FR2656193A1 - Procede de montage d'un pave semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion electrique. - Google Patents

Procede de montage d'un pave semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion electrique. Download PDF

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Abstract

Un pavé (1), à monter sur un support (2), est pourvu d'une couche d'or en forme d'îlot (3), de section sensiblement égale à celle d'un poinçon (5) avec lequel on soude, par thermocompression, l'îlot (3) à une couche d'or (4) déposée sur le support (2). On peut simultanément réaliser la soudure d'un fil de connexion (8) sur une autre couche d'or (7) du pavé. Le poinçon (5) est éventuellement soumis à des vibrations ultrasonores. L'assemblage ainsi réalisé présente de très bonnes propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Le procédé de l'invention s'applique en particulier au montage de diodes électroluminescentes,diodes lasers et photodétecteurs.

Description

La présente invention a pour objet un procédé de montage d'un pavé semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion électrique, pour la réalisation d'un composant électronique, les deux faces du pavé et du support, respectivement, en regard étant pourvues de couches métallisées qu'ou assemble l'une à 1'autre.
Un tel procédé s'applique à de nombreux types de composants électroniques, et en particulier les transducteurs optoélectriques ou électro-optiques, comme les photodétecteurs, les diodes électroluminescentes ou les diodes lasers.
Dans les procédés connus du type cl-dessus, 1 t assemblage est réalisé par collage à l'aide d'une colle conductrice ou par brasage à l'indium ou à l'étain0 La couche d'assemblage du pavé occupe en général toute la surface de la face en regard du support, et la couche d'assemblage du support est de dimensions supérieures, afin que les échanges thermiques entre le pavé et le support aient lieu sur une surface aussi grande que possible.
Toutefois, les composants réalisés selon ce procédé souffrent de plusieurs inconvénients. Tout d'abord du fait de l'hétérogénéité des matériaux conducteurs utilisés, il apparats, au niveau de chaque transition entre matériaux conducteurs différents, une barrière de potentiel parasite qui est à l'origine de phénomènes perturbant le comportement électrique du composant. Ensuite, la tenue mécanique du pavé sur le support n1 est pas parfaite, en particulier dans le cas où une quantité importante d'énergie doit Qtre dissipée sous forme de chaleur par le pavé. Dans ce cas, ce dernier chauffe et se dilate différemment du support, ce qui affecte la résistance mécanique de l'assemblage.De plus, dans le cas d'une brasure, le matériau des couches métallisées du pavé et du support diffuse peu à peu dans la brasure, ce qui a pour effet d'en dégrader les propriétés thermiques et mécaniques. De la dégradation des propriétés thermiques résulte un échauffement supplémentaire qui entraîne, à son tour, une diffusion plus importante dans la brasure. Cet effet cumulatif conduit alors à une dégradation rapide des performances. Par ailleurs, les colles ou brasures habituellement utilisées diffusent également à l'intérieur du pavé de semi-conducteur, provoquant peu a peu un empoisonnement du semi-conducteur, ce qui dégrade ses performances et limite sa durée de vie.
On connut des colles ou des brasures qui diffusent peu, mais celles-ci présentent soit l'inconvénient de nécessiter un chauffage à une température mal supportée par le matériau semi-conducteur, soit l'inconvénient de n'offrir qu'une médiocre conduction thermique. Dans ce dernier cas,
Si le pavé doit dissiper, lorsqu'il est en fonctionnement, une énergie importante sous forme de chaleur, il est nécessaire d'utiliser un dispositif de refroidissement, par exemple par effet Peltier, pour empêcher la température du pavé dtatteindre des valeurs trop élevées. L'utilisation d'un tel refroidisseur complique l'emploi du composant et en augmente le coût.
La présente invention vise à pallier les inconvénients précédents, en procurant un procédé de montage permettant la réalisation de composants, dans lesquels les contacts avec le pavé semi-conducteur sont des contacts ohmiques, c'està-dire ne présentant aucune barrière de potentiel parasite, ces composants présentant par ailleurs une bonne tenue mécanique et une durée de vie longue, meme lorsque le matériau semi-conducteur ne supporte pas une température élevée, sans nécessiter l'emploi d'un refroidisseur.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé par le fait que les deux couches métallisées du pavé et du support sont assemblées par l'intermédiaire d'au moins un palot d'assemblage, de section déterminée, déposé sur l'une des deux couches métallisées, et assemblé à l'autre couche métallisée par thermocompression à l'aide d'un poinçon, en appui sur la face du pavé opposée à sa face d'assemblage, sur une surface sensiblement égale à la section de l'tlot, l'!lot d'assemblage étant en même matériau métallique que la couche métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression.
