FR2975500A1

FR2975500A1 - Procede et dispositif de controle electrique des soudures de composants electroniques

Info

Publication number: FR2975500A1
Application number: FR1254326A
Authority: FR
Inventors: Andreas Kneer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-11-23
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: ITMI20120829A1; FR2975500B1; DE102011076094A1

Abstract

Procédé de contrôle des soudures d'un composant (10) comportant un boîtier (11) logeant une puce semi-conductrice sur un patin de refroidissement (13) formant une surface métallique soudée à un chemin conducteur (22) appartenant à une plaque de circuit (20) pour évacuer la chaleur dégagée par la puce. Le chemin conducteur (22) est segmenté et comporte au moins deux zones isolées électriquement. L'une des zones est mise au potentiel du patin (13) et pour contrôler la soudure, les zones isolées de celle-ci reçoivent au moins brièvement une tension de contrôle (43). On exploite la chute de tension ou le passage du courant pour évaluer la soudure.

Description

i Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle des soudures d'un composant de circuit intégré comportant un boîtier logeant une puce semi-conductrice sur un patin de refroidisse- ment avec contact thermique et le patin de refroidissement forme une surface métallique sur le côté inférieur du boîtier soudé à un chemin conducteur en surface, correspondant à la surface métallique du patin de refroidissement et appartenant à une plaque de circuit pour évacuer la chaleur dégagée par la puce semi-conductrice pendant son fonctionnement. L'invention se rapporte également à un dispositif de contrôle pour contrôler les soudures d'un composant de circuit intégré ayant un boîtier avec une puce semi-conductrice en contact thermique avec un patin de refroidissement réalisant une surface métallique sur le 15 côté inférieur du boîtier qui est soudé à un chemin conducteur en sur-face, correspondant à la surface métallique du patin de refroidissement de la plaque de circuit pour évacuer la chaleur dégagée par le fonctionnement de la puce semi-conductrice. Etat de la technique 20 Les circuits intégrés générant une forte puissance per-due, par exemple les microprocesseurs sont dans certains cas conditionnés dans un boîtier équipé d'un patin de refroidissement encore appelé "patin E". De tels boîtiers rectangulaires normalisé sont appelés usuellement boîtiers QFP ont un patin E comme surface métallique pré- 25 vue sur le côté inférieur du composant et qui est en excellent contact thermique avec la puce semi-conductrice proprement dite du boîtier. Il faut souder cette surface métallique à la plaque de circuit pour assurer une évacuation optimale de la chaleur dégagée. Comme la soudure se trouve sous le composant, on ne peut pas la contrôler optiquement. Se- 30 lon l'état de la technique, on y remédie en contrôlant la soudure avec des rayons x. Mais cela suppose l'utilisation d'une installation complexe de radiographie dans la fabrication. C'est pourquoi, habituellement, on n'effectue que des contrôles à vue comme cela est décrit dans la documentation citée ci-après.

2 Le document DE 19 639 183 A 1 décrit un châssis de branchement pour un composant microélectronique ayant un grand nombre de languettes ou de pattes de branchement ainsi qu'un îlot pour fixer la puce semi-conductrice ; au moins une région partielle de l'îlot est dégagée le long d'au moins deux arêtes de feuillure de l'îlot. La feuillure de l'îlot peut également être réalisée de façon à obtenir plu-sieurs régions pour la zone d'extrémité (correspondant à la surface de refroidissement) pour assurer le contact thermique avec la plaque de circuit et portant le composant. Les dispositifs décrits et présentés dans io ce document, supposent ainsi que les régions d'extrémité ou les sur-faces de refroidissement sont reliées électriquement les unes aux autres. Dans certains exemples de réalisation, on ne propose qu'un allongement de la région d'extrémité ou des surfaces de refroidissement au-delà des arêtes du boîtier pour les utiliser pour contrôler les sou- 15 dures. Le document DE 19 621 766 A 1 décrit un dispositif semi-conducteur composé d'au moins un semi-conducteur de puissance avec un boîtier en matière plastique, un répartiteur de chaleur et des moyens de contact ; le répartiteur de chaleur ou radiateur est dégagé au moins 20 sur un petit côté du boîtier de matière plastique ; l'extension plane du répartiteur de chaleur arrive au maximum jusqu'au bord du contour du boîtier de matière plastique et celui-ci comporte sur le petit côté, un dégagement de façon que le répartiteur de chaleur ou radiateur soit dégagé au moins sur son côté supérieur. Ce document décrit une solution 25 particulièrement avantageuse consistant à permettre d'une part le contrôle de la liaison soudée entre le répartiteur de chaleur et la région du chemin conducteur de la plaque de circuit en contrôlant visuellement le ménisque formé et d'autre part, en soudant le composant, l'évacuation de la chaleur par la surface du répartiteur de chaleur accessible dans le 30 dégagement. Les documents cités, ne permettent pas de contrôler directement la soudure sous le composant. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro- 35 cédé simplifiant le contrôle des soudures, notamment pour garantir un

