Brevet FR2849533A1 — publié le 20040702

ASSEMBLAGE D'UN COMPOSANT SEMICONDUCTEUR La présente invention concerne le domaine des semiconducteurs et plus particulièrement l'assemblage d'une ou plusieurs puces semiconductrices dans lesquelles ont été réalisés un ou plusieurs composants semiconducteurs. L'invention s'applique 5 plus particulièrement au domaine des semiconducteurs de puissance o des puces semiconductrices contenant au moins un composant vertical sont formées dans toute l'épaisseur de la tranche de silicium. La figure 1 représente, de façon très schématique, une 10 vue en coupe d'une puce semiconductrice 1 constituant une diode (jonction PN) dans l'épaisseur d'une tranche semiconductrice (par exemple, en silicium). Généralement, une telle diode est réalisée dans un substrat 2 de type N dont la face arrière 3 est dopée N+ et 15 constitue la cathode de la diode. L'anode de la diode correspond à un caisson 4 dopé P+ réalisé dans le substrat 2 depuis sa face avant. La jonction PN est donc verticale dans la tranche semiconductrice. Les contacts d'anode et de cathode de la diode sont 20 pris par des plots métalliques 5 et 6, le plot 6 étant réalisé en face arrière du substrat 2 alors que le plot 5 est réalisé au niveau du caisson 4, dans une ouverture pratiquée dans un anneau d'oxyde isolant 7 ayant pour fonction d'isoler le substrat N de la face avant de la diode. Un problème se pose pour monter une telle diode sur une grille de connexion conductrice 8 (lead frame) quand on 5 souhaite qu'elle repose sur cette grille par son anode, c'est-àdire que la métallisation 5 de contact côté anode soit rapportée contre la grille de connexion 8. En pratique, la grille de connexion 8 sert également d'élément de dissipation thermique (radiateur), et à ressortir les contacts hors du boîtier formé 10 par encapsulation dans une résine. L'assemblage par l'anode risque de court-circuiter la jonction PN en périphérie de la puce 1. En effet, lors de l'assemblage, la puce 1 est soudée sur la grille 8 par l'intermédiaire d'un matériau de brasure conducteur 9. On assiste alors 15 à une remontée du matériau de brasure en périphérie du circuit 1 (voir la flèche f en figure 1). Cette remontée peut dépasser l'épaisseur de l'oxyde 7 et atteindre le substrat 2. Dans ce cas, la diode se trouve court-circuitée et le circuit semiconducteur est hors d'usage. Ce problème de remontée de brasure ou de soudure se pose non seulement lors de la connexion sur une grille conductrice 8 mais également en cas d'empilement de plusieurs puces semiconductrices pour réaliser, par exemple, un assemblage série de plusieurs diodes. De même, des problèmes similaires peuvent se rencontrer pour tout composant semiconducteur ayant au moins une jonction PN verticale. Une première solution connue pour pallier cet inconvénient est de retourner la puce semiconductrice afin de souder la 30 cathode sur la grille de connexion. Une telle solution ne résout pas le problème car elle n'effectue pas le montage par l'anode souhaité. De plus, cette solution ne résout pas le problème en cas d'empilement de plusieurs puces semiconductrices. La figure 2 représente, de façon très schématique et par une vue en coupe, une deuxième solution connue pour résoudre le problème de remontée de brasure court-circuitant une jonction PN d'une puce semiconductrice 1. Une telle solution consiste à prévoir une grille de connexion 10 dite à piédestal 11. Ce piédestal 11 correspond à une surélévation de la partie centrale de la grille de connexion 10 par rapport à sa périphérie sur une surface légèrement inférieure à la surface de la puce 1. En figure 2, la puce 1 n'a pas 10 été détaillée. Celle-ci est alors rapportée par sa face avant (son anode), comme dans le mode de réalisation de la figure 1. Le volume de soudure 9 se trouve cependant contenu en périphérie du piédestal 11, ce qui évite sa remontée en périphérie de la puce. Une variante consiste à prévoir, dans la grille de 15 connexion, une gorge périphérique de réception du surplus de brasure autour de la puce 1. Un inconvénient de cette deuxième solution est qu'elle requiert une grille de connexion 10 spécifique à chaque circuit semiconducteur à assembler et notamment spécifique à chaque 20 taille de puce. La présente invention vise à pallier les inconvénients des solutions d'assemblage connues pour des composants verticaux dans lesquels existe un risque de court-circuit par remontée de brasure lors de l'assemblage. La présente invention vise notamment à proposer un nouveau type d'assemblage de puces semiconductrices dans lesquelles est réalisé au moins un composant vertical. L'invention vise également à proposer une solution qui soit compatible avec un empilement de puces pour réaliser des 30 associations en série de composants semiconducteurs. L'invention vise également à proposer une grille de connexion pouvant servir à plusieurs tailles de puces. Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente invention prévoit un procédé d'assemblage d'au moins une première puce semiconductrice contenant au moins un composant vertical, sur une surface support, consistant: à prévoir, sur la surface support, des zones de réception de bossages conducteurs ou analogues; à prévoir, sur une face de la puce semiconductrice destinée à être raccordée à la surface support, lesdits bossages conducteurs répartis à l'aplomb des zones de réception, tous les bossages conducteurs étant connectés électriquement en parallèle que ce soit côté puce semiconductrice ou côté surface support; 10 à rapporter la puce semiconductrice sur la surface support; et à provoquer la fusion des bossages conducteurs. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, une résine isolante est apposée sur la surface 15 support, préalablement à l'apposition de la puce semiconductrice. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, la résine est une résine sans effet capillaire. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente 20 invention, lesdites zones de réception sont régulièrement réparties. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, la surface support est une grille de connexion, lesdites zones de réception étant constituées par des empreintes en creux 25 dans cette grille de connexion, régulièrement réparties. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, la surface support est constituée par une surface d'une deuxième puce semiconductrice, les zones de réception de bossage conducteur étant constitué par au moins une zone métallisée. Selon un mode de mise en oeuvre de la présente invention, la surface de réception est constituée par des zones métallisées disjointes régulièrement réparties. La présente invention prévoit également un circuit de puissance constitué de deux diodes en série, chaque diode étant 35 constituée dans une puce semiconductrice verticalement, les deux puces étant empilées par application du procédé d'assemblage de l'invention. La présente invention prévoit également un circuit de puissance remplissant la fonction de deux diodes à anode 5 commune, chaque diode étant constituée dans une puce semiconductrice dont l'anode est connectée à une grille de connexion par la mise en oeuvre du procédé d'assemblage de l'invention. La présente invention prévoit également un circuit de puissance réalisant la fonction d'une diode et d'un transistor 10 MOS de commande dont le drain est connecté à l'anode de la diode, la diode et le transistor sont constitués chacun d'une puce semiconductrice rapportée sur une grille de connexion par la mise en oeuvre du procédé d'assemblage de l'invention, la grille de connexion constituant le point commun entre l'anode et 15 le drain. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes 20 parmi lesquelles: la figure 1 décrite précédemment représente, de façon très schématique, un exemple classique d'assemblage d'une diode; la figure 2 décrite précédemment représente, de façon 25 très schématique et en coupe, un deuxième exemple d'assemblage classique d'une puce semiconductrice; les figures 3A et 3B représentent, respectivement en vue de dessus et en coupe partielle, un mode de réalisation d'une grille de connexion selon la présente invention; les figures 4A, 4B et 4C illustrent, par des coupes schématiques, un mode de mise en oeuvre du procédé d'assemblage selon la présente invention; les figures 5A et 5B représentent, respectivement par une vue en coupe et par le schéma électrique équivalent, un mode de réalisation d'un premier circuit de puissance selon la présente invention; les figures 6A et 6B représentent, respectivement en coupe et par le schéma électrique équivalent, un mode de 5 réalisation d'un deuxième circuit de puissance selon la présente invention; et les figures 7A et 7B représentent, respectivement en coupe et par le schéma électrique équivalent, un mode de réalisation d'un troisième circuit de puissance selon la présente 10 invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments et étapes qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront 15 décrits par la suite. En particulier, les détails de réalisation des puces semiconductrices n'ont pas été exposés et ne font pas l'objet de la présente invention sauf pour ce qui concerne la définition de zones éventuelles de réception de bossages conducteurs de raccordement. La présente invention sera décrite en relation avec un exemple d'application au montage d'une puce semiconductrice de type diode PN sur une grille de connexion. On notera toutefois que, sauf précision contraire, tout ce qui sera décrit en relation avec cet exemple s'applique plus généralement quel que 25 soit le composant semiconducteur vertical assemblé