Brevet FR2754388A1 — publié le 19980410

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne des modules de dispositif à semiconducteur ainsi que des grilles de connexion afférentes et plus spécifiquement, elle concerne un dispositif à semiconducteur haute puissance adapté pour un montage en surface. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Les modules pour des dispositifs à semiconducteur haute puissance qui peuvent être montés en surface sur un substrat en métal isolé (IMS) ou sur toute autre surface de carte de support plane sont bien connus. Un tel module est présenté dans la demande de brevet des Etats-Unis n 08/583 219 déposée le 4 Janvier 1996 intitulée SURFACE-MOUNT SEMICONDUCTOR PACKAGE. Ces dispositifs sont très bien adaptés pour un montage en surface sur les motifs semiconducteurs de cartes de support planes telles qu'une structure IMS (un substrat épais en cuivre ou en aluminium recouvert d'un film mince d'isolation qui comporte une surface supérieure mince en cuivre conformable ou toute autre surface supérieure soudable conductrice). La présente invention est une amélioration de ce dispositif qui le rend plus efficace et davantage aisément fabriquable. RESUME DE l'INVENTION Selon l'invention, on propose une nouvelle grille de connexion qui peut recevoir une ou plusieurs puces semiconductrices telles qu'une puce de transistor à grille isolée (IGBT) de puissance, une puce IGBT, une puce de diode Schottky et des combinaisons afférentes sur une section de plot plat central. Les puces sont interconnectées par le plot au niveau de leurs surfaces inférieures et au niveau de leurs surfaces supérieures, par des fils de connexion appropriés. La grille de connexion comporte deux bornes d'alimentation qui peuvent être interconnectées au niveau de deux coins adjacents d'un module rectangulaire. Les bornes d'alimentation sont accessibles pour une connexion de façon externe d'un boîtier moulé en plastique plat qui renferme la partie supérieure et les côtés du plot de grille de connexion central. Une pluralité de broches ou bornes de commande qui sont initialement une partie de la grille de connexion mais qui sont isolées du plot de dissipation thermique après moulage du boitier s'étendent depuis le côté du boîtier qui est opposé au côté contenant la borne d'alimentation. Il y a au moins deux bornes ou broches de commande faiblement espacées qui peuvent être liées par fil aux bornes de grille et de cathode ou de détection de courant de la puce dans le boîtier. Une troisième borne éloignée (par rapport aux première et seconde bornes de commande faiblement espacées) est également disponible pour une connexion à une quelconque autre borne, par exemple la borne de grille d'une puce de thyristor si une telle puce est contenue dans le boîtier. La grille de connexion est de préférence une feuille conductrice d'épaisseur constante. Les bornes s'étendant au travers des frontières du boîtier moulé peuvent être partiellement décalées verticalement afin d'assurer un blocage (ou agrippage) de plastique amélioré pour la grille de connexion. Les surfaces inférieures des bornes et du plot de grille de connexion sont dans un plan commun. Le plot de dissipation thermique principal peut comporter des fentes parallèles le traversant sur des côtés opposés de la puce sur le plot afin de constituer un blocage de plastique supplémentaire pour le boîtier moulé. Des gorges en queue d'aronde peu profondes peuvent s'étendre depuis un bord intérieur de ces fentes pour également constituer un blocage de plastique amélioré. La surface du plot peut comporter une surface gaufrée ou ondulée afin d'améliorer le soudage des électrodes de surface inférieure de puce sur le plot. Selon une caractéristique de l'invention, la surface inférieure du plot à monter en surface sur un dissipateur thermique ou un motif conducteur d'une carte IMS peut également être gaufrée afin d'améliorer l'application et le soudage du plot sur le dissipateur thermique et afin d'éviter des vides de soudure dus à une concavité dans la surface inférieure de la grille de connexion. La surface inférieure du boîtier d'isolation est également munie de gorges d'évacuation qui s'étendent sur la totalité de la largeur du boîtier, qui sont parallèles aux côtés contenant des bornes d'entrée et de sortie et qui sont situées entre les bornes et le plot. Ces gorges augmentent la distance de cheminement en surface entre les bornes et le plot et permettent une évacuation du flux de soudure pendant l'application et le soudage. Selon une autre caractéristique de l'invention, des rainures peu profondes et courtes s'étendent depuis les extrémités inférieures des gorges et sur la largeur de la surface inférieure du boîtier afin d'améliorer la fonction d'évacuation du flux. Comme