3 bon contact thermique entre le patin de refroidissement et les chemins conducteurs sous le composant. L'invention a également pour but de développer un dispositif de contrôle pour la mise en oeuvre d'un tel procédé.

Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention a pour objet un procédé du type dé- fini ci-dessus, caractérisé en ce que dans la région de la surface métal- lique du patin de refroidissement, le chemin conducteur est segmenté et comporte au moins deux zones isolées électriquement l'une de l'autre, io * au moins l'une des zones est mise au potentiel électrique du patin de refroidissement et pour contrôler la soudure, les zones isolées de celle-ci reçoivent au moins brièvement un potentiel de tension de contrôle et on exploite la chute de tension ou le passage du courant pour évaluer la soudure. 15 L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans la région de la surface métallique du patin de refroidissement, le chemin conducteur est segmenté et comporte au moins deux zones isolées électriquement l'une de l'autre, 20 * au moins l'une des zones est mise électriquement au potentiel du patin de refroidissement et pour contrôler les soudures, les zones ainsi isolées sont sollicitées au moins brièvement par un potentiel de tension de contrôle et la chute de tension ou l'intensité du courant sont exploitées pour évaluer les soudures à l'aide d'un dispositif de 25 contrôle externe ou par un circuit intégré. Le procédé selon l'invention et le dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permettent un contrôle électrique des soudures. On évite ainsi l'utilisation d'un contrôle complexe par des rayons x ce qui simplifie la fabrication de l'appareil- 30 Tage et le rend moins coûteux. On utilise ainsi le fait que si la ou les soudures sont optimales, toutes les zones sont reliées électriquement au patin de refroidissement si bien qu'en appliquant le potentiel de la tension de contrôle aux zones de mesure par rapport aux zones qui sont au potentiel du patin de refroidissement, on pourra mesurer une chute 35 de tension ou un courant de court-circuit.

