Brevet FR3039025A1 — publié le 20170120

-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. 3039025 - 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 généralement, 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 Le frittage sous charge de particules métalliques permet d'améliorer la durée de vie du joint de brasage grâce aux températures de solidus du métal et de l'intermétallique bien plus élevées que la température de fonctionnement du module de puissance, tout en respectant la directive européenne sur la limitation de l'utilisation de substances dangereuses, telles que le plomb. 15 La performance du frittage est mesurée par la résistance au cisaillement qui est directement liée à la densification du joint. La densification dépend principalement des paramètres suivants: - la pression exercée sur l'empilage; - la température de frittage qui doit être comprise dans la plage 200°C - 300°C; 20 - le temps de cycle qui doit être le plus faible possible; - la taille des particules. Dans la demande de brevet français FR2915622 de la société VALEO ELECTRONIQUE ET SYSTEMES DE LIAISON, dont l'objet est un procédé d'assemblage d'un organe sur un support par frittage d'une masse de poudre 25 conductrice, la pression et la température sont optimisées pour former un joint de qualité homogène entre le substrat et la puce à semi-conducteur. Notamment, une force de compression est appliquée en deux temps, et la température de la puce est contrôlée de manière précise, grâce à l'utilisation d'un pyromètre. 30 Toutefois dans ce procédé, la température de chauffage peut aller jusqu'à 400°C, 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"). 3039025 -3 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. 5 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; - une couche de poudre conductrice déposée sur ledit substrat; 10 - ladite 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. Dans le procédé selon l'invention on imprime un mouvement vibratoire transversal à la brique d'assemblage à une fréquence ultrasonique. 15 Selon le procédé de l'invention, cette poudre conductrice est constituée de particules d'argent ou de particules d'alliages intermétalliques, formés à partir de métaux pris parmi un groupe comprenant, l'argent, le cuivre, l'or et l'étain. Selon le procédé de l'invention encore, le substrat est en outre revêtu d'un premier revêtement anti-diffusion formé de nickel, et d'un second revêtement anti20 oxydation formé d'argent ou d'or déposé sur le premier revêtement. Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la couche de poudre conductrice est déposée sur le substrat par une méthode de sérigraphie. Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, la couche de poudre conductrice est déposée sur la puce à semi-conducteur par une 25 méthode de film de transfert. Dans l'un et l'autre modes de réalisation du procédé selon l'invention, une température de la plaque chauffante est comprise entre 200° C et 300° C. Selon l'invention, la fréquence ultrasonique est comprise entre 20 kHz et 80 kHz. 30 Selon l'invention encore, une puissance ultrasonique est comprise entre 20 W et 100 W, typiquement pendant une durée de 0,2 à 5 secondes selon les applications de l'invention. Selon l'invention encore, la charge de pression appliquée sur la brique d'assemblage est comprise entre 1 et 10 MPa (MégaPascal). 3039025 - 4 - Dans le procédé selon l'invention, ledit substrat est en cuivre, ou bien de type DBC ou AMB. L'invention concerne également un module électronique de puissance du type de ceux réalisés en technologie IML comprenant un substrat et au moins une 5 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. Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par un tel procédé de soudure avec 10 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 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 15 sorte une limitation de la portée de l'invention. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS. La Figure 1 illustre le principe du procédé de soudure avec apport de matière selon l'invention. 20 La Figure 2 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. 25 Le principe du procédé selon l'invention est un brasage par frittage d'une poudre conductrice par thermo compression ultrasonique de la puce à semiconducteur 1 sur le substrat 2, comme l'illustre la Figure 1. On forme une brique d'assemblage comprenant: - le substrat 2 en cuivre, ou bien de type DBC (acronyme de "Direct Bonded 30 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 couche 3 d'une poudre constituée de particules d'argent ou d'alliages 3039025 -5 intermétalliques; - la puce 1 à semi-conducteur (en Si, SiC ou GaN). Les particules d'alliages intermétalliques sont constituées à partir d'argent, de cuivre, d'or ou d'étain. Ces particules, comme les particules d'argent, sont de 5 tailles micrométriques, ou inférieures au micromètre, mais supérieures au nanomètre pour limiter les risques sanitaires. Le substrat 2 est revêtu d'un premier revêtement 4 formé de nickel, destiné à éviter une interdiffusion vers le substrat 2 de cuivre. Ce premier revêtement 4 est lui-même revêtu d'un second revêtement 5 10 formé d'argent, destiné à prévenir son oxydation. La brique d'assemblage 1, 2, 3, est comprimée entre une plaque chauffante 6 et une bride de maintien 7 fixée à un ensemble d'actionneur ultrasonique 8. La bride de maintien 7 de la puce à semi-conducteur 1 est une tête à vide comportant un canal d'aspiration 9, d'utilisation habituelle dans l'industrie des semi15 conducteurs pour assurer une préhension d'un dé 1. Le principe du procédé de brasage par frittage selon l'invention consiste à appliquer simultanément une charge de pression 10, à porter la