Brevet FR3092698A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Assemblage comportant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion Domaine technique [0001] La présente description concerne de façon générale le domaine des composants élec- troniques. Elle vise plus particulièrement un assemblage comprenant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion. Technique antérieure [0002] Il a déjà été proposé, par exemple dans la demande de brevet français N°1251947 (B11505/11-T000-1087FRO1) précédemment déposée par la demanderesse, un assemblage comportant un compostant vertical de puissance comprenant un substrat de silicium, une électrode principale inférieure en contact avec une face inférieure du substrat et une électrode principale supérieure en contact avec une face supérieure du substrat, le composant étant monté sur une plaque métallique de connexion, de façon que son électrode inférieure soit électriquement connectée à la plaque métallique de connexion. [0003] Pour éviter des remontées de soudure sur les faces latérales du composant, et pour réduire l'intensité du champ électrique auquel est soumise une couche isolante revêtant une partie périphérique de la face inférieure du substrat, un piédestal conducteur de plus petite surface que le composant est prévu entre l'électrode inférieure du composant et la plaque métallique de connexion. [0004] De façon classique, dans de tels assemblages, le piédestal est réalisé par em- boutissage de la plaque métallique de connexion ou encore par gravure d'une partie de l'épaisseur de la plaque métallique de connexion dans une région périphérique de la plaque. Autrement dit, le piédestal et la plaque métallique de connexion forment une même pièce (monobloc), l'électrode inférieure du composant étant soudée à la face supérieure du piédestal. Résumé de l'invention [0005] Il existe un besoin pour un assemblage comprenant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion, cet assemblage palliant tout ou partie des inconvénients des assemblages connus. [0006] Pour cela, un mode de réalisation prévoit un assemblage comportant : - un composant vertical de puissance comportant un substrat semiconducteur, une première électrode en contact avec une face inférieure du substrat, et une deuxième électrode en contact avec une face supérieure du substrat ; - une plaque métallique de connexion disposée du côté de la face inférieure du 2 substrat ; et - une entretoise métallique comportant une face inférieure soudée à la plaque métallique de connexion et une face supérieure soudée à la première électrode du composant vertical de puissance, l'entretoise métallique étant en le même métal que la plaque métallique de connexion. [0007] Selon un mode de réalisation, l'entretoise métallique et la plaque métallique de connexion sont en cuivre. [0008] Selon un mode de réalisation, une couche de soudure en un matériau comprenant de l'étain, du plomb et/ou de l'argent fait interface entre la face inférieure de l'entretoise métallique et la plaque métallique de connexion. [0009] Selon un mode de réalisation, la hauteur de l'entretoise métallique est supérieure à 400 !lm. [0010] Selon un mode de réalisation, le composant vertical de puissance est bidirectionnel en tension. [0011] Selon un mode de réalisation, le composant vertical de puissance comprend en outre une électrode de gâchette en contact avec la face supérieure du substrat. [0012] Selon un mode de réalisation, le composant vertical de puissance est un thyristor ou un triac. [0013] Selon un mode de réalisation, la surface de la première électrode est inférieure à la surface inférieure du substrat, une partie périphérique de la face inférieure du substrat non revêtue par la première électrode étant revêtue par une couche isolante. [0014] Selon un mode de réalisation, la couche isolante comprend de l'oxyde de silicium et/ ou du vent. [0015] Selon un mode de réalisation, la surface de la plaque métallique de connexion est su- périeure à la surface de la première électrode, et la surface de l'entretoise métallique est inférieure ou égale à la surface de la première électrode. Brève description des dessins [0016] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : [0017] [fig.]] la figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un mode de réalisation d'un assemblage comportant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion ; et [0018] [fig.2] la figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un autre exemple d'un mode de réalisation d'un assemblage