Brevet FR2707798A1 — publié le 19950120

PROCEDE D'ENCAPSULATION D'UN DISPOSITIF A SEMI-CONDUCTEURS DE PUISSANCE ET ENCAPSULAGE FABRIQUE SELON CE PROCEDE Arrière-plan de L'invention La présente invention concerne un encapsulage en plastique destiné à recevoir un dispositif à circuit intégré à semi-conducteurs, plus parti- culièrement un procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi-conduc- teurs de puissance au moyen d'un châssis conducteur et d'un encapsulage fabriqués selon le procédé d'encapsulation. Dans de nombreux encapsulages pour dispositifs à semi-conducteurs de puissance fabriqués selon divers procédés d'encapsulation convention- nels, une puce à semi-conducteurs de puissance ayant une faible consom- 1o mation énergétique, de 0,5 Watt ou moins, est encapsulée dans un boîtier en plastique, et une autre puce à semi-conducteurs de puissance ayant une forte consommation énergétique, de 0,5 Watt ou plus, est encapsulée au moyen d'un boîtier en céramique, d'un châssis métallique, et autres, de manière à dissiper la chaleur générée au cours du fonctionnement. Un tel encapsulage en plastique dans lequel est encapsulé un disposi- tif à semi-conducteurs de puissance présente plusieurs inconvénients, à savoir que l'interface entre le dispositif à semi-conducteurs et un maté- riau de scellement se détache, et que le dispositif est fréquemment fissu- ré par suite de la différence de coefficient de dilatation thermique entre la puce à semi-conducteurs et le matériau de scellement. De plus, dans cet encapsulage en plastique, un autre inconvénient est que les caracté- ristiques à haute fréquence de la puce à semi-conducteurs de puissance sont détériorées par suite des inconvénients mentionnés ci-dessus. Pour améliorer les caractéristiques à haute fréquence d'une puce à semiconducteurs de puissance dans un encapsulage en céramique, il est nécessaire de déposer un métal comme blindage sur un élément en céra- mique et d'utiliser un couvercle métallique relié à un conducteur de terre métallique, de sorte que le bruit généré dans l'encapsulage peut être capté par le blindage métallique et le conducteur de terre. Les procédés 2 2707798 d'encapsulation d'un dispositif à semi-conducteurs de puissance sont donc compliqués, ce qui se traduit par des coûts d'encapsulation élevés. De plus, cet encapsulage céramique conventionnel présente une réso- nance pour les signaux à haute fréquence, de sorte que les caractéris- tiques à haute fréquence, comme le gain en puissance et les valeurs du facteur de bruit, s'en trouvent détériorées. Pour éliminer la résonance à haute fréquence générée dans les encap- sulages céramiques traditionnels, un encapsulage de type à châssis métal- lique a récemment été développé. Un tel encapsulage de type à châssis métallique présente des caractéristiques à haute fréquence améliorées, mais présente l'inconvénient d'une certaine difficulté d'encapsulation. De plus, comme les caractéristiques d'un dispositif à semi-conduc- teurs de puissance dépendent fortement du gain en puissance et du fac- teur de bruit, un encapsulage de type céramique multicouches a été étudié en tenant compte de l'adaptation d'impédance, afin d'améliorer les caractéristiques à haute fréquence d'un dispositif à semi- conducteurs de puissance qui y est logé. Résumé de l'invention Un objectif de la présente invention est de proposer un encapsulage et un procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi-conducteurs de puis- sance qui permettent de surmonter les inconvénients précédents. Un autre objectif de la présente invention est également de proposer un encapsulage et un procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi- conducteurs de puissance dans lesquels les propriétés à haute fréquence sont améliorées. Un autre objectif de la présente invention est également de proposer un encapsulage et un procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi- conducteurs de puissance qui conviennent à la production en série à faible coût de fabrication. Pour réaliser les objectifs ci-dessus, un procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi-conducteurs de puissance selon un aspect de la présente