FR2466860A1 - Procede de soudure d'un cristal semi-conducteur sur un support metallique et dispositif semi-conducteur comportant un cristal de silicium et un support nickele reunis par ce procede - Google Patents

Procede de soudure d'un cristal semi-conducteur sur un support metallique et dispositif semi-conducteur comportant un cristal de silicium et un support nickele reunis par ce procede Download PDF

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Abstract

Procédé de soudure d'un cristal 10 sur un support 20 nickelé, à l'aide d'or. La couche de liaison 11, en or allié au silicium du cristal 10, est revêtue, avant soudure, d'une très fine pellicule d'étain 12, après quoi la liaison cristal-support est faite directement. Application, notamment, à la soudure de cristaux porteurs de dispositifs de puissance. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

PROCEDE DE SOUDURE D'UN CRISTAL SEMICONDUCTEUR
SUR UN SUPPORT METALLIQUE"
La présente invention concerne un procédé de soudure d'un cristal semiconducteur en silicium sur un support fait au moins superficiellement de nickel, ledit cristal étant revêtu, sur sa surface de liaison, d'une couche d'or au moins partiellement alliée avec le silicium sous-jacent.
L'invention se rapporte plus spécialement, mais non exclusivement, à la soudure de cristaux porteurs de dispo-sitifs de puissance sur des embases métalliques.
Le fonctionnement correct et la durée de vie des composants semiconducteurs de puissance dépendent, pour une part essentielle, d'une bonne évacuation de la chaleur dissipée dans le cristal vers le support. On conçoit aisément le rôle primordial joué par la soudure dans cet échange thermique.
On sait que la qualité d'une telle soudure est appréciée, principalement,en termes de résistance thermique et de fatigue thermique. La résistance thermique se mesure à l'élévation de température du cristal en fonction de la puissance électrique qui y est dissipée durant le fonctionnement. La fatigue thermique s'estime au nombre de cycles thermiques (succession de variations de température provoquées par des périodes alternées de marche et d'arrêt du dispositif semiconducteur)que peut supporter une soudure sans présenter de signes graves de détérioration.
En ce qui concerne les dispositifs semiconducteurs à forte dissipation thermique, l'expérience a montré qu'une soudure dite "dure" (faite, par exemple, à l'aide d'or ou/et d'un alliage d'or) est incomparablement plus satisfaisante qu'une soudure "douce" (mettant en jeu, par exemple, un alliage étain/plomb).
Sur le plan de la résistance thermique, la soudure dure à l'or est avantageuse à un double sens : d'une part, elle est généralement moins épaisse et, d'autre part, le coefficient de conductivité thermique de l'or est parmi les plus élevés (plusieurs fois celui de l'alliage étain-plomb).
Sur le plan de la fatigue thermique, alors qu'une soudure douce rapidement se fendille puis, peu à peu, se cisaille, une soudure dure se montre très endurante à conditionsd'essais semblables. Bien sûr, le cristal de silicium subit alors plus de contraintes mécaniques dans le cas d'une soudure dure que dans le cas d'une soudure douce, ceci en raison de ce que la première est bien moins plastique que la seconde ; mais ceci n'est pas un obstacle, car il est bien connu que le silicium supporte parfaitement de telles contraintes, pourvu qu'il reste toujours en état de compression.
Le procédé jusqu'alors utilisé pour effectuer la soudure dure d'un cristal de silicium sur un support à surface nickelée consiste, essentiellement, d'abord à revêtir d'une couche d'or l'une et l'autre des deux surfaces à réunir, à recuire ensuite le cristal de manière à allier l'or qui y a été déposé au silicium sous-jacent, enfin à disposer le cristal sur son support, à chaud, en interposant entre eux une fine pastille d'eutectique or-silicium.
L'assemblage obtenu donne toute satisfaction tant du point de vue mécanique que thermique. Malheureusement, le procédé peche par son coût élevé lié à la quantitéirportante d'or nécessitée. En effet, l'expérience de ce procédé a montré que, pour la soudure d'un composant de puissance, une couche d'or d'au moins 7 à 8 pm doit être déposée sur le support ; la couche d'or recouvrant le cristal n'est-, par contre, que de l'ordre de 0,5 pm. Afin d'économiser au mieux le métal, on réduit la surface de son dépôt sur le support au minimum, c 'est-à-dire à une surface légèrement plus grande que celle de la face du cristal à souder ; ce qui oblige à l'emploi d'un masque et complique le procédé.
L'invention remédie aux inconvénients technique et économique du procédé ci-dessus décrit.
Selon l'invention, un procédé de soudure d'un cristal semiconducteur au silicium sur un support fait au moins superficiellement de nickel, ledit cristal étant revêtu, sur sa surface de liaison, d'une couche d'or au moins partiellement alliée avec le silicium sous-jacent, est notamment remarquable en ce que, après la formation de ladite couche d'or alliée au silicium, on dépose sur celle-ci une très fine pellicule d'étain , puis en ce que, ensuite, on procède à la soudure directe dudit cristal sur ledit support.
Par l'expression très fine pellicule d'étain il faut entendre un revêtement dont l'épaisseur maximum est de 0,2 ym. Avantageusement, le dépôt d'étain a une épaisse#ur comprise entre 0,01 et 0,08 pm.
L'avantage principal et considérable de l'invention apparait immédiatement : il réside en la suppression, par rapport au procédé d'assemblage selon l'art antérieur décrit précédemment, de la couche dor de 7 à 8 vm d'épaisseur qui était jusqu'alors nécessaire pour assurer une soudure correcte. C'est un progrès indéniable sur le plan économique.
