Brevet FR3036301A1 — publié le 20161125

-1 PROCEDE DE SOUDURE AVEC APPORT DE MATIERE ET MODULE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE REALISE PAR CE PROCEDE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION. La présente invention concerne un procédé de soudure avec apport de matière pour la réalisation d'un module électronique de puissance. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION. La nouvelle génération de semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SiC) peut fonctionner à une température au dessus de 200°C, mais un brasage classique sans plomb ne convient plus à une telle température et un brasage traditionnel à base de plomb, utilisé dans les modules de puissance actuels, sera remis en question dans le cadre de la réglementation d'utilisation des substances dangereuses (RoHS) en Europe. La brasure à fort taux de plomb a un point de fusion autour de 296°C qui présente aussi l'inconvénient de réduire la durée de vie d'un module de puissance utilisant les semi conducteurs fonctionnant à une température au dessus de 200°C. De plus, son profil de température de brasage est autour de 320°C, ce qui exige de choisir une matière plastique coûteuse tenant à haute température, telle que le polymère PEEK (acronyme de "PolyEtherEtherKetone", c'est-à-dire polyétheréthercétone) pour le surmoulage d'un boîtier. Le brasage traditionnel sans plomb, utilisé dans l'électronique en général, ne permet pas de satisfaire aux nouvelles exigences des applications de l'électronique de puissance dans l'automobile. A part un alliage d'or, les brasures sans plomb ne sont pas stables. Les brasures sans plomb, abordables, sont en général à fort taux d'étain et ont une température de solidus inférieure à 250°C (237°C pour SnSb5, 223°C pour SnAg3Cul Sb10). Ces brasures ne permettent pas de satisfaire aux exigences de fiabilité dans un joint brasé soumis à des contraintes thermo mécaniques élevées. Le brasage par diffusion standard, qui consiste à introduire un support de montage dans un four à refusion pour faire diffuser de la brasure dans une couche de métal solide sous une charge définie, est contraignant également, car il nécessite un temps de cycle de brasage élevé et il chauffe l'ensemble du boîtier, y compris le plastique surmoulé, à un profil de température autour de 250°C. 3036301 - 2 - II a aussi été proposé un procédé thermo ultrasonique appliqué à un assemblage de type « Flip Chip », c'est-à-dire consistant en un report d'une puce à semi-conducteur sur un substrat par des billes de brasure, mais celui-ci se révèle complexe à mettre en oeuvre. 5 Des procédés de soudage par thermo compression sont également connus pour la réalisation de soudure avec apport de matière. Mais ils exigent, soit une pression d'application élevée (30 MPa à 40 MPa pour le frittage d'argent micrométrique), soit un temps de cycle d'assemblage élevé pour le brasage par diffusion standard. 10 Une modification du procédé de thermo compression pour le brasage par diffusion a été décrite par la société VALEO ELECTRONIQUE ET SYSTEMES DE LIAISON dans la demande de brevet français FR2905883 de manière à améliorer un transfert de chaleur entre la puce à semi-conducteur et le substrat, et à diminuer une force de compression afin de ne pas endommager cette puce. 15 Toutefois dans ce procédé, la température demeure supérieure à une température de fusion de la brasure, ce qui peut endommager le boîtier d'un module de puissance réalisé dans une technologie de type IML (acronyme de "Insulated Molded Lead frame" en terminologie anglaise, c'est-à-dire "Grille de connexion Moulée Isolée"). 20 DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION. La présente invention vise donc à pallier les inconvénients des procédés de soudure des puces à semi-conducteurs connus pour la réalisation de modules électroniques de puissance. 25 Elle concerne un procédé de soudure avec apport de matière destiné à reporter une puce à semi-conducteur sur un substrat du type dans lequel on forme une brique d'assemblage comprenant: - le substrat; - au moins une première couche présentant une première épaisseur d'un premier 30 métal possédant une première température de fusion choisi parmi un premier groupe comprenant l'étain; - la puce à semi-conducteur; et dans lequel on soumet longitudinalement cette brique d'assemblage à une charge de pression entre une plaque chauffante et une bride de maintien. 