ainsi qu'à l'empilement de plusieurs puces semiconductrices. Une caractéristique de la présente invention est de prévoir, dans la surface de la grille de connexion destinée à recevoir la puce semiconductrice, des empreintes (creux) défi30 nissant des zones de réception de bossages conducteurs ou billes conductrices disposés en surface de la puce semiconductrice à monter. Une autre caractéristique de la présente invention est de noyer ces billes conductrices dans une résine isolante. De 35 préférence, la résine est de type connu sous sa dénomination anglo-saxonne "no flow underfill", c'est-à-dire sans effet capillaire qui, par rapport à une résine de type "flow underfill", présente l'intérêt de servir également d'activateur de brasure. Les figures 3A et 3B représentent, de façon schématique par une vue de dessus et une vue partielle en coupe, un mode de réalisation d'une grille de connexion selon la présente invention. Dans l'exemple de la figure 3A, la grille de connexion 10 20 est représentée dans son intégralité, c'est-à-dire qu'elle comprend une première zone 21 destinée à recevoir une puce semiconductrice (non représentée) et une deuxième zone 22 pourvue d'un trou central 23 pour raccordement d'un radiateur. En elle-même, la structure d'une telle grille de connexion en 15 deux zones est classique. Selon la présente invention, on prévoit, dans la zone 21 de réception de la puce semiconductrice, des empreintes en creux 24 destinées à recevoir ultérieurement des bossages conducteurs. De façon classique, la grille 20 est réalisée dans 20 un matériau conducteur (thermiquement et électriquement) par exemple, de l'aluminium ou du cuivre. Les empreintes sont présentes sur la plus grande surface possible de la zone 21. La répartition (pas) des empreintes 24 dépend de la répartition prévue des bossages conducteurs sur la face 25 assemblée de la puce semiconductrice. Selon la présente invention, les bossages conducteurs de cette puce semiconductrice ne sont pas destinés à des raccordements individuels comme ce serait le cas pour un circuit intégré, mais à un raccordement de puissance s'apparentant à une mise en parallèle 30 de toutes les connexions par bossage jusqu'à la grille 20. De plus, les bossages sont prévus directement sous la puce pour connexion directe. De préférence, les empreintes 24 sont régulièrement réparties dans la partie 21. Ainsi, côté puces, il suffit de respecter le pas de répartition pour être en mesure d'utiliser une même grille pour des puces de tailles différentes. Les figures 4A à 4C illustrent trois étapes successives de mise en oeuvre du procédé d'assemblage selon la 5 présente invention. Ces représentations sont schématiques, notamment pour ce qui concerne la puce semiconductrice 1. Selon l'invention, des bossages ou billes conductrices sont réalisés dans la face 31 de la puce semiconductrice destinée à reposer contre la grille de connexion 20. En figure 10 4A à 4C, seule la partie centrale 21 de la grille de connexion a été représentée. Selon l'invention, une résine 32 est déposée sur la partie 21 de la grille de connexion avec un volume choisi pour recouvrir finalement l'ensemble de la surface occupée par la 15 puce. Cette résine est isolante et est, de préférence, de type "no flow underfill". Dans une deuxième étape (figure 4B), la puce semiconductrice 1 est plaquée sur la surface 21 en ayant, par des moyens classiques, aligné les bossages conducteurs 30 avec 20 les empreintes 24 de la grille de connexion. Puis (figure 4C) en même temps qu'une pression sur le dessus de la puce, on provoque par chauffage une fusion des bossages conducteurs 30 qui sont alors retenus par la résine 32 en étant localisés dans les empreintes 24. Parmi les différents rôles joués par la résine 32, on notera celui d'absorber des contraintes mécaniques notamment en cisaillement. En particulier, cela permet de compenser l'affaiblissement d à la présence de bossages conducteurs à la place d'un plan de brasure continu. Un deuxième rôle de la résine, dans le mode de mise en oeuvre préféré o il s'agit d'une résine sans effet capillaire, est de servir d'activateur de brasure, ce qui permet de supprimer la couche d'oxyde superficielle nécessaire au brasage et présente sur la grille de connexion. Un troisième rôle de la résine 32 est d'éviter que, lors de la fusion, les bossages conducteurs se rejoignent et débordent de la puce comme ce serait le cas si toute la surface de réception était brasable. Un avantage de l'invention est d'éviter, côté grille de connexion, de localiser les zones de brasure par différenciation de matériaux, toute la surface restant alors brasable. Cela simplifie considérablement la fabrication de la grille de connexion. Un autre avantage de l'invention est qu'une même grille de connexion peut servir à plusieurs puces de circuit intégré