plaque chauffante 6 à une température comprise dans une fourchette de 200°C à 300°C, et à exercer un mouvement latéral 11 sur la bride de maintien 7 à une fréquence ultrasonique 20 comprise entre 20 kHz et 80 kHz, et à une puissance ultrasonique de 20 à 100 W pendant une durée de 0,2 à 5 secondes. Durant l'opération de brasage, la puce 1 est maintenue à l'actionneur ultrasonique 8 par le vide créé dans le canal d'aspiration 9 de la bride de maintien 7. Le mouvement vibratoire 11 exercé sur la puce 1 est parallèle à une 25 interface des deux composants 1, 2 à assembler. L'action combinée de la pression, de la température et des ultrasons permet d'obtenir un frittage présentant une densité élevée tout en maintenant la température dans la fourchette compatible avec la technologie des modules de puissance visés, et tout en diminuant la charge de pression 10 par rapport aux 30 procédés de thermo-compression connus. Les essais réalisés par l'entité inventive ont montrés qu'une charge de pression comprise entre 1 et 10 MPa convient à la plupart des applications. Cette densification confère une résistance au cisaillement élevée à un joint d'assemblage 12, ce qui contribue à améliorer la fiabilité d'un module de puissance 3039025 -6- 13 réalisé par le procédé selon l'invention, tel que celui montré sur la Figure 2. Au cours de la fabrication de ce module 13, l'apport de la couche de poudre conductrice 2 peut se faire de deux manières selon le mode de réalisation. Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, cette couche 3 est 5 déposée par une méthode de sérigraphie sur le substrat 2. Alternativement, dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, cette couche 3 est déposée sur la puce à semi-conducteur 1 par une méthode de film de transfert. Le procédé de soudure avec apport de matière selon l'invention permet de 10 réduire considérablement une durée de l'assemblage et une température de procédé, ainsi que la charge de pression 10, et d'éviter ainsi de détériorer la puce 1 ou de déformer le boîtier surmoulé en technologie IML. La température de procédé proposée est inférieure à 300°C, alors que la température de brasage des procédés connus est en général supérieure à 300°C. 15 La Figure 2 montre un exemple d'application du procédé de soudure avec apport de matière décrit ci-dessus à un module de puissance 13 en technologie IML d'un type embarqué dans un véhicule électrique (EV) ou hybride (HEV). Un semi-conducteur de puissance 14 est relié par des liaisons filaires (dites "bonding" 15) à un connecteur de commande 16 surmoulé dans le boîtier 17 en 20 plastique. Le semi-conducteur de puissance 14 est brasé sur une trace en cuivre 18 de la grille de contact ("Lead frame" en terminologie anglaise) du module de puissance 13 moulée dans le boîtier 17 et en contact avec le dissipateur thermique 19. 25 Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la plaque chauffante 6 est placée sous le module de puissance 13. Le joint brasé 12 réalisé par frittage de particules d'argent ou d'intermétalliques dans les conditions de température du procédé selon l'invention permet d'éviter l'utilisation d'un boîtier 17 moulé dans un polymère onéreux tel que 30 le PEEK, et par conséquent de diminuer les coûts de fabrication du module de puissance 13. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus. L'invention embrasse toutes les variantes possibles de réalisation, dans la 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), une couche (3) de poudre conductrice déposée sur ledit substrat (2), 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 (10) entre une plaque chauffante (6) et une bride de maintien (7), caractérisé en ce que l'on imprime un mouvement vibratoire transversal (11) à 10 ladite brique d'assemblage (1, 2, 3) à une fréquence ultrasonique. 2) Procédé de soudure avec apport de matière selon la revendication 1 précédente, caractérisé en ce que ladite poudre conductrice (3) est constituée de particules d'argent ou de particules d'alliages intermétalliques, formés à partir de métaux pris 15 parmi un groupe comprenant, l'argent, le cuivre, l'or et l'étain. 3) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (2) est en outre revêtu d'un premier revêtement (4) anti-diffusion formé de nickel, et d'un 20 second revêtement (5) anti-oxydation formé d'argent déposé sur ledit premier revêtement (4). 4) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que ladite couche (3) est 25 déposée sur ledit substrat (2) par une méthode de sérigraphie. 5) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce que ladite couche (3) est déposée sur ladite puce à semi-conducteur (1) par une méthode de film de 30 transfert. 6) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 précédentes, caractérisé en ce qu'une température de ladite 3039025 - 9 - plaque chauffante (6) est comprise entre 200° C et 300° C et la charge de pression appliquée sur la brique d'assemblage est comprise entre 1 MPa et 10 MPa. 7) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce que ladite fréquence ultrasonique est comprise entre 20 kHz et 80 kHz. 8) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 précédentes, caractérisé en ce qu'une puissance ultrasonique 10 est comprise entre 20 W et 100 W et est appliquée pendant une durée comprise entre 0,2 et 5 secondes. 9) Procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (2) est en 15 cuivre, ou bien de type DBC ou AMB. 10) Module électronique de puissance (13) du type de ceux réalisés en technologie IML comprenant un substrat (2) 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 20 reportée sur ledit substrat (2) par le procédé de soudure avec apport de matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.