3036301 - 3 - Dans le procédé selon l'invention on imprime un mouvement vibratoire transversal à la brique d'assemblage à une fréquence ultrasonique. Dans un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, la brique d'assemblage comprend en outre une seconde couche présentant une seconde 5 épaisseur d'un second métal possédant une seconde température de fusion élevée choisi parmi un second groupe comprenant l'argent, le cuivre, et l'or, déposée sur le substrat. Alternativement, dans un second mode de réalisation du procédé selon l'invention, la brique d'assemblage comprend en outre une préforme constituée en 10 déposant la première couche sur chacune des faces d'une bande présentant une seconde épaisseur d'un second métal possédant une seconde température de fusion élevée choisi parmi un second groupe comprenant l'argent, le cuivre, et l'or. Dans l'un et l'autre modes de réalisation du procédé, la première épaisseur est comprise entre 5 pm et 10 pm, et la seconde épaisseur est comprise entre 15 15 pm et 30 pm. Selon l'invention, une température thermosonique est inférieure à la première température de fusion, de préférence comprise entre 150 °C et 210° C. Selon l'invention encore, la charge de pression est comprise entre 200 N et 400 N, et la fréquence ultrasonique est comprise entre 20 kHz et 80 kHz. 20 Dans le procédé de l'invention, une puissance ultrasonique est comprise entre 20 W et 80 W, et un temps de brasage est inférieur à une minute. De préférence, le substrat est en cuivre, ou bien de type DBC ou AMB. Dans le procédé de l'invention, on opère dans un environnement atmosphérique ou dans une chambre à atmosphère contrôlée. 25 L'invention concerne également un module électronique de puissance du type de ceux réalisés en technologie IML comprenant un substrat et au moins une puce à semi-conducteur. Selon l'invention, cette puce à semi-conducteur est reportée sur le substrat par le procédé de soudure avec apport de matière décrit ci-dessus. 30 Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par un tel procédé de soudure avec apport de matière, et par le module électronique de puissance réalisé par ce procédé, par rapport à l'état de la technique antérieur. Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description 3036301 - 4 - qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. 5 La Figure 1 illustre le principe du procédé de soudure avec apport de matière selon l'invention. Les Figures 2a et 2b montrent schématiquement une brique d'assemblage formée respectivement dans les premier et second modes de réalisation du procédé selon l'invention. 10 La Figure 3 montre un exemple d'application du procédé de soudure avec apport de matière selon l'invention à un module de puissance réalisé en technologie IML. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION. 15 Le principe du procédé selon l'invention est un brasage par diffusion des couples d'alliages (argent / étain), (cuivre / étain) et (or / étain) par thermo compression ultrasonique de la puce à semi-conducteur 1 sur le substrat 2, comme l'illustre la Figure 1. On forme une brique d'assemblage comprenant: 20 - le substrat 2 en cuivre, ou bien de type DBC (acronyme de "Direct Bonded Copper" en terminologie anglaise, ce qui désigne du cuivre et un matériau céramique directement liés), ou AMB (acronyme de "Active Metal Brazing", qui désigne un substrat céramique brasé); - une première couche 3 d'étain (qui possède une première température de fusion 25 de 231,9° C) - une seconde couche 4 d'argent, de cuivre ou d'or, métaux possédant une seconde température de fusion élevée (respectivement 960°C, 1083°C, 1063°C); - la puce à semi-conducteur (en Si, SiC ou GaN). La brique d'assemblage 1, 2, 3, 4 est comprimée entre une plaque 30 chauffante 5 et une bride de maintien 6 fixée à un ensemble d'actionneur ultrasonique 7. La bride de maintien 6 de la puce à semi-conducteur 1 est une tête à vide comportant un canal d'aspiration 8, d'utilisation habituelle dans l'industrie des semi- 3036301 - 5 - conducteurs pour assurer une préhension d'un dé 1. Le principe du procédé de brasage par diffusion consiste à appliquer simultanément une charge de pression 9 (200 N à 400 N), à porter la brique d'assemblage 1, 2 3, 4 à une température thermo sonique en dessous de la 5 première température de fusion de la brasure 3 formée par la première couche d'étain (de 150° C à 210°C) et à exercer un mouvement latéral 10 sur la bride de maintien 6 (fréquence ultrasonique de 20 kHz à 80 kHz). L'action combinée des trois facteurs