de types différents contrairement à une solution à piédestal telle qu'illustrée par la figure 2. En particulier, une fois une grille de connexion conçue avec un certain pas 15 d'empreintes 24, il suffit lors de la conception de la puce de circuit intégré, de prévoir le même pas pour les bossages conducteurs. Un autre avantage de l'invention est que la solution adoptée est compatible avec des circuits semiconducteurs de 20 puissance. En effet, la section conductrice disponible entre la puce et la grille de connexion reste importante grâce à la multiplicité des bossages conducteurs électriquement en parallèle. A titre d'exemple particulier de réalisation, on 25 pourra utiliser, comme résine, une résine sans effet capillaire choisie parmi les résines connues sous les dénominations commerciales suivantes: Litton Kester 9126 LX2-140-1, Ablestik RP677 ou Cookson Staychip 2076E.JH02. Les figures SA et 5B représentent un mode de réali30 sation d'un circuit de puissance formé, dans un même boîtier, de deux diodes identiques en série, dit "diode tandem". La figure 5A représente la vue en coupe schématique de l'assemblage des composants. La figure 5B représente le schéma électrique équivalent du circuit réalisé. Il s'agit de deux diodes Di et D2 en série. Ces deux diodes sont des diodes haute tension (de plusieurs centaines de volts), par exemple, identiques. Selon l'invention, une première diode Dl réalisée dans 5 une première puce est rapportée et soudée (9) par sa cathode K de façon classique sur une grille de connexion 8. Ici, comme la cathode porte sur la grille de connexion, celle-ci n'est pas nécessairement une grille à empreintes propre à l'invention. En effet, côté cathode K de la diode, la métallisation 6 est 10 entièrement disponible et une soudure classique peut intervenir dans la mesure o le risque de court-circuit avec la zone P enterrée n'existe pas. Une grille à empreintes n'est toutefois pas exclue. La face d'anode A de la diode Dl comporte, comme cela 15 a été exposé en relation avec les figures 4A à 4C, des zones métalliques 33 de réception de bossages conducteurs 30. Ces zones 33 jouent le rôle des empreintes 24. Ici, les bossages eux-mêmes qui ont été apposés sur la deuxième diode D2 formée dans une deuxième puce 1'. Dans cet exemple, ils ont été apposés 20 sur la cathode K (zone 34) de la diode D2 dont l'anode constitue la face terminale de dessus de la diode tandem. La métallisation 5 de l'anode de la diode D2 est soudée (9'), par exemple à un fil conducteur 13 de connexion à une patte du boîtier. En pratique et de façon classique, une telle patte (non 25 représentée) correspond à une zone de la grille de connexion séparable par découpe une fois l'ensemble encapsulé (noyé dans une résine). Bien que cela ne soit pas ici indispensable dans la mesure o les zones de réception des bossages conducteurs sont 30 définies par des couches de métallisation et risquent donc moins de s'étendre que sur une grille de connexion entièrement brasable, on peut prévoir également une résine isolante (non représentée). Cela présente alors l'avantage de consolider mécaniquement l'ensemble et de protéger les différentes zones 35 actives de la puce. il En variante, les zones 33 sont remplacées directement par la métallisation 6, pourvu qu'elle ne s'étende pas jusqu'au bord de la puce. En effet, la brasure ne risque ici pas de remonter de façon gênante, d'une part parce qu'il n'est pas 5 nécessaire d'appliquer une pression comme pour l'assemblage de la puce sur la grille, d'autre part parce qu'elle risque moins de s'étendre hors de la métallisation 6 en raison du caractère non brasable de ce qui l'entoure (oxyde). Un avantage de l'invention est qu'elle permet de 10 superposer aisément deux puces semiconductrices qui, de façon classique, devaient être placées côte à côte sur une grille de connexion. L'économie en surface est donc importante. Les figures 6A et 6B illustrent un mode de réalisation d'un deuxième circuit de puissance selon l'invention qui 15 consiste à réaliser (figure 6B) un montage de deux diodes Dl et D2 identiques à anodes A communes. Le montage côté anode s'effectue côté grille de connexion 21. Les cathodes K sont alors toutes deux accessibles par la face libre du circuit réalisé pour connexion externe. En figure 6A, les billes 34 ont 20 été représentées avant fusion et deux gouttes de résine 32 ont été représentées. En variante, une seule goutte de résine est prévue sur toute la grille. Un exemple d'application d'un tel composant est la réalisation d'un demi-pont de redressement intégré dans un même boîtier. Pour faire ressortir le caractère 25 versatile d'une grille de connexion selon l'invention, celle-ci a été représentée en figure 6A avec des empreintes 24' non utilisées. On voit donc bien qu'une même grille peut servir au montage de puces de