4 Selon un développement préférentiel, le procédé est caractérisé en ce qu'on juge de la qualité de la soudure du patin de refroidissement au chemin conducteur par la chute de tension ou l'intensité du courant passant pendant l'application du potentiel de tension de contrôle. Ainsi, par exemple, si la ou les soudures sont optimales, la résistance de passage entre le patin de refroidissement et les zones respectives est négligeable si bien que par exemple en fonction de la tension de contrôle, on aura un courant de court-circuit relativement io intense. Si l'une des transitions est fortement ohmique à cause d'une mauvaise soudure, on aura une chute de tension moindre ou on mesurera un courant de court-circuit plus faible. Cela s'applique également à l'absence d'une soudure. Il importe uniquement au plus d'avoir des contacts indéfinis ce qui est perceptible par une plus forte résistance de 15 passage. A l'aide de seuils prédéfinis, ce procédé assurera un contrôle de qualité rapide et fiable. Selon un développement, les zones auxquelles on applique au moins brièvement le potentiel de tension de contrôle, sont reliées électriquement à une broche de mesure et pour le contrôle on 20 applique à la broche de mesure le potentiel de la tension de contrôle par le dispositif de contrôle externe et on la mesure par rapport au potentiel de la zone qui est au potentiel du patin de refroidissement. Cette fonctionnalité s'intègre par exemple dans un auto-mate de contrôle qui vérifie également d'autres fonctions du circuit par 25 un contrôle de qualité en cours de fabrication. Suivant une caractéristique, les zones auxquelles on applique au moins brièvement le potentiel de tension de contrôle, sont reliées électriquement à au moins un branchement déterminé du circuit intégré et pour contrôler le branchement respectif, elles sont mises au 30 potentiel de tension de contrôle et on mesure par rapport au potentiel de la zone qui est au potentiel du patin de refroidissement. Cette solution est avantageuse si le circuit intégré a une fonction d'autodiagnostic ou si celle-ci est programmée. Cela permet de supprimer tout dispositif de contrôle externe. En principe, on peut également appliquer les deux va-riantes décrites ci-dessus en les combinant. Pour appliquer les deux variantes, un mode de réalisation préférentiel du dispositif de contrôle est caractérisé en ce que les zones mises au potentiel de la tension de 5 contrôle sont reliées à une broche de mesure de la plaque de circuit et/ou à une ou plusieurs broches du circuit intégré, * le potentiel du patin de refroidissement étant mis au potentiel de masse. Selon un autre développement avantageux du procédé, io on applique simultanément ou successivement le potentiel de la tension de contrôle à plusieurs zones isolées électriquement les unes des autres par rapport à des zones qui sont au potentiel du patin de refroidisse-ment et on détermine la chute de tension ou l'intensité du courant qui passe. Cette solution offre l'avantage d'une surveillance par régions de 15 surface des soudures ou de la soudure sous le patin de refroidissement ce qui est avantageux par exemple pour des composants de plus grandes dimensions avec un patin de refroidissement de dimensions appropriées. On s'assure ainsi que toutes les régions du patin de refroidissement sont soudées correctement et ainsi le contact thermique est 20 optimum. Pour la mise en oeuvre de cette caractéristique du procédé, par exemple les zones des chemins conducteurs sous le patin de refroidissement du circuit intégré, peuvent être réalisées avec une région intérieure entourée par une région extérieure, la région intérieure étant 25 au potentiel du patin de refroidissement et la région extérieure au moins brièvement pendant le contrôle des soudures est mise au potentiel de la tension de contrôle ; la région extérieure peut être divisée en deux ou plusieurs zones qui recevront successivement ou simultané-ment le potentiel de la tension de contrôle pendant la phase de contrôle. 30 Cela permet un contrôle de qualité sur une grande surface des sou-dures sous le patin de refroidissement. Suivant une caractéristique, les zones des chemins conducteurs sous le patin de refroidissement sont divisées en zones quadrangulaires, rectangulaires ou carrées et au moins l'une des zones est 35 au potentiel du patin de refroidissement et les autres zones sont mises