comportant un composant vertical 3 de puissance monté sur une plaque métallique de connexion. Description des modes de réalisation [0019] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. [0020] Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des composants de puissance verticaux des assemblages décrits n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les procédés de fabrication usuels de composants verticaux de puissance, ou étant à la portée de l'homme du métier à partir des indications de la présente description. De plus, les applications possibles des assemblages décrits n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec toutes ou la plupart des utilisations connues d'assemblages comportant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion. [0021] Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés ou couplés entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés ou couplés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments. [0022] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", "latéral", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures, étant entendu que, en pratique, les assemblages décrits peuvent être orientés différemment. [0023] Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sen- siblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. [0024] Par composant vertical de puissance, on entend ici un composant comportant un substrat semiconducteur, par exemple en silicium, et des première et deuxième électrodes principales revêtant respectivement une face inférieure et une face supérieure du substrat, le composant étant adapté, à l'état bloqué, à tenir entre ses première et deuxième électrodes principales une tension relativement élevée, par exemple une tension supérieure à 500 volts, et, à l'état passant, à laisser circuler entre ses première et deuxième électrodes principales un courant élevé, par exemple un courant d'au moins 5 ampères. [0025] Bien qu'ils puissent être appliqués à des composants verticaux de puissance unidirec- tionncls en tension, les modes de réalisations décrits sont particulièrement avantageux pour des composants verticaux de puissance bidirectionnels en tension, c'est-à-dire adaptés, à l'état bloqué, à tenir des tensions positives et négatives relativement élevées, par exemple des tensions supérieures à 500 volts en valeur absolue. [0026] La figure 1 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un exemple d'un mode de réalisation d'un assemblage comportant un composant vertical de puissance 100 sur une plaque métallique de connexion 150. [0027] Dans l'exemple de la figure 1, le composant 100 est un triac réalisé en technologie dite "planar". [0028] Le triac 100 comprend un substrat de silicium 101 dopé de type N. Le niveau de dopage du substrat 101 peut être relativement faible (N-), par exemple compris entre 10^13 et 10^15 atomes/cm^3. L'épaisseur du substrat 101 est par exemple comprise entre 100 et 500 pm, par exemple de l'ordre de 200 pm. En vue de dessus (non représentée), le substrat 101 a par exemple une forme générale carrée ou rectangulaire. La surface du substrat, en vue de dessus, peut être relativement élevée, par exemple supérieure à 1 mtn^2, par exemple comprise entre 1 et 25 mm^2. [0029] Du côté de la face inférieure du substrat 101, le triac 100 comprend un caisson localisé 103 dopé de type P (P), s'étendant en vis à vis d'une partie centrale du composant. Latéralement, le caisson 103 s'étend sur presque toute la surface du substrat 101, sauf à sa périphérie. À titre d'exemple, le caisson 103 s'étend latéralement sur plus de 60 pourcents et de préférence sur plus de 80 pourcents de la surface du substrat. Verticalement, le caisson 103 s'étend depuis la face inférieure du substrat 101, jusqu'à un niveau intermédiaire du substrat 101. L'épaisseur du caisson 103 est par exemple comprise entre 10 et 30 pourcents de l'épaisseur du substrat 101. A titre d'exemple, l'épaisseur du caisson 103 est comprise entre 30 et 80 pm, par exemple de l'ordre de 50 pm. Le niveau de dopage du caisson 103 est par exemple compris entre 10^16 et 5*10^19 atomes/cm^3. [0030] Du côté de la face inférieure du substrat 101, le triac 100 comprend en outre, à l'intérieur du caisson 103, une région localisée 105 dopée de type N. La région 105 peut être relativement fortement dopée de type N (N+), par exemple de niveau de dopage compris entre 101\19 et 10^21 atomes/cm^3, par exemple de l'ordre de 10^20 atomes/cm^3. Latéralement, la région 105 s'étend sur une partie seulement de