec un degré de pureté de 99,99 % Les rondelles de soudure 6, 7 sont placées concentriquement sur les surfaces 8, 9 des pièces de raccordement 1, 2 et sont pressées La pression exercée est de 50 KN/cm 2 qui constitue un optimum Par cette opération de mise bout à bout, les arêtes des encoches 10 s'enfoncent dans la soudure malléable, de sorte que les rondelles de soudure 6, 7 sont bloquées pour éviter tout glissement latéral. Selon la figure 2, les pièces sont placées dans le perçage 12 d'un magasin 13 La pièce de raccordement 2, inférieure, reçoit la rondelle de soudure 7 Sur celle-ci on place alors le chip semi- conducteur 3 Le raccordement supérieur se fait avec la pièce de raccordement 1 sur laquelle se fixe la rondelle de soudure 6 Le diamètre du perçage 12 est choisi pour correspondre au diamètre extérieur des pièces de raccordement 1, 2 et les coins du chip semi- conducteur, droits. Les rondelles de soudure 6, 7, ont un diamètre plus petit que les pièces de raccordement 1, 2 de sorte qutelles ne peuvent être alignées par la paroi du perçage 12 Mais comme du fait de la compression, elles sont fixées sur les encoches 10 des pièces de raccordement 1, 2, elles restent en place même en cas de secousse ou pendant le procédé de fabrication suivant. Pour la mise en oeuvre du soudage, on met le magasin 13 dans un four à moufle à passage Il y règne une température de préférence de 380 * C + / 50 C et une atmosphère de gaz de formage de 88 % en volume de N 2 et 12 % en volume de H 2. Sous l'action de la chaleur du four à moufle à passage, les pièces de forme de soudure fondent et les encoches circulaires 10 garantissent l'étalement de la soudure de façon symétrique en rotation Lorsque les pièces (pièces de raccordement 1, ship semi- conducteur 3, puis pièces de raccordement 2) quittent le four à moufle à passage, elles sont réunies par soudage et au cas o il y aurait des cavités, elles sont en nombre très réduit et de très faible dimension, la dimension des cavités étant limitée par l'intervalle des encoches 10. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention se traduit par une réduction significative des charges en température des diodes de puissance pour des charges de fonctionnement pour la durée des impulsions Cela ralenti l'augmentation de la résistance thermique sous l'effet de contraintes de température alternées, appliquées à la pièce (couplage thermique meilleur et plus fiable du ship semi- conducteur 3 aux pièces de raccordement 1,2 (puits à chaleur)). R E V E N D I C A T I O N S 1) Procédé pour souder une première pièce, notamment un composant électrique à une seconde pièce, notamment un composant électrique, une pièce de forme de soudure étant placée entre les deux pièces et celle-ci est bloquée contre le glissement latéral par compression au niveau des bords d'au moins une cavité de la pièce, puis l'ensemble est soumis à une opération de soudage, de préférence dans un four à souder, procédé caractérisé en ce que la cavité est réalisée sous la forme d'un chemin fermé ( 11), notamment d'une encoche circulaire ( 10). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par plusieurs encoches ( 10) réalisées concentriquement les unes par rapport aux autres. 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'encoche ( 10) présente une section triangulaire. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'encoche semi- circulaire ( 10) est concentrique par rapport à la pièce présentant une symétrie de rotation (pièce de raccordement 1,2). ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pièce est une pièce de raccordement ( 1, 2) et la seconde pièce est une plaquette semi-conducteur ( 3). 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de forme de soudure ( 4, 5) est en forme de rondelles de soudure ( 6, 7), structure en disque. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre des rondelles de soudure ( 6, 7) est inférieur au diamètre de la première et/ou de la seconde pièce (pièces de raccordement 1, 2; ship semi-conducteur 3). 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur (d) de l'encoche ( 10) est comprise entre 10 et 60 x 10-6 m, notamment 30 x 10-6 m. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre (a) de l'encoche circulaire ( 10) est de 0,5 à 1,5 mm, notamment égale à 0,9 mm. 10) procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance radiale (b) de plusieurs encoches concentriques ( 10) est respectivement comprise entre 0,2 et 0, 6 mm et est notamment égale à 0,4 mm.