Brevet FR2899383A1 — publié le 20071005

-Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif semi-conducteur ou capteur logé dans un boîtier soudé à une plaque de circuit. Etat de la technique Les capteurs et les semi-conducteurs sont logés de plus en plus dans des boîtiers dits sans conducteur ou boîtier QFN. Contrairement aux boîtiers classiques de circuit de commutation ou capteurs tels que les boîtier PLCC ou SOIC, de tels boîtiers n'ont pas de pattes qui dépassent du boîtier mais sont soudés directement à des plaques de circuit. Pour cela, dans la zone du boîtier, on a intégré des surfa-ces de branchement à côté des composants de capteurs ou de plaquettes contenues dans le boîtier. Ces surfaces de branchement sont constituées généralement par de petits corps métalliques qui sur la face inférieure du boîtier dépassent du fond du boîtier comme surface en relief susceptible d'être soudée ou sont à fleur avec celui-ci, et conduisent à l'intérieur du boîtier jusque dans un plan dans lequel se trouve la structure de la plaque. La liaison électrique entre les fils de bran- chement et les composants à mettre en contact de la plaquette se fait suivant l'état de la technique par des liaisons métallisées avant que le boîtier soit complété et que la structure de plaquette qu'il comporte soit scellée en général totalement. Le dimensionnement des surfaces de branchement se fait selon l'état de la technique pour permettre une métallisation par fil, sans défaut, et en même temps on réalise une liaison soudée suffisamment solide avec une résistance électrique négligeable sans mise en oeuvre de moyens importants. On peut répondre à de telles exigences avec des surfaces de branchement relativement petites et c'est pour- quoi, la réalisation des surfaces de contact s'est imposée avec une conception très compacte actuellement dans la plus part des cas pour les boîtiers QFN. La position des surfaces de contact s'oriente entre autres selon des règles de conception de nature technique pour les liaisons par fils de métallisation, qui doivent comme condition limite essentielle respecter, un angle de liaison minimum en dessous duquel il ne faut pas passer entre le fil de contact et la normale à la surface lorsqu'on conduit le fil de liaison vers la zone de liaison ou surface de contact. De façon générale, on considère qu'il est avantageux de sortir le fil de liaison à plat de la structure de plaquette et l'angle de liaison évoqué ne doit en aucun cas être inférieur à 45 . De grands angles de liaison peuvent toujours se réaliser si la surface de contact est à une distance suffisamment importante de la structure de plaquette à mettre en contact. Comme les nombreuses surfaces de contact nécessaires pour la mise en contact totale d'une structure de plaquette complexe, se trouvent en général dans une zone marginale du boîtier entourant complètement la structure de plaquette, en tenant compte des règles de conception évoquées notamment de la signification de l'angle de liaison minimum, on aura dans les boîtiers QFN actuels, en partie entre les surfaces de contact opposées en diagonale et les points de soudage ainsi déterminés sur la plaque de circuit des distances qui dépassent de loin l'extension de la structure de plaquette proprement dite. Cela est vrai en particulier lorsqu'on utilise des plaquettes relativement épaisses ou des piles de plaquettes dans les-quelles il faut mettre en contact des zones superposées dans plusieurs plans, ce qui se traduit par des dimensions de boîtiers importantes. La matière de la plaque de circuit utilisée et le boîtier de plaquette habituel se caractérisent en général par des coefficients de dilatation thermique différents. Comme de nombreux circuits électroni- ques en particulier ceux utilisés dans les véhicules automobiles doivent résister en partie à des plages de températures importantes pour conserver leur aptitude au fonctionnement, la prise en compte de tension thermique prend une importance particulière. Notamment les capteurs réagissent de façon sensible à des flexions que peuvent engendrer les dilatations thermiques différentes entre la plaque de circuit et le boîtier de la plaquette. Le problème d'un fléchissement perturbateur augmente fortement avec l'augmentation des dimensions géométriques. Pour avoir une sensibilité aussi faible que possible à la température, il faudrait une distance aussi faible que possible entre les différentes surfaces soudées. Mais cette exigence s'oppose comme déjà décrit à la technique établie des conditions limites correspondant aux liaisons par métallisation. