FR2584861A1 - Procede de fixation de pastilles semi-conductrices et produit resultant - Google Patents

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preform
soft solder
antimony
silver
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FR8609182A
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David A Solomon
Subbarao Pinamaneni
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National Semiconductor Corp
Original Assignee
National Semiconductor Corp
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Publication date
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Abstract

L'INVENTION PROPOSE UN PROCEDE DE FIXATION DE PASTILLES SEMI-CONDUCTRICES A DES SUPPORTS DE BLOC METALLIQUES CARACTERISE EN CE QU'ON UTILISE UNE PREFORME EN BRASURE TENDRE HOMOGENE. LA PREFORME EN BRASURE TENDRE A UNE MICROSTRUCTURE UNIFORME EXEMPTE D'IMPURETES, TELLES QUE MATIERES ORGANIQUES, AINSI QUE DE COMPOSES INTERMETALLIQUES, A GRANULOMETRIE INFERIEURE A 10MICRONS ENVIRON. ON A CONSTATE QUE DE TELLES PREFORMES HOMOGENES CONSTITUENT, ENTRE LE DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR ET UN CHASSIS DE SUPPORT METALLIQUE, UNE COUCHE DE LIAISON QUI EST INITIALEMENT EXEMPTE DE LACUNES ET QUI RESISTE A LA DEFORMATION ET A LA FISSURATION AU COURS DU FONCTIONNEMENT CYCLIQUE ULTERIEUR DU DISPOSITIF. LA REDUCTION DU NOMBRE DE LACUNES ET DE LA FISSURATION, A SON TOUR, PERMET UNE DISSIPATION UNIFORME DE LA CHALEUR DU DISPOSITIF, LA SUPPRESSION DES POINTS CHAUDS ET LA MULTIPLICATION PAR DIX, OU PLUS, DE LA LONGEVITE DU DISPOSITIF.

Description

La présente invention a trait d'une manière générale à la fixation de
pastilles semi-conductrices à des châssis
de support métalliques et, plus particulièrement, à un pro-
cédé ayant recours à une préforme en brasure tendre servant à cette fixation. Les dispositifs semi-conducteurs, couramment appelés pastilles, micro-plaquettes ou puces, sont couramment montés sur des châssis métalliques qui assurent à la fois le support mécanique et le contact électrique du dispositif. De plus,
dans les blocs d'alimentation, tels que régulateurs de ten-
sion, redresseurs et certains transistors, le châssis de sup-
port métallique assure aussi la dissipation de la chaleur en-
gendrée dans le dispositif à travers le bloc d'enrobage en
métal ou céramique.
Lors de la fixation de la pastille semi-conductrice au chassis de support métallique sous-jacent, il faut satisfaire
à un certain nombre d'impératifs, notamment dans les applica-
tions à haute puissance. D'abord, le matériau de liaison doit avoir de hautes conductibilités thermique et électrique en vue d'établir le contact électrique nécessaire et de stimuler la dissipation de chaleur souhaitée. De plus, le matériau
doit avoir une certaine élasticité afin de supporter les di-
latations thermiques différentielles apparaissant entre le
dispositif semi-conducteur et le chassis de support métalli-
que. Lors de cycles répétés d'application d'énergie au dispo-
sitif, la liaison entre la pastille et le châssis de support métallique subit des contraintes répétées susceptibles de provoquer une défaillance du dispositif. Enfin, le matériau de liaison doit être exempt de lacunes en vue d'assurer la dissipation uniforme de la chaleur en travers de l'interface pastille-châssis et d'éviter l'accumulation localisée de chaleur dans la pastille ("points chauds") susceptible de
provoquer une défaillance prématurée du dispositif.
On a largement eu recours à des brasures tendres dans
les fixations de pastilles pour réduire les contraintes en-
gendrées par des dilatations thermiques différentielles,ap-
paraissant typiquement dans les fixations de pastilles or-
silicium. Typiquement, on applique la brasure tendre entre
la pastille semi-conductrice et le châssis de support métal-
lique. Le matériau de brasage est fondu sur un châssis de
support métallique et la pastille est appliquée sur la pré-
forme fondue, ce qui assure une liaison métallurgique. Les préformes en brasure tendre selon la technique antérieure sont généralement fabriquées à partir de lingots de brasure moulés et, en raison de la lenteur de refroidissement d'un lingot moulé de manière courante, il se forme des phases non homogènes indésirables pour servir de préformes, pour les
raisons exposées ci-dessous.