Dans les composants réalisés avec le procédé de l'invention, du fait que l'!lot d'assemblage et la couche métallisée à laquelle il est assemblé sont en meme matériau métallique, et du fait outils sont assemblés par thermocompression, donc sans apport de colle ou de brasure, le contact électrique ainsi réalisé est véritablement un contact ohmique.
Du fait que l'assemblage du pavé est réalisé à l'aide d'un ou plusieurs ilotes, c'est-à-dire d'une ou plusieurs zones de section, ou de surface, faible par rapport à la surface de la face du pavé en regard avec le support, la tenue mécanique n'est pas affectée par les dilatations du pavé.
En effet, la section de chaque palot étant faible, la surface du pavé sur laquelle il est fixé est faible, et les effets de la dilatation de cette surface sont faibles. De plus, cette faible section confère à chaque Pilot une certaine élasticité qui fait que, m8me lorsque les Slots sont répartis sur l'ensemble de la face du pavé en regard du support, c'est-à-dire de l'ensemble de l'interface pavésupport, les différences d'allongement entre le pavé et le support sont absorbées par les flots, grâce à cette élasticité. pour les mêmes raisons, la tenue mécanique aux vibrations est très bonne.
Du fait qu'aucune colle ou brasure n'est utilisée, il n'y a aucun risque d'empoisonnement du pavé semi-conducteur et le comportement thermique est, malgré la réduction de la surface autorisant les échanges thermiques, comparable à celui des composants de l'art antérieur utilisant une brasure, et nettement meilleur que celui des composants utilisant une colle.
Dans le procédé de l'invention,il est remarquable que la demanderesse ait eu l'idée de réaliser l'assemblage des faces en regard du pavé et du support, à l'aide d'un procédé de thermocompression connu, mais que l'art antérieur enseigne d'utiliser pour des surfaces beaucoup plus faibles que celles de ces faces, puisque ce procédé connu est normalement utilisé en microélectronique pour souder les fils de connexion électrique, et non pour réaliser ltopération d'assemblage mécanique, thermique et électrique entre le pavé et le support, opération encore appelée report du pavé sur le support.Pour cela, la demanderesse a du aller à l'encontre d'un préjugé, en réduisant la surface d'assemblage du pavé, donc la surface autorisant des échanges thermiques, en forme d'au moins un Slot dans le procédé de l'invention. Ainsi, la pression appliquée à cet îlot reste suffisante pour assurer un bon assemblage, la réduction de la surface d'échange thermique se trouvant compensée par une meilleure conduction thermique liée à l'absence de colle ou de brasure. Par ailleurs, un autre avantage du procédé de l'invention est qu'il est mis en oeuvre à l'aide d'un outil de thermocompression connu, et donc largement répandu.
Avantageusement, simultanément à l'application du poinçon de thermocompression, on soumet ce dernier à des vibrations ultrasonores.
Alors, la diffusion, l'un dans l'autre, de l'plot et de la couche métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression est favorisée, ce qui améliore encore les propriétés de l'assemblage.
Avantageusement encore, lltlot d'assemblage et la couche métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression sont en métal précieux ou en un alliage de celui-ci.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, la face du pavé opposée à sa face d'assemblage étant pourvue d'une couche métallisée à souder à un fil de connexion en meme matériau métallique, on dispose le fil entre cette face et le poinçon pour réaliser simultanément l'assemblage du pavé et du support et le soudage du fil de connexion.
Il en résulte un gain de temps lors de la fabrication du composant.
Selon d'autres caractéristiques particulières de l'invention, on dépose l'!lot d'assemblage sur la couche métallisée du pavé, l'plot est de forme allongée, et ledit composant électronique est une diode laser dont le canal laser a été délimité dans le pavé semi-conducteur par implantation protonique utilisant ledit Slot allongé comme écran.