décrit préalablement, les diverses broches de borne sont partiellement cisaillées ou décalées verticalement afin d'améliorer le blocage du plastique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le bord partiellement arrondi de la région décalée est muni d'une petite encoche carrée ou d'un petit coin étagé afin d'assurer un bord net afin d'empêcher l'écoulement du plastique au-dessus des surfaces inférieures de la borne pendant le moulage. En tant qu'autre caractéristique de l'invention, les bornes sont formées à l'aide de perles écrasables allongées au niveau de leurs surfaces latérales de façon adjacente aux parties des bornes juste à l'extérieur du boîtier en plastique. Ces perles sont écrasées vers l'intérieur par l'outil de moulage lorsqu'il se ferme afin de constituer une étanchéité qui empêche le plastique de moulage de s'écouler à l'extérieur et sur les côtés des bornes qui s'étendent au-delà du boîtier, lequel écoulement pourrait sinon interférer avec une connexion de soudure sur les bornes. En tant qu'encore une autre caractéristique de l'invention, une barre de liaison de grille de connexion d'un seul tenant connecte les bornes d'entrée d'alimentation au niveau des deux coins du boîtier et à l'intérieur du boîtier. Des fils de liaison qui partent de la puce à l'intérieur du boîtier sont constitués sur cette unique barre de liaison qui est contenue dans le boîtier. La barre de liaison améliore la connexion de liaison par fil et opère également en tant que blocage de plastique pour le boîtier. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au vu de la description qui suit de l'invention qui se reporte aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Dans le but d'illustrer l'invention, est représentée sur le dessin une forme qui est présentement préférée, étant bien entendu cependant que l'invention n'est pas limitée à l'agencement et à l'instrumentation précis présentés. La figure 1 est une vue de dessus du module du mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 2 est une vue de dessous du module du mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 3 est une vue de côté du module du mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 4 est une vue d'extrémité de l'extrémité de borne d'alimentation principale du module du mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 5 est une vue en coupe d'une carte de support IMS sur laquelle le module des figures 1 à 4 peut être monté; la figure 6 est une vue de dessus de la grille de connexion utilisée dans le module des figures 1 à 4; la figure 7 est une vue en coupe de la figure 6 prise selon une ligne de coupe 7-7 de la figure 6; la figure 8 est une vue de dessous de la grille de connexion de la figure 6; la figure 9 est un agrandissement d'une zone encerclée "A" de la figure 7; la figure 10 est un détail agrandi d'une région encerclée "B" de la figure 3 qui représente le blocage d'une borne de commande dans le boîtier en plastique ainsi que la nouvelle structure de gorges d'évacuation; la figure 11 représente une partie de la grille de connexion plane à épaisseur constante du mode de réalisation préféré de l'invention sans décalage des connexions de borne; la figure 12 représente la grille de connexion de la figure 11 après décalage des connexions de borne; la figure 13 représente la formation d'un coin étagé au niveau d'une région de coin "C" de la figure 12 afin d'empêcher un écoulement de plastique sur la surface inférieure de la borne pendant le moulage; la figure 14 est un agrandissement d'une région encerclée "D" de la figure 6 et elle représente une gorge de blocage de plastique s'étendant depuis l'extrémité de la fente de blocage de plastique dans la grille de connexion; la figure 15 est une vue en coupe de la figure 14 prise selon une ligne de coupe 15-15 de la figure 14; la figure 16 est une vue de dessus d'une borne de grille de connexion détachée et elle représente des bombements ou perles écrasables verticales sacrificielles sur les côtés de la borne qui assurent l'étanchéité de l'outil de moule afin d'empêcher l'écoulement du plastique sur la surface soudable mise à nu de la borne; la figure 17 est une vue de côté de la figure 16; la figure 18 représente la grille de connexion de la figure 6, une puce semiconductrice étant soudée sur le plot et un fil de liaison connectant la puce à des bornes externes, et elle représente la manière selon laquelle la grille de connexion est rognée après que le boîtier moulé (non représenté) est formé; la figure 19 représente un schéma de circuit de la figure 18; la figure 20 représente une structure de l'art antérieur dans laquelle les perles sacrificielles ne sont pas prévues sur les bornes qui s'étendent au travers du boîtier en plastique; la figure 21 représente la