6 successivement ou simultanément au potentiel de la tension de contrôle pendant que l'on applique le contrôle. Il est à remarquer que les développements ci-dessus con-cernent uniquement des exemples de réalisation et la géométrie des zones de contrôle sous le patin de refroidissement du circuit intégré peuvent être développées selon les formes géométriques de réalisation du boîtier et de la place disponible sur la plaque de circuit pour le pas-sage des chemins conducteurs ainsi que pour les exigences concernant l'influence réciproque des chemins conducteurs mis en tension ou de io l'influence électromagnétique. Une application préférentielle du procédé décrit ci-dessus avec ses variantes, ainsi que l'utilisation du dispositif de contrôle décrit ci-dessus, prévoit l'utilisation pour les contrôles de soudures électriques, des circuits intégrés ayant un boîtier QFP. Notamment, les cir- 15 cuits de puissance fortement intégrés tels que par exemple les microprocesseurs dégagent en fonctionnement des puissances (puissances perdues) non négligeables et il faut éviter la surchauffe et ainsi prévoir une liaison thermique avec une platine ou une plaque de circuit pour évacuer la chaleur. Cela est rendu possible par une soudure aussi 20 surfacique que possible du patin de refroidissement à ce type de boîtier muni de chemins conducteurs pour la plaque de circuit en utilisant avantageusement le procédé selon l'invention pour le contrôle. De tels types de circuits intégrés sont par exemple appliqués à des appareils de commande ou de gestion de moteur, puissants. 25 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un procédé de contrôle de soudures d'un composant d'un circuit intégré ainsi que d'un dispositif de contrôle représentés dans les dessins annexés dans lesquels : 30 - la figure 1 est une vue schématique de dessous d'un circuit intégré muni d'un patin de refroidissement, - la figure 2 montre une vue en coupe schématique du circuit intégré avec une plaque de circuit, structurée,

7 - la figure 3 montre un dispositif de contrôle avec une plaque de circuit structurée pour contrôler électroniquement les soudures sous le circuit intégré, et - les figures 4a, 4b et 4c sont des exemples de modes de réalisation d'une zone segmentée sous le patin de refroidissement du circuit intégré. Description de modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement un circuit intégré 10, par exemple un microprocesseur en vue de dessous dont le boîtier io 11 est un boîtier QFP. Le boîtier (QFP) est une forme de boîtier très répandue en électronique pour les circuits intégrés. Les pattes à souder 12 (broches) sont prévues sur les quatre côtés du boîtier plat QFP 11. Ces pattes sont soudées sur des plaques de circuit sous la forme de composants montés en surface. Il existe des composants QFP ayant un 15 nombre différent de points de soudage. On connaît par exemple des boîtiers avec 44, 56, 64, 80, 100, 128, 144, 160, 176, 208, 240, 272 ou 304 points de soudage portant la référence 12. Au milieu du boîtier 1 se trouve un patin de refroidissement 13 encore appelé patin E usuelle-ment réalisé en un matériau très bon thermoconducteur, comme par 20 exemple du cuivre. La figure 2 est une vue en coupe schématique du boîtier 11 du circuit intégré 10 qui a été soudé sur une plaque de circuit 20 ou platine. Le patin de refroidissement 13 est réalisé comme puits de chaleur sur lequel ont été soudées ou collées une ou plusieurs puces semi- 25 conductrices 15. La ou les puces semi-conductrices 15 sont reliées électriquement par des fils de liaison 14 aux seules bornes de soudage 12. La plaque de circuit 20 comporte un support 21 par exemple en céramique, en résine époxyde ou en aluminium marouflé portant les chemins conducteurs 22 pour le branchement des pattes ou bornes de 30 soudage 12. Selon l'invention, pour souder le circuit intégré 10 à la surface de refroidissement de la plaque de circuit 20, cette plaque 20 comporte une zone segmentée 23 sous le patin de refroidissement 13. A l'intérieur de cette segmentation des chemins conducteurs 22, au moins 35 un segment de cette surface (zone) est isolé électriquement par rapport