la surface du caisson 103, et ne s'étend pas jusqu'au bord du caisson 103. A titre d'exemple, la région 105 s'étend sur 30 à 70 pourcents de la surface du caisson 105. Verticalement, la région 105 s'étend depuis la face inférieure du caisson 103 jusqu'à un niveau intermédiaire du caisson 103. L'épaisseur de la région 105 est par exemple comprise entre 20 et 50 pourcents de l'épaisseur du caisson 103. A titre d'exemple, l'épaisseur de la région 105 est comprise entre 10 et 30 pm, par exemple de l'ordre de 20 pm. [0031] Du côté de la face supérieure du substrat 101, le triac 100 comprend un caisson localisé 107 dopé de type P (P), s'étendant en vis à vis d'une partie centrale du composant. Latéralement, le caisson 107 s'étend sur presque toute la surface du substrat 101, sauf à sa périphérie. À titre d'exemple, le caisson 107 s'étend latéralement sur plus de 60 pourcents et de préférence sur plus de 80 pourcents de la surface du substrat. Le caisson 107 est par exemple sensiblement en vis-à-vis du caisson 103. Verticalement, le caisson 107 s'étend depuis la face supérieure du substrat 101, et s'interrompt avant la face supérieure du caisson 103. L'épaisseur du caisson 107 est par exemple comprise entre 10 et 30 pourcents de l'épaisseur du substrat 101. À titre d'exemple, l'épaisseur du caisson 107 est comprise entre 30 et 80 pm, par exemple de l'ordre de 50 pm. Le niveau de dopage du caisson 107 est par exemple compris entre 101\16 et 5*10^19 atomes/cm^3. L'épaisseur et le niveau de dopage du caisson 107 sont par exemple sensiblement identiques respectivement à l'épaisseur et au niveau de dopage du caisson 103. [0032] Du côté de la face supérieure du substrat 101, le triac 100 comprend en outre, à l'intérieur du caisson 107, une région localisée 109 dopée de type N. La région 109 peut être relativement fortement dopée de type N (N+), par exemple de niveau de dopage compris entre 107'19 et 101\21 atomes/cm^3, par exemple de l'ordre de 10^20 atomes/cm^3. Latéralement, la région 109 s'étend sur unc partie seulement de la surface du caisson 107, et ne s'étend pas jusqu'au bord du caisson 109. A titre d'exemple, la région 109 s'étend sur 30 à 70% de la surface du caisson 107. La région 109 est par exemple disposée dans une zone sensiblement complémentaire de celle occupée par la région 105. Verticalement, la région 109 s'étend depuis la face supérieure du caisson 107 jusqu'à un niveau intermédiaire du caisson 107. L'épaisseur de la région 109 est par exemple comprise entre 20 et 50 pourcents de l'épaisseur du caisson 107. A titre d'exemple, l'épaisseur de la région 109 est comprise entre 10 et 30 pm, par exemple de l'ordre de 20 pm. L'épaisseur et le niveau de dopage de la région 109 sont par exemple sensiblement identiques respectivement à l'épaisseur et au niveau de dopage de la région 105. [0033] Le caisson supérieur 107 comprend en outre une région localisée Ill dopée de type N de plus petite étendue que la région 109. Latéralement, la région 111 ne s'étend pas jusqu'au bord du caisson 107 ni jusqu'à la région 109. A titre d'exemple, la région 1 1 1 s'étend sur moins de 10% de la surface du caisson 107. L'épaisseur et le niveau de dopage de la région 1 1 1 sont par exemple sensiblement identiques respectivement à l'épaisseur et au niveau de dopage de la région 105. [0034] Le triac 100 de la figure 1 comprend en outre, du côté de la face inférieure du substrat 101, une première électrode métallique principale ou électrode de conduction 6 A2, en contact avec la face inférieure du caisson 103 et de la région 105. A titre d'exemple, l'électrode A2 comprend un empilement de couches métalliques comportant, dans l'ordre en partant de la face inférieure du substrat, une couche d'aluminium, une couche de titane, une couche de nickel et une couche d'or. A titre de variante, l'électrode A2 comprend uniquement une couche de nickel et une couche d'or. Latéralement, l'électrode A2 ne s'étend pas au-delà des bords du caisson 103. Ainsi, la surface de l'électrode A2 est inférieure ou égale à la surface du caisson 103. [0035] A l'extérieur du caisson 103, à la périphérie du composant, la face inférieure du substrat 101 est revêtue par une couche isolante de passivation 113, par exemple en oxyde de silicium ou en verre. [0036] Le triac 100 comprend de plus, du côté de la face supérieure du substrat 101, une deuxième électrode métallique principale ou électrode de conduction Al, en contact avec la face supérieure du caisson 107 et de la région 109. Le triac 100 comprend en outre, du côté