invention comprend les étapes consistant à préparer un châssis conduc- teur comprenant une patte destinée à recevoir une puce à semi-conduc- teurs sur sa surface supérieure, un conducteur d'électrode de grille, un conducteur d'électrode de drain, et des barres de jonction destinées à soutenir ladite patte, ladite patte étant placée sur une surface horizontale plus basse que les conducteurs d'électrode de grille et d'électrode de drain; à fixer, par un procédé de plaquage par soudage, une plaque d'éva- cuation de la chaleur sur la surface inférieure de la patte; à fixer par bra- sage une plaque en covar sur la surface supérieure de la patte, ladite plaque en covar ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la puce à semi-conducteurs, de manière à éliminer les contraintes provoquées par la différence de coefficient de dilatation ther- mique entre la puce et le châssis conducteur; à apposer par brasage la puce à semi-conducteurs sur la plaque en covar; à relier par des fils de pontage les bornes de la puce à semi-conducteurs aux conducteurs cor- respondants du châssis conducteur, respectivement; à déposer par cen- trifugation un revêtement de polyimide sur la puce à semi-conducteurs; à i0 faire durcir le revêtement de polyimide ainsi réalisé; à fixer par brasage un couvercle métallique au-dessus de ladite patte, de manière à recouvrir la puce à semi-conducteurs avec le couvercle ainsi formé; et à injecter un matériau de moulage dans un moule, pour ainsi encapsuler la patte, puis à faire durcir le matériau de moulage ainsi injecté. Dans ce mode de réalisation, l'étape consistant à fixer ladite plaque en covar est réalisée en utilisant un alliage contenant Pb, In et Ag selon un rapport de 92,5/5/2,5 à une température comprise entre 310 et 320 C. Dans ce mode de réalisation, l'étape consistant à recouvrir et faire durcir ledit polyimide est réalisée avec une vitesse de rotation de 3000 trs/min et à une température de durcissement de 220 C, de manière à obtenir une épaisseur de 5 gm. Dans ce mode de réalisation, l'étape consistant à former ledit cou- vercle métallique est réalisée en utilisant un alliage contenant Sn et Sb dans le rapport 95/5 à une température comprise entre 240 et 250 C. Dans ce mode de réalisation, ladite puce à semi-conducteurs est un transistor de puissance. L'encapsulage destiné à recevoir une puce à semi-conducteurs de puissance selon un autre aspect de la présente invention comprend un châssis conducteur destiné à accueillir une puce à semi-conducteurs, ledit châssis conducteur comprenant un corps, une patte sur laquelle est située la puce à semi-conducteurs de puissance, des barres de jonction reliées chacune à la fois au corps et à la patte et placées sur des côtés op- posés de la patte pour soutenir celle-ci, lesdites barres de jonction étant adaptées en impédance, un conducteur d'électrode de drain relié à un côté du corps, et un conducteur d'électrode de grille situé du côté opposé au conducteur d'électrode de drain; une plaque d'évacuation de la chaleur fixée sur une surface inférieure de la patte; une plaque en covar placée entre la patte et le dispositif à semi-conducteurs de puissance, ladite plaque en covar ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la puce à semi-conducteurs; une couche de polyimide d'épais- seur prédéterminée formée au-dessus de la puce à semi-conducteurs; un couvercle métallique prévu au-dessus du polyimide et relié électrique- ment par brasage aux barres de jonction; et une couche de résine époxy déposée par moulage sur le couvercle métallique, la puce à semi-conduc- teurs étant reliée électriquement par brasage à la plaque en covar, et les bornes respectives de la puce à semi-conducteurs étant reliées élec- triquement par des fils de pontage aux conducteurs correspondants du châssis conducteur. Dans ce mode de réalisation, les barres de jonction sont utilisées comme conducteur d'électrode de source du châssis conducteur. Dans ce mode de réalisation, ladite puce à semi-conducteurs est un transistor de puissance, et une électrode de source du transistor de puis- sance est mise à la terre par l'intermédiaire des barres de jonction. Brève