Bien que convenables dans l'ensemble pour des applica-
tions à haute puissance, de telles fixations à la brasure
tendre ne satisfont pas à toutes les exigences énoncées ci-
dessus. Il apparaît souvent dans la couche de brasure des lacunes ou fissures qui nuisent à la dissipation de chaleur à partir de la pastille semi-conductrice. En particulier,
des points chauds apparaissent dans la pastille dans la ré-
gion de ces lacunes, provoquant souvent une défaillance pré-
maturée de la pastille semi-conductrice. Typiquement, la
longévité probable d'un bloc d'alimentation à connexion opé-
rée à la brasure étain-plomb est d'environ 1 000 cycles. Même
avec des brasures améliorées, la longévité du bloc d'alimenta-
tion est typiquement limitée à une durée de 5 000 à 10 000 cycles. Au surplus, les brasures tendres en usage actuellement ne fondent pas uniformément parce qu'elles ont de larges
gammes de points de fusion. Les phases non homogènes, résul-
tant du moulage courant, fondent à plus hautes températures que les alliages homogènes. Par conséquent, des températures par trop élevées sont nécessaires pour fondre complètement les préformes actuelles. Or, ces températures élevées peuvent être nuisibles pour le dispositif et il serait avantageux
d'abaisser les températures de liaison.
Par conséquent, il serait hautement souhaitable de ré-
aliser des blocs d'alimentation perfectionnés capables de résister sans défaillance à des cycles répétés au nombre de 000 ou plus. En particulier, il serait souhaitable de réaliser des blocs semi-conducteurs pour forte puissance
comportant une couche de liaison métallurgique qui soit sen-
siblement exempte de lacunes, ait une composition homogène se traduisant par une conductibilité thermique uniforme et
qui ne se fissure pas au cours d'un nombre de cycles accru.
Selon la technique antérieure, Yerman et al. (1983) IEEE:Proc. 33rd Elec. Components Conf., pp. 578-582, font
état de la défaillance de blocs d'alimentation semi-conduc-
teurs provoquée par la présence de lacunes dans l'agent de liaison qui fixe la pastille semi-conductrice à un châssis à conducteurs sous-jacent. Il n'est pas prévu de méthode pour
remédier au risque de défaillance mentionné.
Une brasure tendre intéressante pour lier des transis-
tors de puissance et composée d'étain, d'antimoine et d'ar-
gent (appelée "J alloy") est décrite dans le brevet US 4 170 472. Une seconde brasure tendre intéressante pour la fixation de pastilles semiconductrices est décrite dans le brevet modifié US RE. 29 563 (Manko). Un procédé de fixation
de pastille à l'aide d'agent de liaison en alliage aluminium-
zinc est décrit dans le brevet US 3 956 821 (Martin). D'au-
tres méthodes de brasure non nécessairement destinées à la liaison de semi-conducteurs sont décrites dans les brevets US n 4 480 016, 4 182 628 et 2 210 593, ainsi que par Manko "Solders and Soldering" McGraw-Hill Book Company, New-York, 1980, p. 116 et dans "Soldering Manual", American Welding
Sociéty, Inc., Miami, Floride, 1977, P. 7.
Suivant la présente invention, il est prévu un procédé de fixation de pastille semi-conductrice à un châssis de support métallique basé sur l'interposition d'une préforme en brasure tendre entre la pastille semiconductrice et le
châssis de support. La préforme en brasure tendre est compo-
sée d'un alliage métallique homogène sensiblement exempt d' impuretés, notamment de matières organiques, à microstructure
exempte de composés intermétalliques et à particules consti-
tutives de grosseurs inférieures à 15 microns et plus usuel-
lement à 10 microns environ. On a constaté qu'en utilisant de telles préformes homogènes, on obtient des joints brasés qui sont initialement exempts de lacunes et qui ne donnent pas lieu à des accumulations de chaleur non uniformes ni à une fissuration pendant les cycles d'alimentation ultérieurs
du dispositif-bloc. En particulier, des dispositifs d'alimen-
tation semi-conducteurs ainsi montés ont une longévité pro-
longée jusqu'à 10 fois le nombre de cycles d'alimentation possible avec le même dispositif monté par les techniques
de fixation de pastille courantes.