8 au restant de cette surface sous la surface de refroidissement ; la sur-face résiduelle est mise électriquement au potentiel du patin de refroidissement 13 qui est généralement le potentiel de masse (GND). La figure 3 montre un dispositif de vérification 30 pour le contrôle électrique des soudures selon l'invention. La zone de la plaque de circuit 20 à laquelle le patin de refroidissement 13 (patin E) du circuit intégré 10 est soudé, est divisée en deux ou plusieurs zones isolées électriquement les unes des autres. Ces zones sont reliées électrique-ment par le patin E si les soudures sont idéales. Les différentes zones io sont reliées par des chemins conducteurs 22 à des broches de mesure (patins ICT) pour tester avec un dispositif de contrôle externe 40 ou avec des bornes de soudage déterminées 12 du circuit intégré 10 (branchement du processeur) relié par test intérieur au circuit intégré 10. Dans l'exemple présenté, des parties déterminées des zones segmentées 15 23 sont reliées et mises au potentiel du patin de refroidissement 13. En général, ce potentiel est celui de la masse 42. Dans les coins des zones segmentées ou de la zone segmentée 23 en plus des zones intérieures qui sont au potentiel du patin E, il y a des zones électriquement isolées qui pourront être mises successivement ou simultanément au potentiel 20 de la tension de contrôle 42 pour des essais. Cela peut se faire avec des électrodes de contrôle 41 du dispositif de contrôle externe 40 ou avec un programme de test autonome du circuit intégré 10. Si toutes les zones du patin de refroidissement 13 sont soudées correctement, on peut diagnostiquer à partir de la chute de 25 tension ou du courant de court-circuit produit par l'application du potentiel de contrôle 44 et déterminer si les soudures sont correctes et réaliser ainsi un couplage thermique optimum. Dans le cas de l'une des zones isolées lorsqu'on applique le potentiel de la tension de contrôle 43, il n'y aura pas de chute de tension ou seulement une chute de ten- 30 Sion réduite ou seulement un petit courant de court-circuit qui permettront de conclure qu'il y a par exemple un point de soudage défectueux constituant au moins dans cette région, une forte résistance thermique n'assurant plus le refroidissement optimum du circuit intégré 10 dans son fonctionnement.

9 Les figures 4a-4c montrent quelques exemples de zones segmentées 23 sous le patin de refroidissement 13 du circuit intégré 10 qui comporte au moins deux zones. L'une des zones peut être constituée par la région inté- rieure comme le montre la figure 4a et l'autre, un anneau extérieur qui entoure cette région intérieure ; la région intérieure est mise au potentiel de masse 42 et pendant le contrôle de la soudure, l'anneau extérieur est au moins brièvement mis au potentiel de la tension de contrôle 43. La figure 4b montre une disposition des régions dans la io zone segmentée 23 formée de quatre chemins conducteurs 22 carrés ou rectangulaires ; l'une de ces surfaces est au potentiel de masse 42 et les trois autres surfaces sont mises successivement ou simultanément pendant un certain temps au potentiel de la tension de contrôle 43. La figure 4c montre un dispositif analogue à celui de la 15 figure 4a ; la région extérieure est divisée en deux zones. Pour des contrôles les deux zones extérieures peuvent être mises simultanément ou successivement au potentiel de la tension de contrôle 43 ; la zone intérieure est mise au potentiel de masse 42. 20 Io NOMENCLATURE

10 circuit intégré (microprocesseur) 11 boîtier 12 broche ou point de soudage 13 patin de refroidissement 14 fil de liaison 15 puce semi-conductrice 20 plaque de circuit Io 21 support 22 chemin conducteur 23 zone segmentée 30 dispositif de contrôle 41 électrode de contrôle 15 42 potentiel de masse 43 potentiel de tension de contrôle