description des dessins La présente invention pourra être mieux comprise et ses objectifs ap- paraîtront plus clairement aux spécialistes en la matière à partir des des- sins annexés, dans lesquels: la Figure 1 est une vue de dessus montrant un châssis conducteur d'un encapsulage selon la présente invention; et les Figures 2A à 2G sont des vues en coupe montrant les étapes de fa- brication d'un encapsulage selon la présente invention. Description détaillée du mode de réalisation préféré Faisant référence à la figure 1, un châssis conducteur 10 inclus dans l'encapsulage de la présente invention comprend un corps 11, une patte 12 sur laquelle se trouve une puce à semi-conducteurs (non représentée), deux barres de jonction 15, 16, chacune étant reliée à la fois au corps 11 et à la patte 12 et toutes deux étant placées sur des côtés opposés de la patte 12 pour soutenir celle-ci, un conducteur d'électrode de drain 14 relié à un premier côté du corps 11, et un conducteur d'électrode de grille 13 relié au corps 11 du côté opposé au premier côté. Les deux barres de jonction 15, 16 servent de conducteur d'électrode de source du châssis conducteur 10. Dans ce mode de réalisation, tenant compte de l'adaptation d'impédance entre le dispositif à semi-conducteurs de puis- sance et le châssis conducteur, ces conducteurs 13, 14, 15 et 16 sont fa- briqués par pressage. De plus, la patte 12 est placée sur une surface hori- zontale plus basse que le conducteur d'électrode de grille 13 et le conducteur d'électrode de drain 14. Les étapes de l'encapsulation d'un dispositif à semi-conducteurs de s 2707798 puissance selon le mode de réalisation de la présente invention vont être décrits dans ce qui suit à partir des Figures 2A à 2G. La Figure 2A montre que la patte 12 est en renfoncement sous la sur- face horizontale de chacun des deux conducteurs d'électrode de grille et d'électrode de drain 13, 14. Sur la surface inférieure de la patte 12 en renfoncement est fixée une plaque d'évacuation de la chaleur 20 plaquée par soudage. La plaque d'évacuation de la chaleur 20 est de préférence constituée de cuivre (Cu). En ce qui concerne la Figure 2B, une plaque en covar 30 est fixée sur 0 la surface supérieure de la patte 12 par un procédé de soudage bien connu en la matière. La plaque en covar 30 possède un coefficient de dila- tation thermique semblable à celui d'une puce 40 à semi-conducteurs de puissance devant y être placée, ce qui permet d'éviter l'apparition de contraintes dues à la différence de coefficient de dilatation thermique entre la puce 40 à semi-conducteurs et le châssis conducteur. Dans ce mode de réalisation, l'étape précédente est réalisée à une température comprise entre 290 et 310 C. Un alliage utilisé dans le procédé de souda- ge contient Pb, In et Ag dans un rapport de 92,5/5/2,5. On réalise ensuite un soudage de puce, comme le montre la Figure 2C. Sur la Figure 2C, la puce 40 à semi-conducteurs est fixée par brasage sur la plaque en covar 30. La puce 40 à semi-conducteurs utilisée dans ce mode de réalisation est une puce à transistor de puissance à effet de champ à semi-conducteur métallique (MESFET de puissance) au GaAs. De préférence, le soudage est réalisé à une température comprise entre 280 et 290 C, et le matériau de soudage utilisé est un alliage contenant Au et Sn dans le rapport 80/20. On procède ensuite à un pontage par fils, comme le montre la Figure 2D. Plus précisément, on utilise un procédé bien connu de pontage par des fils, et les première, deuxième et troisième électrodes de la puce 40 à semi-conducteurs sont reliées électriquement au conducteur d'électro- de de grille 13, au conducteur d'électrode de drain 14 et aux conducteurs d'électrodes de source 15, 16 du châssis conducteur 10, respectivement. La troisième électrode de la puce 40 à semi-conducteurs est reliée élec- triquement au corps 11 par l'intermédiaire de l'un des conducteurs d'- électrode de source 15, 16 devant être mis à la terre. Dans ce mode de réalisation, si la puce 40 à semi-conducteurs est constituée d'un transis- tor de puissance, les première à troisième électrodes de la puce 40 à semi-conducteurs correspondent respectivement à la