de sa face supérieure, une électrode de gâchette G en contact avec la face supérieure de la région 111. L'électrode de gâchette G peut en outre être en contact avec une partie de la face supérieure du caisson 107. Les électrodes Al et G sont par exemple en aluminium, ou en un alliage comprenant du nickel et de l'or. [0037] Du côté de sa face supérieure, le triac 100 comprend une couche isolante de pas- sivation 115, par exemple en oxyde de silicium ou en verre, revêtant les parties de la face supérieure du substrat non revêtues par les électrodes Al et G. [0038] L'épaisseur des couches isolantes de passivation inférieure 113 et supérieure 115 peut être relativement faible, par exemple comprise entre 2 et 15 pin. [0039] Quelle que soit la polarité de la tension appliquée entre les électrodes Al et A2, si une commande de gâchette appropriée est fournie sur l'électrode G, le composant devient passant. La conduction se fait de l'électrode A2 vers l'électrode Al par un thyristor vertical comprenant les régions 103, 101, 107 et 109 (P-N-P-N), ou de l'électrode Al vers l'électrode A2 par un thyristor vertical comprenant les régions 107, 101, 103 et 105 (P-N-P-N). L'épaisseur et le niveau de dopage du substrat 101 sont calculés pour que le triac, à l'état bloqué, puisse tenir des tensions élevées, par exemple des tensions supérieures à 500 volts en valeur absolue. [0040] Pour éviter que des claquages ne se produisent au niveau des bords du composant, une distance relativement importante, par exemple comprise entre 50 et 200 !lm, par exemple de l'ordre de 100 !lm, peut être prévue entre la limite des caissons 103 et 107 de type P et le bord du composant. Dans cet exemple, deux anneaux d'arrêt de canal 117 et 119 dopés de type N s'étendent respectivement en périphérie inférieure et en périphérie supérieure du substrat 101, à distance des bords des caissons 103 et 107, contribuant à éviter des claquages au niveau des bords des composants. Le niveau de dopage des anneaux d'arrêt de canal 117 et 119 peut être relativement élevé (N+). A 7 titre d'exemple, l'épaisseur et le niveau de dopage des anneaux d'arrêt de canal 117 et 119 peuvent être sensiblement identiques respectivement à l'épaisseur et au niveau de dopage des régions 105, 109 et 111. [0041] Dans l'exemple de la figure 1, l'électrode inférieure A2 du triac 100 est soudée à la plaque métallique 150 par l'intermédiaire d'une entretoise métallique ou piédestal 140. La plaque métallique 150 peut être une plaque métallique d'un radiateur, une plaque de connexion d'une carte de circuit imprimé ou d'un boîtier, etc. [0042] La surface de la plaque métallique 150 s'étend latéralement au-delà des bords du caisson 103. Autrement dit, la surface de la plaque métallique 150 est supérieure ou égale à la surface inférieure du caisson 103. A titre d'exemple, la surface de la plaque métallique 150 est supérieure ou égale à la surface inférieure du triac 100. [0043] L'entretoise 140 a par exemple une forme générale parallélépipédique ou cylindrique. Latéralement, l'entretoise 140 ne s'étend pas au-delà des bords de l'électrode A2. Autrement dit, l'entretoise 140 présente une surface inférieure ou égale à la surface inférieure de l'électrode A2. Dans l'exemple représenté, l'entretoise 140 présente une surface strictement inférieure à la surface de l'électrode A2. [0044] L'entretoise 140 est en le même métal que la plaque métallique 150, de préférence en cuivre. [0045] L'entretoise 140 permet d'éviter des remontées latérales de soudure sur les faces latérale du triac 100, qui pourraient autrement relier électriquement l'électrode A2 au substrat 101, et ainsi court-circuiter la jonction PN formée entre le caisson 103 et le substrat 101. En effet, en technologie "planar", comme cela apparaît sur la figure 1, les faces latérales du substrat 101 ne sont pas isolées. [0046] L'entretoise 140 permet en outre de réduire l'intensité du champ électrique auquel est soumise la couche isolante 113 du fait de la forte différence de potentiel entre le substrat 101 et la plaque métallique 150. Ceci permet de limiter les risques de claquage du composant et de réduire les courants de fuite à l'état bloqué. De plus, ceci permet de symétriser le fonctionnement du composant entre sa partie supérieure et sa partie inférieure, ce qui constitue une différence importante par rapport aux composants bidirectionnels en tension usuels réalisés en technologie "planar". [0047] Selon un aspect d'un mode de réalisation, l'entretoise métallique 140 est une pièce rapportée, soudée par sa face inférieure à la face supérieure de la plaque métallique 150, et non une pièce formée d'un bloc avec la plaque métallique 150, par emboutissage ou gravure de la plaque métallique 150. [0048] Ainsi, dans l'assemblage de la figure 1, une couche 141 d'un matériau de soudure ou de brasure, par exemple un matériau à base d'étain, de plomb et/ou d'argent, fait interface entre la face inférieure de l'entretoise 140 et la face supérieure de la plaque métallique 150. 