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un moyen permettant de réduire les contraintes en flexion engendrées par les variations de température dans les dispositifs semi-conducteurs ou de capteurs dans des boîtiers soudés à plat. Exposé de l'invention A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type dé-fini ci-dessus, caractérisé en ce qu'au moins certaines des surfaces de branchement ne sont pas soudées en pleine surface, ces surfaces de branchement non soudées en totalité sont soudées dans une première zone de surface, solidairement à un segment d'un chemin conducteur mais ont une seconde zone de surface non reliée solidairement à la pla- 15 que de circuit, et les zones de surface soudées solidairement sont plus proches de la structure de semi-conducteur ou de capteur à relier par contact que les zones de surfaces non reliées solidairement à la plaque de circuit. On obtient ainsi des zones de surface relativement éloi- 20 gnées du dispositif à plaquette proprement dit sur les surfaces de branchement utilisées pour la fixation du fil de branchement à métallisation sans que cela ne participe à des contraintes de soudage thermique. Suivant une autre caractéristique avantageuse dans le cas d'un dispositif semi-conducteur ou capteur logé dans un boîtier 25 soudé à une plaque de circuit comportant des corps métalliques intégrés comme surfaces de raccordement, ayant des surfaces au moins partiellement mouillées par la soudure sur la surface inférieure du boîtier et reliés par conduction au dispositif semi-conducteur ou capteur à l'intérieur du boîtier par une liaison à métallisation, l'extension d'au 30 moins certains des corps métalliques dans un plan parallèle à la plaque de circuit est supérieure à la partie de surface du chemin conducteur qui, en contact direct avec la soudure, aboutit à la surface de branche-ment respectif, et la liaison par métallisation est réalisée sur ces corps métalliques dans les zones de surface qui ne se situent pas directement 35 au-dessus de la liaison fixe par soudage, entre les corps métalliques utilisés comme surfaces de branchement et les chemins conducteurs respectifs correspondants, les zones des liaisons fixes par soudage étant situées plus près du milieu du boîtier que les zones de surface dans lesquelles sont réalisées les liaisons par métallisation. Selon l'invention, il faut éviter que les liaisons à métallisation soient réalisées dans une zone de surface de branchement qui se situe directement au-dessus de la liaison soudée fixe entre les corps métalliques utilisés comme des surfaces de branchement et les chemins conducteurs respectifs. Seule la position relative de ces zones entre elles io détermine les propriétés mécaniques de la liaison formée du boîtier de plaquette et de la plaque de circuit, c'est-à-dire les effets des contraintes engendrées par des coefficients de dilatation thermique différents. Selon l'invention, une zone de surface correspondant à une surface de branchement est soudée solidairement à un chemin 15 conducteur et une autre zone de surface de la surface de branchement est sans liaison fixe avec la plaque de circuit notamment avec le chemin conducteur. La zone de surface soudée solidairement à un chemin conducteur se trouve dans une position proche d'une plaquette alors que la zone de surface sans liaison fixe avec la plaque de circuit arrive au 20 moins dans une zone marginale du boîtier, plus éloignée de la plaquette. Une liaison fixe dans le sens de la présente invention est une liaison pour laquelle la zone de la liaison la plus courte entre deux zones de surface en regard est réalisée par un moyen de liaison s'accrochant solidairement aux deux zones de surface en particulier 25 une soudure. Avantages de l'invention Si toutes les surfaces de branchement ne comportent pas de liaisons soudées selon l'invention, il est avantageux de réduire les plus grandes distances entre les zones de surface à souder en ce qu'au 30 moins certaines surfaces de branchement qui ont des distances plus grandes par rapport à d'autres surfaces de branchement, sont fixées sur la plaque de circuit par soudure selon l'invention. Cela permet de réduire au moins les longueurs maximales conservées par les contraintes. A titre d'exemple, deux surfaces de branchement qui se font face en diagonale dans le boîtier ne doivent pas être soudées toutes deux en pleine surface. Déterminer les surfaces qu'il faut relier solidairement par une soudure se fait en général en limitant ces surfaces par des couver- tures de vernis correspondantes. Il est très connu de préparer des zones dites de soudage sur des plaques de circuit ou des chemins conducteurs en protégeant les zones voisines par une couche de vernis avant de mouiller avec la soudure utilisée. Lorsqu'on utilise des plaques de circuit ainsi préparées, l'invention s'applique de façon avantageuse par un dispositif à semi-conducteur ou à capteur installé suivant un angle obtus sur un boîtier soudé à une plaque de circuit et comportant des corps métalliques utilisés comme des surfaces de branchement ; sur le côté inférieur du boîtier ces corps métalliques ont des surfaces au moins partiellement mouillées par la soudure et qui sont en liaison électrique à