grille, au drain et à la source du transistor de puissance. Après avoir réalisé les pontages par fils ci-dessus, un polyimide pré- 6 2707798 imidisé (non représenté) est déposé sur la puce 40 à semi-conducteurs par un procédé de centrifugation, puis est durci. Cela permet d'éviter en- suite toute réaction entre la puce 40 à semi-conducteurs et un matériau de moulage devant être moulé par la suite, de sorte que les propriétés à haute fréquence de la puce à semi-conducteurs peuvent être nettement améliorées. Ce procédé de dépôt est conduit avec une vitesse de rotation de 3000 trs/min à une température de 220 C, de sorte que la couche de polyimide présente une épaisseur de 5 gm. De plus, au-dessus de la surface supérieure de la puce 40 à semi- conducteurs est prévu un couvercle métallique 50 couvrant toutes les sur- faces exposées de la plaque en covar 30, et qui est fixé à la patte 12 par soudage, comme le montre la Figure 2E. Ce procédé est effectué à une température comprise entre 240 et 250 C. Pour le soudage, on utilise un alliage contenant Sn et Sb dans le rapport 95/5. Comme mentionné pré- cédemment, le couvercle métallique 50 est relié électriquement au conducteur d'électrode de source 15 ou 16 devant être mis à la terre, ce qui permet d'améliorer de manière substantielle les propriétés à haute fréquence de la puce 40 à semi-conducteurs. Cela est dû au fait que le châssis conducteur 10 et les électrodes de grille 13, de drain 14 et de source 15, 16 sont conçus en tenant compte d'une adaptation d'impédan- ce. Enfin, on réalise un moulage plastique et un durcissement, comme le montre la Figure 2F. Dans ce but, une résine époxy comme matériau de moulage est injectée dans un moule selon une technique de moulage clas- sique, puis elle est durcie à une température comprise entre 175 et C. La fabrication de l'encapsulage destiné à recevoir le dispositif à semi-conducteurs de puissance est ainsi terminée. Selon la présente invention, comme l'encapsulage plastique produit par le procédé d'encapsulation peut être fabriqué selon un procédé de moulage des matières plastiques et comme une adaptation d'impédances est prise en compte si un châssis conducteur est prévu, le procédé d'en- capsulation de la présente invention peut recourir à des techniques d'en- capsulation plastique classiques. De plus, l'encapsulage plastique selon la présente invention peut pré- senter des coûts de fabrication largement abaissés par rapport à ceux d'un procédé classique d'encapsulage céramique. Additionnellement, selon la présente invention, un couvercle métal- lique mis à la terre par l'intermédiaire d'un conducteur d'électrode de source inclus dans l'encapsulage peut protéger contre un bruit créé dans l'encapsulage, et les propriétés à haute fréquence du dispositif à semi- conducteurs de puissance peuvent ainsi être améliorées. De plus, du fait que, dans le procédé d'encapsulation selon la présente invention, on dépose un polyimide après avoir réalisé les pontages par fils, l'encapsulage plastique ainsi produit présente une fiabilité supérieure et les procédés s'en trouvent simplifiés. Il va de soi que diverses autres modifications apparaîtront et pourront aisément être effectuées par les hommes de l'art sans sortir du cadre ni de l'esprit de la présente invention. En conséquence, la portée des reven- dications ci-après n'est en rien limitée par la description présentée ci- dessus, mais les revendications doivent plutôt être comprises comme en- globant toutes les caractéristiques de l'innovation brevetable qui résident dans la présente invention, y compris toutes les caractéristiques qui se- raient considérées comme équivalentes par les spécialistes de la tech- nique à laquelle appartient la présente invention. REVENDICATIONS 1. Encapsulage destiné à recevoir une puce à semi-conducteurs de puissance comprenant: un chassis conducteur (10) sur lequel est placée une puce (40) à semi-conducteurs, ledit châssis conducteur (10) comprenant un corps (11), une patte (12) sur laquelle est située la puce (40) à semi-conduc- teurs de puissance, des barres de jonction (15, 16) reliées chacune à la fois au corps (11) et à la patte (12) et placées