La préforme en brasure tendre selon la présente inven-
tion peut être en tout type de brasure tendre convenant pour
fixer une pastille semi-conductrice à un châssis à conduc-
teurs métallique. Parmi les brasures intéressantes figurent
celles en alliage plomb-étain, plomb-étain-indium, plomb-
argent-indium, plomb-étain-antimoine, étain-antimoine-argent et analogues. Une brasure particulièrement préférée est celle en l'alliage étainantimoine-argent appelée "J alloy". Des
préformes satisfaisant aux impératifs de pureté et d'homogé-
néité selon la présente invention peuvent être fabriquées par des techniques de solidification rapide, caractérisées par des vitesses de refroidissement d'au moins 104 C/seconde et de préférence d'au moins 1050C environ. Des alliages fabriqués par oes techniques dé solidification rapide sont exempts d' impuretés et ont une microstructure homogène avec dispersion
uniforme dans l'alliage de chaque métal constituant.
On va maintenant décrire le mode de mise en oeuvre pré-
féré. La présente invention propose un procédé de fixation de
pastille semi-conductrice donnant, entre la pastille semi-
conductrice et un châssis de support métallique, un joint
brasé exempt de lacunes et doté d'une conductibilité thermi-
que sensiblement uniforme. On a constaté qu'en utilisant de tels joints brasés, on obtient une longévité accrue des blocs semi-conducteurs, particulièrement blocs d'alimentation à dissipation d'énergie de 15 watts/heure et plus. Alors qu'un bloc d'alimentation type a une longévité possible de 5 000 à 000 cycles d'alimentation lorsqu'il est monté par les
techniques existantes, le même dispositif monté par le procé-
dé selon la présente invention peut être doté d'une longévité
de 30 000 à 50 000 cycles ou plus.
La pastille semi-conductrice est fixée au châssis de
support métallique par une préforme en brasure. Selon la pré-
sente invention on a recours à des préformes en brasure ten-
dre fabriquées à partir d'alliages métalliques qui ont des points de fusion relativement bas et sont capables de lier
la pastille semi-conductrice au chassis de support métalli-
que. Afin d'assurer la connexion électrique de la pastille et de stimuler la dissipation de chaleur, il est souhaitable que les alliages métalliques aient des conductibilités tant
thermique qu'électrique élevées. Parmi les alliages métalli-
ques convenables figurent ceux qu'on utilisait jusqu'à pré-
sent à des processus de fixation de pastilles semi-conductri-
ces et une liste représentative de ces alliages est présentée
dans le tableau 1.
TABLEAU 1
Constituants d'alliage Pourcentage en poids Plomb 63 - 95% Etain 37 - 5% Plomb 90 - 95% Etain 2,5 - 5,0% Indium 2,5 - 5,0% Plomb 30 - 50% Etain 50 - 60% Antimoine 1 - 5% Plomb 90 - 95% Argent 2,5 - 5,0% Indium 2,5 - 5,0% Etain 61 - 69% Antimoine 8 - 11% Argent 23 - 28%
Une préférence particulière va à l'alliage étain-antimoine-
argent appelé "J alloy" et décrit dans le brevet US 4 170 472,
auquel le lecteur pourra se référer.
Des préformes en brasure tendre homogène intéressantes pour la présente invention pourront être fabriquées par des techniques diverses, telles que solidification rapide et
métallurgie des poudres, qui donnent des alliages à micro-
structures homogènes exempts de phases non homogènes. Par métallurgie des poudres on obtient des alliages uniformes en soumettant des poudres métalliques constitutives à de très hautes pressions, ce qui élève la température et empêche la formation de composés intermétalliques. Les techniques de solidification rapide impliquent le refroidissement de 1' alliage en fusion à des vitesses de refroidissement d'au
moins 104 C/seconde et usuellement d'au moins 105 C/seconde.
Parmi les techniques de solidification rapide convenables
figurent l'atomisation de gaz inerte, l'atomisation centrifu-
ge, l'auto-trempe et le filage en fusion, tels que décrits dans:Mehrabian et al.,eds. "Rapid Solidification Processing: Principles and Technologies II", Proc. Sec. Int. Conf. on Rapide Solidification Processing, 22-26 mars 1980, Reston,
Virginie. Une technique particulièrement adequate est le fi-
lage en fusion lors duquel on projette de la brasure en fu-
sion sur une surface plate qui comprend un puits thermique
capable de refroidir rapidement une mince pellicule du métal.