dimensions différentes. Les figures 7A et 7B illustrent un exemple de 30 réalisation d'un circuit de puissance associant, sur une même grille de connexion, un transistor MOS M de commande électriquement en série avec une diode de puissance D. Un tel circuit sert, par exemple, à intégrer dans un même boîtier le transistor et la diode d'un circuit d'alimentation à découpage (figure 7B) , 35 la cathode K de la diode étant connectée à un condensateur C et son anode A à une inductance L. On utilise alors (figure 7A) la grille de connexion 21 pour faire la connexion d'anode A de la diode au drain 35 du transistor. Cela est rendu possible grâce à l'invention dans la mesure o on peut connecter l'anode à la 5 grille de connexion sans difficulté. En figure 7A, l'assemblage en préparation a été représenté sous forme de blocs, la réalisation pratique s'effectuant comme décrit en relation avec les figures précédentes. Bien entendu, la présente invention est susceptible de 10 diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été plus particulièrement décrite en relation avec une connexion sur une grille conductrice (lead frame) celle-ci s'applique également quel que soit le type de matériau support utilisé. De plus, la mise en oeuvre pratique de l'invention à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus est à la portée de l'homme du métier. Un composant ou circuit monté selon l'invention est bien entendu encapsulé dans une résine isolante, les pattes de connexion étant prévues, de façon classique, dans 20 la grille de connexion dont une périphérie sert généralement, avant encapsulation, de maintien temporaire de ces pattes à la zone centrale portant la puce. Enfin, d'autres associations de composants semiconducteurs de puissance que ceux décrits ci-dessus pourront être 25 envisagées pourvu qu'au moins l'un de ces composants soit un composant vertical reproduisant la problématique d'un risque de court-circuit de sa jonction. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage d'au moins une première puce semiconductrice (1, 1', Dl, D2, M, D) contenant au moins un composant vertical, sur une surface support (21, A), caractérisé en ce qu'il consiste: à prévoir, sur la surface support, des zones (24, 33) de réception de bossages conducteurs (30) ou analogues; à prévoir, sur une face de la puce semiconductrice destinée à être raccordée à la surface support, lesdits bossages conducteurs répartis à l'aplomb des zones de réception, tous les 10 bossages conducteurs étant connectés électriquement en parallèle que ce soit côté puce semiconductrice ou côté surface support; à rapporter la puce semiconductrice sur la surface support; et à provoquer la fusion des bossages conducteurs. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à apposer une résine isolante (32) sur la surface support (21, A), préalablement à l'apposition de la puce semiconductrice (1, 1', Dl, D2, M, D). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que la résine (32) est une résine sans effet capillaire. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites zones de réception (24, 33) sont régulièrement réparties. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 4, caractérisé en ce que la surface support (21) est une grille de connexion (20), lesdites zones de réception étant constituées par des empreintes (24) en creux dans cette grille de connexion, régulièrement réparties. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 30 à 4, caractérisé en ce que la surface support (A) est constituée par une surface d'une deuxième puce semiconductrice, les zones de réception (33) de bossage conducteur étant constitué par au moins une zone métallisée. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de réception est constituée par des zones métallisées disjointes (33) régulièrement réparties. 8. Circuit de puissance constitué de deux diodes (Dl, 5 D2) en série, caractérisé en ce que chaque diode est constituée dans une puce semiconductrice (1, 1') verticalement, les deux puces étant empilées par application du procédé d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Circuit de puissance remplissant la fonction de deux 10 diodes (Dl, D2) à anode (A) commune, caractérisé en ce que chaque diode est constituée dans une puce semiconductrice dont l'anode est connectée à une grille de connexion (21) par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 10. Circuit de puissance réalisant la fonction d'une diode (D) et d'un transistor MOS de commande dont le drain (35) est connecté à l'anode (A) de la diode, caractérisé en ce que la diode et le transistor sont constitués chacun d'une puce semiconductrice rapportée sur une grille de connexion (21) par 20 la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, la grille de connexion constituant le point commun entre l'anode et le drain.