Dans ce cas, du fait de l'autoalignement du canal laser et de lttlot d'assemblage, c'est-à-dire de leur alignement automatique et quasiment parfait puisque, par construction, le canal laser épouse la forme de l'!lot allongé, on observe un très bon comportement thermique de l'assemblage.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la mise en oeuvre préférée du pro cédé de l'invention, et de quelques variantes, faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente une vue en perspective d'un pavé semi-conducteur et du support de dissipation thermique et de connexion électrique sur lequel ce pavé doit être monté; - la figure 2 représente une vue du pavé semi-conducteur de la figure l, en cours de montage sur son support, selon le procédé de l'invention;; - la figure 3 représente une vue de dessous du pavé de la figure l, montrant l'!lot dtasseablage dont il est pourvu, et - la figure 4 représente une vue de dessous d'un autre pavé semi-conducteur, montrant les flots d'assemblage dont il est pourvu.
En se référant à la figure 1, un pavé semi-conducteur 1 est à monter sur un support 2, ici partiellement représenté dans un souci de simplicité, pour réaliser un composant électronique.
Le composant dont il s'agit est ici une diode laser, et le pavé l en représente la partie active.
Comme tout pavé semi-conducteur, le pavé l comporte des zones différemment dopées, non représentées, et électriquement reliées à des couches métallisées, ici les couches 7 et ll, et, comme cela est connu, le pavé l est agencé pour que lorsqu'une tension suffisante est appliquée entre ces deux couches, il y ait émission de photons à l'intérieur du pavé l, apparition d'une oscillation laser et émission d'un rayonnement laser dans la direction indiquée par la flèche 13.
Le rendement d'une telle diode laser étant inférieur à l'unité, une partie de la puissance électrique appliquée au pavé 1 n'est pas transformée en puissance lumineuse évacuée par le rayonnement laser et doit être dissipée sous forme de chaleur par le pavé 1.
Le support 2, destiné à Entre mécaniquement solidaire d'un bottier non représenté, pourvu de broches d'accès électrique, permettra après montage, la connexion électrique de la couche Il à une des broches d'accès du bottier par l'in- termédiaire dtune couche métallisée 4 sur la face du support 2 en regard du pavé 1.
La couche métallisée 7 sera, elle, reliée par l'intermédiaire dtun fil à une autre broche d'accès du bottier.
Le support 2 permettra de plus, après montage et lorsque la diode laser sera en fonctionnement, la dissipation thermique de la puissance appliquée au pavé l et non transformée en puissance lumineuse, sans élévation excessive de la température de ce dernier. A cet effet, et comme cela est connu, le support 2 est réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, il a un volume important, et une bonne liaison thermique est assurée entre le pavé 1 et le support 2.
Il est connu de caractériser cet ensemble de qualités grâce à la résistance thermique, qui exprime, en degré Celsius par watt, l'élévation de température du pavé l accompagnant la dissipation d'un watt, sous forme de chaleur, par le pavé 1 monté sur le support 2.
L'assemblage du pavé l et du support 2 est réalisé par l'intermédiaire d'une couche métallisée 3 en forme d'flot, ce qui signifie qu'elle ne recouvre pas la totalité de la surface de la face du pavé en regard du support 2, c'est-à- dire de la face hôrizontale inférieure, sur la figure 1, du pavé 1. De plus, comme le montre la figure 3, l'!lot 3 est allongé en forme de ruban. Cet Slot 3 allongé est ici réalisé par dép8t électrolytique d'un ruban d'or, d'épaisseur ici sensiblement égale à 3 Fm, sur la couche métallisée 11, s'étendant sur la totalité de la surface de la face du pavé 1 en regard du support 2.En fait, l'plot 3 allongé, en plus de son rôle dans l'assemblage du pavé l et du support 2 qui sera mieux compris dans la suite, est ici déjà utilisé, lors de la fabrication du pavé l, comme écran pour délimiter, par implantation protonique, un canal laser 12, représenté partiellement et schématiquement en pointillé sur la figure l. La couche métallisée 7, déposée sur la face horizontale supérieure du pavé l, ctest-à- dire sur la face opposée à la face d'assemblage sur laquelle est déposé l#1 & ot 3 d'assemblage, est ici en or d'épaisseur 3 Wm, déposé par le meme procédé électrolytique connu que lttlot 3 d'assemblage.
Le support 2, ici en cuivre, subit, sur sa face destinée à recevoir la couche 4, un traitement de surface destiné à la rendre aussi lisse et plan que possible. Ce traitement de surface comprend par exemple un polissage à l'aide d'une pâte abrasive et une immersion dans une solution nettoyante, suivis d'un rinçage à l'eau désionisée et à l'alcool éthylique, et d'un séchage.