borne de la figure 20 selon une vue en perspective avec des protubérances sacrificielles; la figure 22 représente les protubérances sacrificielles après moulage; la figure 23 représente le moule et la borne avant moulage; et la figure 24 représente le moule et la borne après moulage. DESCRIPTION DETAILLEE DES DESSINS Par report maintenant aux figures 1 à 4, l'extérieur du module à montage en surface du mode de réalisation préféré de l'invention est représenté et il est constitué par un boîtier en plastique d'isolation moulé 30 qui est un rectangle allongé et qui incorpore les surfaces supérieures et les parties des bords d'une grille de connexion plane d'épaisseur constante qui peut être en un alliage de cuivre classique d'une épaisseur d'environ 1,27 mm. Selon un mode de réalisation préféré, le boîtier 30 est d'une longueur d'environ 29 mm, d'une largeur d'environ 14,2 mm et d'une hauteur d'environ 4,27 mm. La grille de connexion est décrite de manière davantage détaillée ci-après par report aux figures 6, 7 et 8. Les éléments de grille de connexion représentés sur les figures 1 à 4 sont un plot de dissipateur thermique de grille de connexion 31, des bornes d'alimentation 32 et 33 au niveau des coins d'un bord du boîtier rectangulaire 30 et des bornes ou broches de commande 34, 35 et 36 le long du côté opposé du boîtier. Les bornes 32 à 36 s'étendent sur environ 1 mm au-delà des extrémités du boîtier. Les bornes 34 et 35 sont de préférence faiblement espacées, par exemple d'environ 2,5 mm centre à centre, tandis que les bornes 35 et 36 sont de préférence plus largement espacées, par exemple d'environ 6,0 mm centre à centre. Comme représenté sur la figure 3, les surfaces inférieures du plot 31 et des bornes 32 à 36 sont dans le même plan et permettent d'assurer une connexion sur la surface conformée d'un support de dissipateur thermique tel qu'une carte IMS. La figure 5 représente une section en coupe d'une carte IMS typique qui est constituée par un substrat thermiquement conducteur (alliage de cuivre ou d'aluminium) épais 40 qui est recouvert d'un polymère d'isolation très mince 41. Une couche mince soudable conductrice conformable 42 est disposée sur la surface supérieure de l'isolant 41. Un quelconque motif souhaité peut être formé dans la couche 42 mais sur la figure 5, la couche 42 est séparée selon une partie 42a et selon une pluralité de segments alignés avec les bornes 32 à 36. Seulement les segments 42b et 42c qui sont respectivement alignés par exemple avec les bornes 32 et 34 sont représentés sur la figure 5. Il devient alors commode d'appliquer et de souder la surface inférieure du module des figures 1 à 4 sur la carte IMS de la figure 5 en utilisant des techniques de soudage standards. Afin de contribuer à l'opération d'application et de soudage et afin de l'améliorer, des gorges d'évacuation de flux 50 et 51 (figures 2 et 3) sont formées sur toute la surface inférieure du boitier en plastique 30 entre respectivement les bords opposés du plot 31 et les lignes de bornes 32-33 et 34-36 et parallèlement à ces bords et à ces lignes. Les gorges 50 et 51 présentent de préférence une section en coupe incurvée et un rayon d'environ 0,4 mm. Ces gorges sont très utiles pour contribuer à l'évacuation du flux de soudure après l'opération d'application et de soudage et en outre elles augmentent la distance de cheminement sur la surface en plastique entre le plot 31 et les bornes 32 à 36. Afin d'améliorer la fonction d'évacuation du flux, il a été trouvé utile de prévoir des rainures courtes peu profondes représentées en tant que rainures 60 et 61 sur la figure 10. Les rainures 60 et 61 présentent une profondeur d'environ 0,1 mm et assurent que leurs gorges d'évacuation respectives 50 et 51 sont espacées et ouvertes au- dessus du substrat sur lequel le module est soudé. La grille de connexion elle-même, avant de recevoir une puce ou un boîtier, est représentée sur les figures 6, 7 et 8. Le plot 31 et les bornes 32 à 36 sont des parties d'un seul tenant de la grille de connexion et ces parties sont jointes par des segments qui sont découpés après le surmoulage pour isoler les contacts 34 à 36 vis-à- vis des contacts 32, 33 et vis-à-vis du plot 31 ainsi que les uns vis-à- vis des autres. La grille de connexion contient également une barre de liaison large 70 (figures 6 à 8 et 18) qui connecte les bornes d'alimentation 32 et 33 ensemble et qui joue en outre le rôle de blocage de plastique afin de contribuer à l'ancrage de la grille de connexion dans le boîtier en plastique 30. La barre de liaison 70 sert également de surface de liaison pour des liaisons par fil, comme il sera décrit en connexion avec les figures 18 et 19. La région de plot 31 comporte deux fentes minces parallèles 71 et 72 (figures 6 à 8, 14 et 