l'intérieur du boîtier par des liaisons par métallisation avec le dispositif à semi-conducteur ou dispositif capteur ; l'extension d'au moins certains des corps métalliques dans un plan parallèle à la plaque de circuit est supérieure à la fraction de surface du chemin conducteur aboutissant à la surface de branchement respective, et qui est en con- tact direct avec la soudure ; la liaison à métallisation sur ces corps métalliques se réalise dans une zone de surface qui ne se situe pas directement au-dessus de la liaison soudée fixe entre les corps métalliques utilisés comme surface de branchement et chaque fois un chemin conducteur correspondant. Les plages des liaisons soudées fixes se si- tuent plus près du milieu du boîtier que les zones de surface dans les-quelles on réalise la liaison à métallisation. Des surfaces de branchement comportent également des zones qui dépassent de manière significative des zones de la liaison soudées solidairement. On économise ainsi de la place pour avoir un écartement suffisant entre les liaisons soudées et la structure de plaquette, sans augmenter le risque d'une trop forte déformation en cas d'alternance de température. Suivant la technique de soudage utilisée on peut préparer à l'avance les surfaces de branchement de façon que les corps métalliques utilisés comme surfaces de branchement dépassent du fond du boîtier comme surfaces en relief par rapport à la face inférieure du boîtier, ou se terminent à niveau avec le fond. Il est particulièrement avantageux que toutes les surfaces de branchement puissent être fixées de manière uniforme, c'est-à-dire que l'extension de tous les corps métalliques utilisés comme surfaces de contact dans un plan parallèle à la plaque de circuit soit supérieure à la partie de surface du chemin conducteur aboutissant à la surface de branchement respective qui se trouve en contact direct avec la soudure et que parmi toutes les surfaces de branchement, seule la partie de surface proche de la plaquette soit soudée solidairement au chemin conducteur, alors que les zones éloignées de la plaquette servent pour la liaison à métallisation respective. Dans le cas d'une disposition symétrique des surfaces de branchement autour de la structure de la plaquette, cela permet d'obtenir vis-à-vis des boîtiers QFN habituels, une réduction particulièrement régulière des contraintes en tension et en flexion. La forme des surfaces de branchement doit être tenue pour permettre une disposition étroitement rapprochée, pour permettre d'attaquer un grand nombre de zones de plaquette à mettre en contact selon l'invention. C'est pourquoi il est avantageux que les corps métalliques utilisés comme surfaces de branchement présentent une direction d'extension principale allant du bord du boîtier jusque dans la zone centrale de celui-ci et présente dans le plan parallèle à la plaque de circuit, un rapport entre la longueur et la largeur supérieur à 2:1. Il con- vient encore mieux que le rapport des côtés soit supérieur à 3:1 car le découplage géométrique selon l'invention du type de fixation de la sur-face de raccordement à la plaque de circuit par rapport à la position de la liaison à métallisation sur la surface de branchement donne des résultats encore meilleurs si l'on augmente la densité du dispositif des surfaces de branchement. La possibilité de déplacer les emplacements de liaison par métallisation loin vers l'extérieur à une distance suffisante de la structure de plaquette sans augmenter les contraintes appliquées à la combinaison formée du boîtier et de la plaque de circuit, il n'est pas critique que les corps métalliques utilisés comme surfaces de branchement pré- sentent à l'intérieur du boîtier une surface de liaison qui se situerait dans un plan sur lequel s'appuie la structure de puce du dispositif à semi-conducteur ou capteur ; ainsi dans le cas de la liaison à métallisation, il faut dépasser une différence de hauteur relativement impor- tante. Cela présente un avantage considérable vis-à-vis de l'utilisation d'une technique de liaison établie, avec un avantage considérable et s'applique même à une structure de plaquette ayant plusieurs plans superposés reliés par des fils de liaison aux surfaces de raccordement. Un découplage géométrique particulièrement efficace de l'emplacement de fixation de la surface de branchement à la plaque de circuit par rapport à la position de la liaison à métallisation se réalise si les corps métalliques utilisés comme surfaces de contact sont disposés pour que la partie de surface du chemin conducteur aboutissant à la surface de branchement respective et qui est en contact direct avec la soudure, passe au moins en partie sous la structure de la plaquette alors que la liaison à métallisation avec la surface de branchement est suffisamment loin à côté de la structure de la plaquette. Cela permet de réduire les longueurs concernées par les contraintes dans la disposition globale à l'extension de la structure proprement dite de la plaquette bien que la mise en contact du plan le plus haut de la plaquette à mettre en contact puisse se faire avec un angle de liaison toujours supérieur à 45 et notamment supérieur à 60 . Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un contact selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessous d'un boîtier QFN classique, - la figure 3 est une vue de dessous d'un boîtier QFN selon l'invention, et - la figure 4 est un diagramme de liaison du boîtier QFN selon l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue en coupe d'un contact selon l'invention. Une structure de plaquette à deux plans 1, 1' à mettre en contact et qui sont superposés se trouvent à côté des corps métalliques 2 servant de surface de raccordement, et qui sont constitués principalement par des plaquettes de cuivre d'un châssis conducteur réalisé en technique de gravure. Les surfaces de contact 3 fournies pour la liaison à métallisation passent dans le plan de la face inférieure de la structure de plaquette. La différence de hauteur qui en résulte et qu'il faut compenser lors de la liaison à métallisation du plan supérieur 1, peut être de l'ordre de 1 mm. Il en résulte que pour un angle de liaison minimum 4 égal à 45 , la distance du bord du plan de plaquette 1 à mettre en contact avec l'emplacement de la liaison sur la surface de contact 3 doit être relativement importante. Selon l'invention, la surface de branche-ment 2 pour le soudage sur un chemin conducteur 5 n'est pas reliée à pleine surface à la matière du chemin conducteur 5. Au lieu de cela, un vernis de recouvrement 6 assure que seulement dans une plage de surface 7 qui se trouve dans une position proche de la plaquette, on réalise une liaison fixe avec le chemin conducteur. La soudure 8 qui réalise cette liaison fixe mouille certes une zone de surface plus grande que le corps métallique 2 servant de surface de branchement mais ne peut réaliser de liaison solidaire au-dessus du vernis de recouvrement 6. La partie extérieure du corps métallique 2 flotte ainsi d'une manière relativement souple au-dessus du chemin conducteur 5 ou dépasse sans contact du chemin conducteur 5 dans les deux cas sans risque de subir des contraintes significatives. La fixation du fil de liaison 9 à la surface de contact 3 se fait dans une zone de surface 10 qui n'est pas reliée solidairement à la plaque de circuit et qui est plus éloignée de la structure de la plaquette que la zone de surface 7 reliée solidairement au chemin conducteur 5. Le mode de réalisation selon la figure 1 est présenté avec une structure de plaquette à plusieurs plans. Le nombre de plans est quelconque et on peut également réaliser l'invention avec un seul plan. La figure 2 est une vue de dessous d'un boîtier QFN 11, classique. La zone carrée centrale représente la position de la structure de chip proprement dite avec les plans de contact 1, 1'. Le carré extérieur représente le bord du boîtier 11. A proximité du bord et de façon significative par rapport à la structure de la plaquette, on a un corps métallique 2 servant de surface de raccordement avec des surfaces de soudage 12 correspondantes sur les chemins conducteurs. La forme et la taille des corps métalliques 2 et des surfaces de soudage 12 sont pratiquement identiques. Il en résulte que la liaison à métallisation est réalisée sur ces corps métalliques 2 dans des zones de surface qui se situent directement au-dessus de la liaison soudée solidairement entre les corps métalliques 2 servant de surfaces de raccordement et chaque fois le chemin conducteur correspondant. La figure 3 est une vue de dessous d'un boîtier QFN selon l'invention avec des corps métalliques 2, allongés et servant de surfaces de branchement. Les surfaces de soudure 12 ont une forme analogue à celle de la figure 2 mais se trouvent dans une position beaucoup plus proche de la plaquette. En déplaçant les surfaces de branchement, on permet d'avoir des zones de surface 10 non reliées solidairement à la plaque de circuit et qui sont plus éloignées de la structure de la plaquette sans avoir d'influence sur les contraintes de soudage et le comportement en flexion de l'ensemble du dispositif. Les référence L1 et L2 désignent des longueurs définissant la contrainte de soudage. La figure 4 montre un diagramme de branchement du boîtier QFN selon l'invention. Les fils de branchement à métallisation 9 se terminent tous relativement près du bord dans des zones de surface 10 non reliées solidairement à la plaque de circuit ; par comparaison à la figure 3 ces fils n'exercent aucune influence mécanique sur le comportement en flexion et en contrainte de l'ensemble du dispositif. Pour respecter les conditions géométriques aux limites pour les fils de liai-son, on dispose des dimensions L1' et L2'. Les figures 3 et 4 montrent la combinaison essentielle selon l'invention et une surface de branchement allongée dans le boîtier et d'une zone de soudage beaucoup plus petite sur la plaque de circuit. Des surfaces de branchement du boîtier sont allongées par rapport à celles de l'état de la technique et les zones soudées sur la plaque de circuit sont décalées à proximité de la plaquette. Ainsi, le boîtier se comporte mécaniquement comme un boîtier considérablement plus petit. A titre d'exemple, il est possible de cette manière de réaliser un boîtier QFN de dimensions extérieures de 6*6 mm2, d'un comportement en 5 flexion et de résistance aux contraintes équivalant aux caractéristiques d'un boîtier QFN habituel de dimension 5*5 mm2. 