Après un dégraissage électrolytique de type connu, la couche 4 est réalisée, ici en or, par dépôt électrolytique. Elle est d'épaisseur sensiblement égale à 3 ym.
On dispose ensuite le pavé 1 sur le support 2, l'!lot 3 d'assemblage en regard de la couche 4 d'assemblage, un fil de connexion 8 étant disposé en contact avec la couche 7, comme le montre la figure 2.
L'opération d'assemblage du pavé 1 et du support 2 est ici réalisée simultanément à ltopération de soudage, par thermocompression, de la couche 7 et du fil de connexion 8, ici un fil d'or de diamètre de 25 . Ces deux opérations sont réalisées à l'aide d'un appareil de type connu, normalement utilisé pour l'opération de soudure, par thermocompression, du fil 8. Cet appareil comporte une table chauffante 6, partiellement représentée, dont la température est ici d'environ 2400C, et un poinçon 5 de surface d'appui sensiblement égale à celle de 1'!lot 3, soumis à la mtme force que celle qui serait nécessaire pour assurer le soudage seul du fil 8 sur la couche 7.Ici, on soumet, de plus, le poinçon 5 à des vibrations ultra-sonores afin de favoriser la diffusion de l'or du fil 8 dans la couche 7 et réciproquement, ainsi que la diffusion de l'or de 1'Plot 3 dans la couche 4 et réciproquement.
A titre d'exemple, la diode laser est ici un pavé de section horizontale, sur la figure l, sensiblement carrée de 250 tm x 250 Wm. L'îlot 3 a une largeur de 10 ym, et comme il s'étend sur 250 fm, sa section vaut 2500 pm2. La surface d'appui du poinçon 5, représentée schématiquement en 51 sur la figure 3, est un rectangle de sensiblement 80 m sur 30 m et sa section vaut donc sensiblement 2400 m.
On notera que, dans un souci de clarté, l'échelle verticale de la figure 1 ne correspond pas à son échelle horizontale.
La force d'appui sur le poinçon 5 est alors réglée à une valeur de 30 à 35 grammes et le poinçon 5 est soumis à un niveau de puissance ultra-sonore d'environ 50 mH.
Une machine Préciméca 436, fournie par la firme du meme nom, travaillant à la fréquence de 60 kHz et dont le réglage du niveau d'ultra-sons correspond sensiblement à la graduation 0,85, convient bien.
Toujours à titre d'exemple, la résistance thermique pour une diode laser montée selon ce procédé est de l'ordre de 300C/H alors que, avec les procédés de l'art antérieur utilisant des colles ou des brasures empoisonnant progressivement le semi-conducteur, on obtient couramment des résistances thermiques comprises entre 20 et 50 C/W. Ainsi, du point de vue du comportement thermique, la diode réalisée par le procédé de l'invention est comparable à celle de l'art antérieur, mais sa fiabilité est bien meilleure, du fait du meilleur comportement électrique et mécanique de l'assemblage.
Naturellement, le procédé de l'invention n'est limité ni au montage des diodes lasers, ni à des tlots d'assemblage ayant la forme d'un Plot allongé comme 1'!lot 3 qui vient d'!tre décrit. C'est ainsi que le procédé de l'invention peut stappliquer à tout type de composant semi-conducteur, et en particulier aux diodes électroluminescentes et aux photodétecteurs. Dans ces derniers cas, il est à la portée de l'homme de métier de réaliser une couche d'assemblage en forme d'un flot ou d'une pluralité d'lots, adaptés à la configuration du pavé considéré, pourvu que la somme des sections des falots reste sensiblement égale à la surface d'appui du poinçon, afin d'assurer une bonne soudure par thermocompression des flots sur la couche d'assemblage du support. On continue alors à bénéficier du bon comportement thermique et mécanique des ilotes.
A titre d'exemple, on a représenté, sur la figure 4, la couche métallisée llt inférieure d'un pavé de mêmes dimensions que le pavé l et pourvu d'une matrice de vingt cinq palots 3', ayant chacun une section carrée de 10 pm x 10 Wm, ce qui correspond à une somme de 2500 #m2, sensiblement égale à la surface d'appui 51 du poinçon 5.