sur des côtés opposés de la patte (12) pour soutenir celle-ci, un conducteur d'électrode de drain (14) relié à un côté du corps (11), et un conducteur d'électrode de grille (13) situé du côté opposé au conducteur d'électrode de drain (14) et relié au corps (11); une plaque (20) d'évacuation de la chaleur fixée sur une surface infé- rieure de la patte (12); une plaque en covar (30) placée sur la patte (12), ladite plaque en covar (30) ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la puce (40) à semi-conducteurs; une couche de polyimide d'épaisseur prédéterminée formée au-dessus de la puce (40) à semi-conducteurs; un couvercle métallique (50) prévu au- dessus de la patte (12) et relié électriquement par brasage aux barres de jonction (15, 16); une couche de résine époxy déposée par moulage sur le couvercle mé- tallique (50), dans lequel la puce (40) à semi-conducteurs est reliée électriquement par brasage à la plaque en covar (30), et les bornes respectives de la puce (40) à semi-conducteurs sont reliées électriquement par des fils de pon- tage aux conducteurs correspondants du chassis conducteur (10), et dans lequel la patte (12) se trouve sur une surface horizontale plus basse que le conducteur d'électrode de grille (13). 2. Encapsulage selon la Revendication 1, dans lequel les barres de jonction (15, 16) sont adaptées en impédance comme conducteur d'élec- trode de source du châssis conducteur (10). 3. Encapsulage selon la Revendication 2, dans lequel une électrode de source de la puce (40) à semi-conducteurs est mise à la terre par l'inter- médiaire des barres de jonction (15, 16) servant de conducteur d'électro- de de source. 4. Procédé d'encapsulation d'un dispositif à semi-conducteurs de puissance comprenant les étapes qui consistent à: préparer un chassis conducteur (10) comprenant une patte (12) des- tinée à recevoir une puce (40) à semi-conducteurs sur sa surface supé- rieure, un conducteur d'électrode de grille (13), un conducteur d'électro- de de drain (14), et des barres de jonction (15, 16) destinées à soutenir ladite patte (12), ladite patte (12) étant placée sur une surface horizontale plus basse que le conducteur d'électrode de grille (13) ou que le conduc- teur d'électrode de drain (14); fixer, par un procédé de plaquage par soudage, une plaque (20) d'éva- cuation de la chaleur sur la surface inférieure de la patte (12); fixer par brasage une plaque en covar (30) sur la surface supérieure de la patte (12), ladite plaque en covar (30) ayant un coefficient de dilatation thermique similaire à celui de la puce (40) à semi-conducteurs, de ma- nière à éliminer les contraintes provoquées par la différence de coeffi- cient de dilatation thermique entre la puce (40) et le châssis conducteur (10); apposer par brasage la puce (40) à semi- conducteurs sur la plaque en covar (30); relier par des fils de pontage les bornes de la puce (40) à semi- conducteurs aux conducteurs correspondants du châssis conducteur (10), respectivement; déposer par centrifugation un revêtement de polyimide sur la puce (40) à semi-conducteurs; faire durcir le revêtement de polyimide ainsi réalisé fixer un couvercle métallique (50) au-dessus de ladite patte (12), par brasage, de manière à recouvrir la puce (40) à semi-conducteurs avec le couvercle ainsi formé; et injecter un matériau de moulage dans un moule, pour ainsi encapsuler la patte (12), puis faire durcir le matériau de moulage ainsi formé. 5. Procédé selon la Revendication 4, dans lequel l'étape consistant à fixer ladite plaque en covar (30) est réalisée en utilisant un alliage conte- nant Pb, In et Ag selon un rapport de 92,5/5/2,5, à une température comprise entre 310 et 320 C. 6. Procédé selon la Revendication 4, dans lequel l'étape consistant à déposer et faire durcir ledit polyimide est réalisée avec une vitesse de ro- tation de 3000 trs/min et à une température de durcissement de 220 C, de manière à obtenir une épaisseur de 5 gim. 7. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape consistant à former ledit couvercle métallique (50) est réalisée en utilisant un alliage contenant Sn et Sb dans le rapport 95/5, à une température comprise entre 240 et 250 C.