Claims

REVENDICATIONS1°) Procédé de contrôle de soudures d'un composant de circuit intégré (10) comportant un boîtier (11) logeant une puce semi-conductrice (15) sur un patin de refroidissement (13) avec contact thermique et le patin de refroidissement (13) forme une surface métallique sur le côté inférieur du boîtier (11) soudé à un chemin conducteur (22) en surface correspondant à la surface métallique du patin de refroidissement (13) et appartenant à une plaque de circuit (20) pour évacuer la chaleur dégagée par la puce semi-conductrice (15) pendant son fonctionnement, io procédé caractérisé en ce que dans la région de la surface métallique du patin de refroidissement (13), le chemin conducteur (22) est segmenté et comporte au moins deux zones isolées électriquement l'une de l'autre, * au moins l'une des zones est mise au potentiel électrique du patin de 15 refroidissement (13) et pour contrôler la soudure, les zones isolées de celle-ci reçoivent au moins brièvement un potentiel de tension de contrôle (43) et on exploite la chute de tension ou le passage du courant pour évaluer la soudure. 20 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on juge de la qualité de la soudure du patin de refroidissement (13) au chemin conducteur (22) par la chute de tension ou l'amplitude du courant passant pendant l'application du potentiel de tension de contrôle 25 (43). 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones auxquelles on applique au moins brièvement le potentiel de 30 tension de contrôle (43), sont reliées électriquement à une broche de mesure et pour le contrôle on applique à la broche de mesure le potentiel (43) de la tension de contrôle par le dispositif de contrôle externe (40) et on mesure par rapport au potentiel de la zone qui est au potentiel du patin de refroidissement (13). 35 12 4°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les zones auxquelles on applique au moins brièvement le potentiel de tension de contrôle (43), sont reliées électriquement à au moins un branchement déterminé du circuit intégré (10) et pour contrôler le branchement respectif, elles sont mises au potentiel de tension de contrôle (43) et on mesure par rapport au potentiel de la zone qui est au potentiel du patin de refroidissement (13). Io 5°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on applique simultanément ou successivement le potentiel de la tension de contrôle (43) à plusieurs zones isolées électriquement les unes des autres par rapport à des zones qui sont au potentiel du patin de refroi- 15 dissement (13) et on détermine la chute de tension ou l'intensité du courant qui passe. 6°) Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 pour contrôler électriquement les soudures du circuit intégré (10) 20 ayant un boîtier QFP. 7°) Dispositif de contrôle (30) pour contrôler les soudures d'un composant de circuit intégré (10) ayant un boîtier (11) avec une puce semi-conductrice (15) en contact thermique avec un patin de refroidissement 25 (13) réalisant une surface métallique sur le côté inférieur du boîtier (11) qui est soudé à un chemin conducteur (23) en surface, correspondant à la surface métallique du patin de refroidissement (13) de la plaque de circuit (20) pour évacuer la chaleur dégagée par le fonctionnement de la puce semi-conductrice (15), 30 dispositif caractérisé en ce que dans la région de la surface métallique du patin de refroidissement (13), le chemin conducteur (22) est segmenté et comporte au moins deux zones isolées électriquement l'une de l'autre, * au moins l'une des zones est mise électriquement au potentiel du 35 patin de refroidissement (13) et pour contrôler les soudures, les 13 zones ainsi isolées sont sollicitées au moins brièvement par un potentiel de tension de contrôle (43) et la chute de tension ou l'intensité du courant sont exploitées pour évaluer les soudures à l'aide d'un dispositif de contrôle externe (40) ou par un circuit intégré (10). 8°) Dispositif de contrôle (30) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les zones mises au potentiel de la tension de contrôle (43) sont reliées à une broche de mesure de la plaque de circuit (20) et/ou à une ou plu-10 sieurs broches du circuit intégré (10), * le potentiel du patin de refroidissement (13) étant le potentiel de masse (42). 9°) Dispositif de contrôle (30) selon la revendication 7, 15 caractérisé en ce que les zones des chemins conducteurs (22) sous le patin de refroidissement (13) du circuit intégré (10) sont réalisées sous la forme d'une région intérieure entourée d'une région extèrieure , * la région intérieure étant mise au potentiel du patin de refroidisse- 20 ment (13) et la région extérieure étant mise au moins brièvement pendant le contrôle des soudures au potentiel de la tension de contrôle (43), * la région extérieure étant divisée en deux ou plusieurs zones qui, pendant le contrôle peuvent être mises successivement ou simulta-25 nément au potentiel de tension de contrôle (43). 10°) Dispositif de contrôle (30) selon la revendication 7, caractérisé en ce que les zones des chemins conducteurs (22) sous le patin de refroidissement 30 (13) sont divisées à la manière de quadrangles en des zones rectangulaires ou carrées et au moins l'une des zones est mise au potentiel du patin de refroidissement (13) et les autres zones sont mises successive-ment ou simultanément au potentiel de tension de contrôle (43) pendant le contrôle. 35