Evidemment, comme l'homme de métier le comprendra, le procédé de l'invention n'est pas limité au cas où les couches métallisées du pavé et du support, ainsi que l'plot d'assemblage, sont en or. Celles-ci peuvent être réalisées en un autre métal précieux, ou encore en un alliage à base de métal précieux, pourvi que les parties assemblées par thermocompression soient réalisées dans le méme matériau métallique. Il en va de meme de la couche de la face supérieure du pavé et du fil de connexion à souder ensemble.
Dans le cas où on réalise simultanément l'assemblage du pavé et du support et le soudage du fil de connexion, il est souhaitable que le matériau des différentes couches et du fil soit le même, afin que le réglage de la température et celui de la pression exercée par le poinçon conviennent pour les deux opérations.
De même, le procédé de l'invention n'est pas limité à un support en cuivre, et on peut utiliser aussi un support en céramique, en nitrure d'aluminium, en nitrure de bore, en oxyde de berylium, en diamant ou en saphir, par exemple.
De même, on a décrit l'application du procédé à un pavé particulier dr forme sensiblement parallélépipédique, mais par "pavé" il faut entendre ici toute "puche" ou bloc de semi-conducteur, en forme de parallélépipède, de galette ou de pastille, par exemple. Le fil d'or 8 peut bien entendu être remplacé par un ruban plat, et par surface d#appui1, du poinçon de thermocompression, il faut entendre la surface, éventuellement délimitée par la déformation du fil, par laquelle les forces et les vibrations peuvent se transmettre du poinçon au pavé semi-conducteur.
Enfin, dans la description précédente, on n'a décrit que des cas où lttlot d'assemblage est déposé par électrolyse sur le pavé, mais il est bien sar possible de déposer L'plot d'assemblage sur le support, et aussi d'utiliser d'autres techniques connues de dépôt que le dépit électrolytique.

Claims (10)

  1. Revendications
    1. Procédé de montage d'un pavé (1) semi-conducteur sur un support (2) de dissipation thermique et de connexion électrique, pour la réalisation d'un composant électronique, les deux faces du pavé (l) et du support (2), respectivement, en regard étant pourvues de couches (113 lll, 4) métallisées qu'on assemble l'une à l'autre, procédé caractérisé par le fait que les deux couches (ll; 11', 4) métallisées du pavé (l) et du support (2) sont assemblées par l'intermédiaire d'au moins un llot (3; 3') d'assemblage, de section déterminée, déposé sur l'une (ll; îî') des deux couches métallisées, et assemblé à l'autre (4) couche métallisée par thermocompression à l'aide d'un poinçon (5), en appui sur la face du pavé (l) opposée à sa face d'assemblage, sur une surface (51) sensiblement égale à la section de l'!lot (3; 3'), l'plot (3; 3') d'assemblage étant en mgme matériau métallique que la couche (4) métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel simultanément à l'application du poinçon (5) de thermocompression, on soumet ce dernier à des vibrations ultrasonores.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'!lot (3; 3') d'assemblage et la couche (4) métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression sont en métal précieux ou en un alliage de celui-ci.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, la face du pavé (l) opposée à sa face d'assemblage étant pourvue d'une couche (7) métallisée à souder à un fil (8) de connexion en même matériau métallique, on dispose le fil (8) entre cette face et le poinçon (5) pour réaliser simultanément l'assemblage du pavé (1) et du support (2) et le soudage du fil (8) de connexion.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à , dans lequel on dépose l'!lot (3) d'assemblage sur la couche métallisée (11; Il') du pavé (l).
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel, l'îlot (3) est de forme allongée, et, ledit composant électronique est une diode laser dont le canal laser (12) a été délimité dans le pavé (l) semi-conducteur par implantation protonique utilisant ledit Plot (3) allongé comme écran.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications l à 5, dans lequel les deux couches (11', 4) métallisées du pavé (l) et du support (2) sont assemblées par l'intermédiaire d'une pluralité d'rots (3'), dont la somme des sections est sensiblement égale à la surface d'appui (51) du poinçon (5).
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les flots (3') d'assemblage forment une matrice dttlots.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel 1'abot d'assemblage (3; 3') et la couche (4) métallisée à laquelle il est assemblé par thermocompression sont en or d'épaisseur sensiblement égale à 3 )M,
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'!lot d'assemblage (3; 3') est déposé par électrolyse.
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