permet de diffuser la brasure 3 dans la seconde couche 4 métallique et d'avoir une formation rapide et complète d'un 10 alliage intermétallique riche en métal à seconde température de fusion élevée. Dans le cas du couple Ag / Sn, l'alliage intermétallique dominant est Ag3Sn qui a une température de solidus de 480°C et une température de liquidus de 680°C. L'apport de brasure 3 et de métal 4, dont les première et seconde couches 15 ont des première et seconde épaisseurs qui sont fonction des intermétalliques à obtenir, peut se faire de deux manières selon le mode de réalisation. Dans un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, illustré sur la Figure 2a, la première couche 3 d'étain, d'une première épaisseur comprise entre 5 pm et 10 pm, est déposée sur la seconde couche 4 métallique, d'une 20 seconde épaisseur comprise entre 15 pm et 30 pm, qui a été déposée préalablement sur le substrat 2. Dans un second mode de réalisation du procédé selon l'invention, illustré sur la Figure 2b, on réalise une préforme 11 multicouche avec la première couche d'étain 3 déposée sur chacune des faces d'une bande de métal 12 en argent, 25 cuivre, ou or. Dans les modes de réalisation préférés de l'invention, les paramètres du procédé de thermo-compression ultrasonique sont en résumé les suivants: - température thermo sonique: 150°C - 210°C; - temps de brasage: REVENDICATIONS1) Procédé de soudure avec apport de matière destiné à reporter une puce à semiconducteur (1) sur un substrat (2) du type dans lequel on forme une brique 5 d'assemblage (1, 2, 3) comprenant ledit substrat (2), au moins une première couche (3) présentant une première épaisseur d'un premier métal possédant une première température de fusion basse choisi parmi un premier groupe comprenant l'étain, et ladite puce à semi-conducteur (1), et dans lequel on soumet longitudinalement ladite brique d'assemblage (1, 2, 3) à une charge de pression (9) 10 entre une plaque chauffante (5) et une bride de maintien (6), caractérisé en ce que l'on imprime un mouvement vibratoire transversal (10) à ladite brique d'assemblage (1, 2, 3) à une fréquence ultrasonique. 2) Procédé de soudure avec apport de matière selon la revendication 1 précédente, 15 caractérisé en ce que ladite brique d'assemblage (1, 2, 3, 4) comprend en outre une seconde couche (4) présentant une seconde épaisseur d'un second métal possédant une seconde température de fusion élevée choisi parmi un second groupe comprenant l'argent, le cuivre, et l'or, déposée sur ledit substrat (2). 20 3) Procédé de soudure avec apport de matière selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que ladite brique d'assemblage (1, 2, 3, 4) comprend en outre une préforme (11) constituée en déposant ladite au moins une première couche (3) sur chacune des faces d'une bande (12) présentant une seconde épaisseur d'un métal possédant une seconde température de fusion élevée choisi parmi un groupe 25 comprenant l'argent, le cuivre, et l'or. 4) Procédé de soudure avec apport de matière selon la revendication 2 ou 3 précédente, caractérisé en ce que ladite première épaisseur est comprise entre 5 pm et 10 pm, et ladite seconde épaisseur est comprise entre 15 pm et 30 pm. 30 5) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisé en ce qu'une température thermosonique est inférieure à ladite première température de fusion, de 3036301 - 9 - préférence comprise entre 150 °C et 210° C. 6) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, caractérisé en ce que ladite charge de pression 5 (9) est comprise entre 200 N et 400 N, et ladite fréquence ultrasonique est comprise entre 20 kHz et 80 kHz. 7) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce qu'une puissance ultrasonique 10 est comprise entre 20 W et 80 W, et un temps de brasage est inférieur à une minute. 8) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (2) est en 15 cuivre, ou bien de type DBC ou AMB. 9) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 précédentes, caractérisé en ce que l'on opère dans un environnement atmosphérique ou dans une chambre à atmosphère contrôlée. 20 10) Module électronique de puissance (13) du type de ceux réalisés en technologie IML comprenant un substrat (2, 18) et au moins une puce à semi-conducteur (1, 14), caractérisé en ce que ladite au moins une puce à semi-conducteur (1, 14) est reportée sur ledit substrat (2, 18) par le procédé de soudure avec apport de matière 25 selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.