C'est aussi un progrès sur le plan technique, car on est dispensé d'une opération de dépôt sous masque qui est toujours délicate, longue aussi lorsque l'épaisseur du dépôt est importante comme c'était le- cas pour l'or.
C'est au cours des nombreuses expériences -faites- par la
Demanderesse dans le domaine de la soudure des cristaux de silicium qu'il a été constaté, avec un certain étonnement, que le simple- dépôt d'un voile d'étain suffisait pour assurer une liaison correcte entre la couche d'or-silicium portee par le cristal et le nickel du-support.
L'emploi d'étain pour assurer une soudure peut paraître dénué d'originalité. Mais il faut remarquer qu'il ne s'agit pas là d'un emploi normal de ce métal ; en effet, l'étain est habituellement mis en oeuvre#généralement en alliage avec le plomb- sous des épaisseurs de plusieurs dizaines de micromètres comme élément constitutif de soudures tendres.
Il s'agit, dans le cas de l'invention, d'une -soudure dure et la très fine pellicule d'étain ne reste pas telle au cours de la soudure, mais, très probablement, s'allie à l'or silicium pour former un alliage complexe à teneur très faible en étain qui assure la liaison silicium-nickel, alliage qui s'est révélé à l'usage être d'une remarquable résistance mécanique. La Demanderesse n'entend cependant pas, lier l'invention à l'explication qu'elle offre de l'amélioration cons tatée.
Le procédé selon l'invention est décrit plus explicitement dans la description qui va suivre en regard des dessins annexés.
La figure 1 est une vue en coupe sur laquelle apparaissent les éléments de liaison entrant en jeu lors de l'éta- blissement d'une soudure selon le procédé de l'invention.
La figure 2 est un graphique montrant lievolution de la résistance thermique d'une soudure établie par le procédé selon l'invention,en fonction des épaisseurs des couches d'or et d'étain entrant dans cette soudure.
Sur la vue en couDe de la figure 1 on a représenté de façon simplifiée, d'ulle part un cristal de silicium 10, d'autre part un support -plus exactement n--s partie 20 d'un upport- sur lequel il est prévu de souder ledit cristal 10 par le procédé selon l'invention.
A partir de la face supérieure 10A du cristal 10 ont été réalisés, par des techniques connues, des composants semiconducteurs, notamment de puissance, dont les structures n'apparaissent pas sur la figure.
Sur la face inférieure 10B du cristal 10 a été déposée une couche d'or que l'on a fait s'allier au silicium sousjacent, au moins à l'interface or-silicium. Le dépôt correspondau repère 11. L'or est, par exemple, déposé par évaporation sous vide et le traite##nt d'alliage consiste en un recuit conduit la température de 420PC, sous atmosphère d'azote, et qui dure entre 5 et 15 minutes suivant l'épais- seur choisie de la couche d'or. Cette épaisseur se situe entre b,s et 4 um selon les cas.
Avantageusement, la couche d'or 11 est faite de deux lits superposés : un premier lit, d'une épaisseur de 0,5 lum, est allié au silicium par recuit, puis un deuxième lit, d'une épaisseur de 1,5 à 3,5 pm, est déposé ensuitejqui n'est pas soumis au recuit.
La partie de support 20 est celle,par exemple, d'une embase individuelle pour composant de puissance ou bien la partie d'une lame appartenant à un peigne. Ledit support est fait, par exemple, d'une épaisseur de cuivre 21 que recouvre un lit de nickel 22. Ce lit de nickel 22 est déposé, par exemple, par la méthode bien connue dite méthode
BRENNER, selon laquelle des ions Ni++ présents Qans un bain sont réduits par de l'hypophosphite de soude en présence d'ammoniaque et d'un mélange destiné à commander le PH dudit bain. Son épaisseur se situe entre 1 et 3 pm.
Selon l'invention, le procédé de soudure du cristal de silicium 10 sur le support 20 est notamment remarquable en ce que, "après la formation de ladite couche 11 d'or alliée au silicium, on dépose sur celle-ci une très fine pellicule d'étain 12, puis en ce que, ensuite, on procède à la soudure directe dudit cristal 10 sur ledit support 20.
La pellicule d'étain 12 est obtenue par évaporation sous vide.
Pour souder le cristal on le plaque sur son support chauffé à 4500 C (360 à 4700 C),ceci sous atmosphère de gaz mixte (azote + hydrogène). L'étain fond immédiatement, ce qui favorise la transmission de chaleur vers le dépôt 11 et l'élévation nécessaire de la température de ce dépôt. La soudure est obtenue rapidement (en 0,5 à 10 secondes). Suit alors un refroidissement relativement lent (entre 30 secondes et 2 minutes), qui sépare le passage du dispositif de la température de soudure à la température ambiante.
Etant donné la température à laquelle est effectuée la soudure, on a la certitude qu'après refroidissement et au cours du fonctionnement ultérieur du composant, le cristal de silicium sera en compression et qu'ainsi il ne risque pas de se briser.
On se reporte maintenant au graphique de la figure 2.
En ordonnée sur ce graphique, on trouve la résistance ther moque de la soudure entre le cristal d'un composant semicon ducteur de puissance donné et son support, résistance thermique exprimée en degrés par watt. En abscisse figurent des épaisseurs du dépôt 11. Les deux courbes tracées sur ce graphique -la courbe A pour une pellicule d'étain 12 d'une épaisseur de 0,2 um, la courbe B pour une pellicule 12 d'épaisseur 0,1 pm- montrent l'importance du dépôt 11. Ces deux courbes révèlent également le rôle déterminant joué par l'é- paisseur de la pellicule 12. La résistance mécanique et la tenue en fatigue thermique de la soudure sont sensiblement égales et totalement satisfaisantes pour les deux épaisseurs considérées de ladite pellicule 12. Cependant, on peut prévoir, vu l'écart notoire entre les deux courbes A etB, qu'il doit exister dans chaque cas une épaisseur optimum de cette pellicule qui fait que la résistance thermique est la plus faible possible