8 [0049] Une couche de soudure 143, par exemple en le même matériau que la couche 141, fait quant à elle interface entre la face supérieure de l'entretoise 140 et la face inférieure de l'électrode A2. [0050] Un avantage du mode de réalisation décrit en relation avec la figure 1 est qu'il est plus aisé de fixer une entretoise rapportée par soudure sur la plaque métallique de connexion inférieure que de réaliser un piédestal formant une seule pièce avec la plaque métallique inférieure, par emboutissage ou gravure de la plaque métallique. [0051] De préférence, l'entretoise 140 présente une hauteur relativement importante, par exemple supérieure à 400 pm, ce qui n'est habituellement pas réalisable par les méthodes traditionnelles d'emboutissage ou de gravure, compte tenu des épaisseurs usuelles relativement faibles de la plaque métallique de connexion inférieure. Ceci permet d'améliorer significativement la tenue en tension du composant. [0052] La figure 2 est une vue en coupe illustrant de façon schématique et partielle un autre exemple d'un mode de réalisation d'un assemblage comportant un composant vertical de puissance monté sur une plaque métallique de connexion. [0053] L'assemblage de la figure 2 diffère de l'assemblage de la figure 1 principalement en ce que, dans l'assemblage de la figure 2, le triac 100 est remplacé par un triac 200. Le triac 200 de la figure 2 diffère du triac 100 principalement par la structure de sa périphérie. [0054] Dans le triac 200 de la figure 2, à la périphérie de chacune des faces inférieure et su- périeure du substrat 101, on trouve une tranchée latérale, respectivement 201 et 203, au moins partiellement remplie d'une couche de passivation, respectivement 202 et 204, par exemple en verre. [0055] Latéralement, les caissons de type P 103 et 107 s'arrêtent avant les tranchées 201 et 203 respectivement. Du côté de la face inférieure du composant, la couche de passivation 202 se prolonge sous la région périphérique de substrat s'étendant entre le caisson 103 et la tranchée 201.Dans cet exemple, une couche semi-résistive 113, par exemple en silicium polycristallin dopé à l'oxygène (SIPOS), fait interface entre la face inférieure du substrat et la couche de passivation 202. Du côté de la face supérieure du composant, la couche de passivation 204 se prolonge sur la région périphérique de substrat s'étendant entre le caisson 107 et la tranchée 203. Dans cet exemple, une couche semi-résistive 115, par exemple en le même matériau que la couche 113, fait interface entre la face supérieure du substrat et la couche de passivation 204. [0056] De façon similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1, l'entretoise 140 permet de réduire l'intensité du champ électrique auquel est soumise la couche isolante 113 du fait de la forte différence de potentiel entre le substrat 101 et la plaque métallique 150. Ceci permet de limiter les risques de claquage du composant et de réduire les courants de fuite à l'état bloqué. De plus, ceci permet de symétriser le fonc- 9 tionnement du composant entre sa partie supérieure et sa partie inférieure. [0057] Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. L'homme de l'art comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisations décrits ne se limitent pas aux exemples de valeurs numériques et de matériaux mentionnés dans la description. [0058] De plus, les modes de réalisation ne se limitent pas aux exemples de composants verticaux de puissance décrits en relation avec les figures 1 et 2. Plus généralement, le montage décrit ci-dessus au moyen d'une entretoise métallique rapportée, soudée à une plaque métallique de connexion, peut être appliqué à tout composant vertical de puissance et notamment, de façon particulièrement avantageuse, à tout composant vertical de puissance bidirectionnel en tension (triac, thyristor, diode de Shockley etc.). [0059] Par ailleurs, on notera que dans les exemples décrits en relation avec les figures 1 et 2, tous les types de conductivité des régions semiconductrices peuvent être inversés. 10