15) qui se remplissent de plastique pendant l'opération de moulage, ce qui crée également un blocage de plastique, pour contribuer au blocage du plot 31 sur le boîtier 30. Des barbes courtes intentionnelles 73 et 74 s'étendent respectivement depuis les parois internes des fentes 71 et 72, ce qui crée encore un autre blocage de plastique, afin d'ancrer davantage le plot de grille de connexion 31 sur le boîtier en plastique. Afin d'encore contribuer davantage à la fonction de blocage de plastique, des gorges en queue d'aronde 80 à 83 (figures 6, 14 et 15) s'étendent depuis les extrémités des fentes 71 et 72 sur la surface supérieure du plot 31 en direction de ses extrémités. Ces gorges se remplissent de plastique pendant l'opération de moulage afin de bloquer davantage le plot 31 sur le boîtier. Il est à noter que la surface centrale supérieure du plot 31 comporte une surface "gaufrée" 85. La surface supérieure du plot 31 peut être plaquée au nickel et elle présente un motif constitué par des indentations espacées peu profondes (de préférence d'environ 0,05 mm), de préférence des indentations en forme de point d'un diamètre d'environ 0,25 mm espacées centre à centre d'environ 0,6 mm. Il est connu que ce motif de gaufrage améliore l'application et le soudage de la puce sur la surface gaufrée. Selon un autre aspect du mode de réalisation préféré de l'invention, le côté opposé du plot 31 est également muni d'un motif de gaufrage 86 (figure 8). Cette surface est ordinairement plane et lisse mais il a été trouvé que si la surface est légèrement concave, des vides de soudure non souhaitables peuvent être formés pendant le processus d'application et de soudage. Selon l'invention, un motif de gaufrage sur la partie inférieure de la surface de grille de connexion concave améliore sa capacité à être soudée sur une surface de dissipateur thermique plane en augmentant le mouillage et l'écoulement de la soudure entre. La figure 11 représente une coupe transversale d'une partie de la grille de connexion contenant le plot 31 et le contact 36. Cette grille est originellement une grille parfaitement plane munie de surfaces supérieure et inférieure planes. Il a été trouvé que, en déplaçant légèrement les sections de borne de la grille de connexion au moyen d'une opération de matriçage partiel comme représenté sur la figure 12, les bornes sont mieux bloquées dans le boîtier en plastique 30. Le déplacement habituel utilisé est d'environ 0,5 mm pour une grille de connexion d'une épaisseur de 1,27 mm. Il a été trouvé que pendant l'opération de moulage (après ce processus de décalage), le plastique tendait à s'écouler au-delà du bord légèrement arrondi à l'emplacement "C" sur la figure 12, sur la surface inférieure de la borne 36 et sur les autres bornes décalées 32 à 35. Il a été trouvé que le matriçage d'une encoche carrée 95 (figures 9 et 13) au niveau du coin "C" dans chaque borne empêchait cet écoulement non souhaité du plastique. L'encoche 95 est de préférence formée en cisaillant le matériau (par opposition à un cintrage) du fait qu'un tel procédé ne nécessite pas d'espace latéral supplémentaire. L'encoche 95 présente une profondeur d'environ 0,2 mm et une longueur d'environ 0,3 mm. L'encoche 95 est représentée sur les figures 6 et 7 pour chacune des bornes décalées 32 à 36. En tant qu'encore une autre caractéristique du nouveau module, chacune des broches ou bornes s'étendant au travers du boîtier en plastique 30 comporte une ou plusieurs petites perles s'étendant depuis l'épaisseur de la borne. L'épaisseur des perles (ou renflements) 100, 101 peut varier en fonction de l'épaisseur de la grille de connexion. En général, les perles 100, 101 sont d'une épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm. Par conséquent, comme représenté sur les figures 16 et 17, deux perles écrasables 100 et 101 présentant des rayons par exemple d'environ 0,2 mm (pour une grille de connexion de 1,2 mm) peuvent être écrasées ou partiellement aplanies par un outil de moulage afin d'empêcher l'écoulement de plastique au-delà de la frontière définie par les perles 100 et 101. Les perles écrasables sont représentées sur les figures 6 et 7 au niveau de tous les emplacements nécessaires sur la grille de connexion. Les figures 16, 17 et 20 à 24 représentent des détails ajoutés en relation avec les perles écrasables 100 et 101 sur la borne 36 considérée à titre d'illustration. Par conséquent, par report à la figure , il a été trouvé que, pendant le moulage du boîtier 30, il y a un flux incontrôlé constitué par une couche mince de plastique 120, 121 sur les côtés des bornes telles que la borne 36 à l'extérieur du boîtier de moule 30. Ce plastique doit être ôté puisqu'il interfère avec le soudage sur la borne 36. Ce problème a été résolu au moyen des