Typiquement, on projette l'alliage en fusion sur une roue
ou un cylindre tournant pour former un ruban de l'alliage.
L'épaisseur de l'alliage est typiquement comprise entre 0,025 et 0,076 mm et plus typiquement entre 0,038 et 0,0635 mm. La
température initiale de l'alliage en fusion dépend de la na-
ture de l'alliage.
Les techniques de solidification rapide donnent des al-
liages à microstructure très uniforme exempts de composés
intermétalliques, chacun des métaux constituants étant uni-
formément dispersés et les grosseurs de particule étant infé-
rieures à 15 microns et usuellement à 10 microns environ. La microstructure uniforme assure à son tour une dissipation de chaleur uniforme et un point de fusion bien défini à une température plus faible que pour des alliages non homogènes correspondants. En fabriquant les préformes en brasure tendre selon la présente invention, il est aussi nécessaire de maintenir 1'
alliage exempt de toute espèce d'impuretés, notamment impure-
tés organiques telles qu'huiles, graisses et autres lubri-
fiants qu'on peut employer dans le processus de fabrication.
On a constaté que la présence de telles impuretés dans l'al-
liage peut faire apparaître des lacunes et autres irrégulari-
tés dans la structure de la couche de liaison du dispositif-
bloc. Ces lacunes et irrégularités peuvent à leur tour en-
traver la dissipation de chaleur dans le bloc et donner lieu à des points chauds provoquant une défaillance prématurée du dispositif.
Les alliages de brasure tendre sont découpés en préfor-
mes ayant typiquement des dimensions correspondant à la gran-
deur de la pastille à fixer. On interpose ensuite la préforme
entre le coussin de fixation de pastille du châssis de sup-
port métallique et la pastille semi-conductrice pour obtenir
un stratifié à liaison métallurgique exempte de lacunes, do-
tée d'une composition homogène et qui supporte sans défail-
lance un nombre de cycles accru.
On effectue de préférence la stratification en plaçant
la préforme sur le coussin de fixation de pastille, préala-
blement porté à une température préfixée, typiquement de 175
à 300 C pour l'alliage "J alloy" et plus typiquement d'envi-
ron 285 C, sous atmosphère non oxydante, comportant typique-
ment 5 à 15% en volume d'hydrogène dans de l'azote. On peut assurer le chauffage par tous moyens courants, typiquement par séjour dans une chambre chauffée. La mise en place de la
préforme sur le coussin de fixation de pastille chauffé pro-
voque une fusion quasi instantanée de la préforme. On place ensuite la pastille semi-conductrice par-dessus la préforme en fusion, typiquement dans les 2 secondes environ suivant
la mise en place de la préforme. On transfère ensuite l'en-
semble stratifié du châssis de support, de la préforme et de
la pastille semi-conductruce dans un milieu de refroidisse-
ment (typiquement chambre refroidie) o l'on peut refroidir la préforme fondue à raison d'environ 4 à 16 C/s et plus
usuellement d'environ 10 à 12 C/s. On a constaté que des vi-
tesses de refroidissement plus faibles provoquent une perte d'homogénéité du joint métallurgique, tandis que des vitesses
de refroidissement supérieures peuvent engendrer des contrain-
tes dans le joint.
Bien entendu, la description détaillée ci-dessus n'est
pas limitative et l'on pourra adopter diverses modifications
et variantes sans sortir, pour autant, du cadre de l'inven-
tion.

Claims (18)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fixation d'une pastille semi-conductrice à un châssis de support métallique, caractérisé en ce qu'il comprend: la mise en place de la pastille semi-conductrice par- dessus le châssis de support métallique avec interposition d'une préforme en brasure tendre pour la réalisation d'une structure en couches, ladite préforme en brasure tendre étant en un alliage métallique homogène sensiblement exempt
de matière organique, à particules constitutives bien disper-
sées et de grosseurs inférieures à quinze microns; et le chauffage de préforme pour la réunion en un stratifié
de la pastille semi-conductrice au chassis de support métal-
lique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la préforme en brasure tendre est en un alliage choisi
parmi les alliages plomb-étain, plomb-étain-indium, plomb-
argent-indium, plomb-étain-antimoine et étain-antimoine-
argent.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce
que la préforme en brasure tendre est un alliage étain-
antimoine-argent comportant en poids 61 à 69% d'étain, 8 à
11% d'antimoine et 23 à 28% d'argent.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce
que la préforme en brasure tendre a été fabriquée par solidi-
fication rapide.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on opère le chauffage à une température comprise entre
275 et 300 C.