Claims (7)

- REVENDICATIONS
1.- procédé de soudure d'un cristal semiconducteur (10) en silicium sur un support (20) fait au moins superficiellement de nickel (22), ledit cristal étant revêtu, sur sa face de liaison, d'une couche d'or (11) au moins partiellement alliée avec le silicium sous-jacent, caractérisé en ce que, après la formation de ladite couche d'or alliée au silicium, on dépose sur celle-ci une très fine pellicule d'étain (12), puis en ce que, ensuite, on procède à la soudure directe audit cristal sur ledit support.
2.- Procédé de soudure selon la revendication l, carac tersé en-ce que ladite pellicule d' étain aune épaisseur maximum de 0,2 pm.
3.- Procédé de soudure selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite pellicule d'étain a une épaisseur comprise entre Opl et 0,03 pm.
4.- Procédé de soudure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche est faite de deux lits superposés, à savoir un premier lit en contact avec le silicium et allié avec celui-ci, puis un deuxième lit en or.
5.- procédé de soudure selon la revendication 4, carac térisé en ce que ladite couche a une epaisseur totale se situant entre 0,5 et 4 pm, ledit premier lit ayant une épais- seur voisine de 0,5 pm.
6.- Procédé de soudure selon l'une des revendications I à 5, caractérise en ce que, pour obtenir la liaison du cristal sur le support, ce dernier est préalablement porté à une température se situant entre 360 et 47OC C.
7.- Dispositif semiconducteur comportant un cristal de silicium soude sur un support nickelé, caractérisé en ce que, dans la couche métallique de liaison, on distingue de l'or, du silicium et une relativement très faible proportion d'étain.
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