perles écrasables 100 et 101 représentées sur les figures 16, 17 et 21 prévues sur les côtés de la borne 36. Par conséquent, pendant le moulage, les perles 100 et 101 sont écrasées par le moule comme représenté sur la figure 22 de manière à jouer le rôle d'un barrage contre la fuite ou l'écoulement vers l'extérieur du plastique, comme représenté. Il est à noter que des méplats trapézoïdaux sont formés par écrasement dans les perles 100 et 101. Par conséquent, comme représenté sur les figures 23 et 24, le moule 140 comporte une partie de canal à flancs inclinés 141 qui reçoit la borne 36. Lorsque le moule se ferme par rapport à la position de la figure 23, la borne 36 est forcée dans le canal à flancs inclinés 141, ce qui aplanit les perles 100 et 101 en formant respectivement des méplats 150 et 151. Par conséquent, pendant le moulage, les perles écrasées assurent l'étanchéité du canal 141 afin d'empêcher l'écoulement de plastique au-delà des régions écrasées des perles 100 et 101. L'angle de divergence du canal 141 permet la libération aisée de la borne 36 (et de l'ensemble des bornes 32 à 36) après que le moulage est terminé, comme sur la figure 24. La figure 18 représente le plot de grille de connexion 31 après que deux puces de dispositif à semiconducteur 110 et 111 ont été appliquées et soudées sur le plot 31, ce qui est appelé un encapsulage groupé. Les puces 110 et 111 de l'encapsulage groupé peuvent être de n'importe quel type mais elles sont représentées sur les figures 18 et 19 en tant respectivement que transistor à grille isolée (IGBT) de puissance et que diode à temps de transition court (FRED). Il est à noter que sur la figure 19, l'électrode de collecteur de l'IGBT 110 est connectée à la cathode de la diode FRED 111 du fait que ces électrodes sont soudées sur le plot conducteur 31 et sont connectées par celui-ci. Par conséquent, le plot conducteur 31 constitue un moyen permettant d'interconnecter électriquement l'encapsulage groupé à un circuit externe. L'électrode d'émetteur supérieure de l'IGBT 110 est liée par fil tel qu'au moyen de fils 112 sur l'électrode d'anode de la diode FRED 111. Le montage est poursuivi par des liaisons par fil 113 qui sont connectées à la barre de liaison 70 ainsi qu'aux bornes 32, 33. En outre, une liaison par fil 115 est réalisée depuis le plot de grille de l'IGBT 110 sur la borne de grille 35 et une connexion Kelvin d'émetteur 116 peut également être obtenue au niveau de la borne 34, comme représenté sur la figure 18. La description qui précède du mode de réalisation préféré de l'invention a été présentée à des fins d'illustration et de description. Elle n'est destinée ni à être exhaustive, ni à limiter l'invention à la forme précise décrite. De nombreuses modifications et variantes sont possibles à la lumière de l'enseignement présenté ci-avant. Il est bien entendu que le cadre de l'invention est limité non pas par cette description détaillée mais par les revendications qui lui sont annexées. REVENDICATIONS 1. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif à semiconducteur; un plot métallique (31) sur lequel le dispositif à semiconducteur est monté; un boîtier (30) formé en un matériau fluable qui est lié au plot métallique et qui encapsule le dispositif à semiconducteur lorsqu'il durcit; au moins une borne (32 à 36) qui est éloignée du plot métallique et qui est dans le même plan que celui-ci; et au moins une perle écrasable (100, 101) disposée sur une surface latérale de la borne pour empêcher que le matériau fluable du boîtier ne s'écoule au-delà d'un outil de moulage utilisé pour former le boîtier. 2. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module inclut une pluralité de bornes (32 à 36), chaque borne comportant une perle écrasable (100, 101) sur chacune de ses surfaces latérales. 3. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une perle écrasable (100, 101) sur l'une des bornes est alignée axialement avec au moins une perle écrasable sur les autres bornes qui sont situées sur un côté du module. 4. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 3, caractérisé en ce que la perle écrasable est d'une épaisseur comprise entre environ 0,05 mm et 0,5 mm. 5. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la perle écrasable présente un rayon d'environ 0,2 mm. 6. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 1, caractérisé en ce que la perle écrasable (100, 101) inclut un méplat trapézoïdal (150, 151) formé par un dispositif de moulage qui peut écraser la perle. 7. Module de dispositif à semiconducteur à montage en surface selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de moulage comporte une partie de canal à flancs inclinés (141) qui reçoit la borne et la perle et qui aplatit la perle lorsque le moule se ferme.