10 REVENDICATIONS 1 ) Dispositif semi-conducteur ou capteur logé dans un boîtier (11) sou-dé à une plaque de circuit, caractérisé en ce qu' au moins certaines des surfaces de branchement (2) ne sont pas soudées en pleine surface, ces surfaces de branchement (2) non soudées en totalité sont soudées dans une première zone de surface (7), solidairement à un segment d'un chemin conducteur (5), mais ont une seconde zone de surface (10) non reliée solidairement à la plaque de circuit, et les zones de surface (7) soudées solidairement sont plus proches de la structure de semi- conducteur ou de capteur à relier par contact que les zones de surfaces (10) non reliées solidairement à la plaque de circuit. 2 ) Dispositif semi-conducteur ou capteur logé dans un boîtier (11) sou-dé à une plaque de circuit comportant des corps métalliques (2) intégrés comme surfaces de raccordement, ayant des surfaces au moins partiellement mouillées par la soudure sur la surface inférieure du boîtier et reliés par conduction au dispositif semi-conducteur ou capteur à l'intérieur du boîtier (11) par une liaison à métallisation, caractérisé en ce que l'extension d'au moins certains des corps métalliques (2) dans un plan parallèle à la plaque de circuit est supérieure à la partie de surface du chemin conducteur (5) qui, en contact direct avec la soudure (8), abou- tit à la surface de branchement respectif, et la liaison par métallisation est réalisée sur ces corps métalliques (2) dans les zones de surface (10) qui ne se situent pas directement au-dessus de la liaison solide par soudage, entre les corps métalliques (2) utilisés comme surfaces de branchement et les chemins conducteurs (5) respectifs correspondants, les zones (7) des liaisons solides par soudage étant situées plus près du milieu du boîtier que les zones de surface dans lesquelles sont réalisées les liaisons par métallisation. 3 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce queles corps métalliques utilisés comme surfaces de branchement dépassent sous la forme de surfaces en relief du fond du boîtier sur la face inférieure du boîtier. 4 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extension de tous les corps métalliques (2) utilisés comme surface de contact dans un plan parallèle à la plaque de circuit est supérieure à la partie de surface du chemin conducteur (5) aboutissant à la surface de branchement respective, et qui se trouve en contact direct avec la sou-dure (8). 5 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps métalliques (2) utilisés comme des surfaces de branchement ont une direction d'extension principale qui passe du bord du boîtier (11) dans la zone centrale du boîtier (11) et présente dans le plan parallèle à la plaque de circuit, un rapport entre la longueur et la largeur qui est supérieur à 2:1. 6 ) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les corps métalliques (2) utilisés comme des surfaces de branchement ont dans le plan parallèle à la plaque de circuit, un rapport entre la ion- gueur et la largeur qui est supérieur à 3:1. 7 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps métalliques (2) utilisés comme des surfaces de branchement ont une surface de liaison par métallisation (3) à l'intérieur du boîtier, cette surface se situant dans le plan sur lequel s'appuie la structure de la plaquette du dispositif à semi-conducteur ou capteur. 8 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé parune structure de plaquette ayant plusieurs plans (1, 1') superposés, reliés par des fils de métallisation aux surfaces de branchement (2). 9 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les corps métalliques (2) utilisés comme des surfaces de contact sont disposés de façon que la partie de surface du chemin conducteur (5) qui est reliée à la surface de branchement respective, et qui est contact direct avec la soudure (8), passe au moins en partie sous la structure de la plaquette. 10 ) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps métallique (2) utilisé comme surface de branchement s'étend dans la zone marginale du boîtier (11) de façon que le contact du plan de plaquette (1) le plus haut à mettre en contact se fasse suivant un angle de liaison supérieur à 45 .20