6. Procédé de fixation d'une pastille semi-conductrice à un châssis de support métallique, caractérisé en ce qu'il comprend:
la mise en place de la pastille semi-conductrice par-
dessus le châssis de support métallique avec interposition d'une préforme en brasure tendre pour l'obtention d'une structure en couches, ladite préforme en brasure tendre étant en un alliage métallique homogène formé par solidification
rapide d'un ruban en l'alliage à une vitesse de refroidisse-
ment d'au moins 104 C/seconde; et le chauffage de la structure en couches destiné à fondre
la préforme et à réunir en un stratifié la pastille semi-
conductrice au châssis de support métallique.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la préforme en brasure tendre est en un alliage choisi
parmi les alliages plomb-étain, plomb-étain-indium, plomb-
argent-indium, plomb-étain-antimoine et étain-antimoine-
argent.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce
que la préforme en brasure tendre est en un alliage étain-
antimoine-argent comportant en poids 61 à 69% d'étain, 8 à
11% d'antimoine et 23 à 28% d'argent.
9. Bloc semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend une pastille semi-conductrice réunie en un stratifié à un chassis de support métallique au moyen d'une préforme en brasure tendre qui est en un alliage métallique homogène
sensiblement exempt de matière organique, à particules cons-
titutives bien dispersées dans toute sa masse et ayant des
grosseurs inférieures à quinze microns de sorte que la struc-
ture stratifiée résultante est exempte de lacunes et présente
une conductibilité thermique uniforme en travers de la préfor-
me.
10. Bloc semi-conducteur selon la revendication 9, ca-
ractérisé en ce que la préforme en brasure tendre est en un
alliage choisi parmi les alliages plomb-étain, plomb-étain-
indium, plomb-argent-indium, plomb-étain-antimoine et étain-
antimoine-argent.
11. Bloc semi-conducteur selon la revendication 10, ca-
ractérisé en ce que la préforme en brasure tendre est en un alliage étainantimoine-argent comportant en poids 61 à 69%
d'étain, 8 à 11% d'antimoine et 23 à 28% d'argent.
12. Bloc semi-conducteur selon la revendication 9, ca-
ractérisé en ce que la préforme en brasure tendre a été fa-
briquée par solidification rapide pour l'obtention d'un al-
liage sensiblement exempt de matière organique et à particu-
les constitutives de grosseurs inférieures à dix microns.
13. Bloc semi-conducteur selon la revendication 9, ca-
ractérisé en ce qu'il constitue un bloc d'alimentation dis-
sipant plus de 15 watts/heure.
14. Procédé de fixation d'une pastille semi-conductrice à un châssis de support métallique, caractérisé en ce qu'il comprend:
le chauffage du chassis de support métallique à une tem-
pérature préfixée; la mise en place d'une préforme en brasure tendre sur le chassis de support métallique, ladite préforme étant en un alliage métallique homogène sensiblement exempt de matière organique, à particules constitutives bien dispersées et ayant des grosseurs inférieures à quinze microns, de sorte que
ladite préforme fond quasi instantanément à ladite températu-
re préfixée;
la mise en place de la pastille semi-conductrice par-
dessus la préforme fondue pendant que le chassis métallique est maintenu à la température préfixée pour la réalisation d'une structure en couches; et
le refroidissement de la structure en couches à une vi-
tesse de refroidissement comprise entre 2 et 10 C/seconde pour l'obtention d'un joint métallurgique stratifié entre la
pastille semi-conductrice et le châssis de support métalli-
que.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce
que la préforme en brasure tendre est en un alliage étain-
antimoine-argent comportant en poids 61 à 60% d'étain- 8 à
11% d'antimoine et 23 à 28% d'argent.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce
que la température préfixée est comprise entre 275 et 300 C.
17. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce
qu'on chauffe la préforme sous atmosphère non oxydante.
18. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on chauffe le châssis de support métallique en le plaçant
dans une chambre chauffée.
18. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce
que la préforme en brasure tendre a été fabriquée par solidi-
fication rapide.
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