CA1315415C - Procede de montage d'un pave semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion electrique - Google Patents

Abstract

Procédé de montage d'un pavé semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion électrique. Un pavé (1), à monter sur un support (Z), 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 éleotriques. Le procédé de l'invention s'applique en particulier au montage de diodes électroluminescentes, diodes lasers et photodétecteurs. (Fig.2)

Description

~3~54~

La présente invention a pour objet un procédé de montage d'un pavé semi-conducteur sur un support de dissipation thermique et de connexion élec trique, pour la réalisation d'un composant élec-tronique, les deux faces du pavé et du support, respectivement, en regard étant pourvues de couches métallisées qu'on assemble l'une à l'autre.
Un tel procédé s'applique à de nombreux types de composants électroniques, et en particulier les transducteurs opto-électriques ou électro-optiques, comme les photodétecteurs, les diodes electroluminescentes ou les diodes lasers.
Dans les procédés connus du type ci-dessus, l'assemblage est réalisé par collage à l'aide d'une colle conductrice ou par brasage à l'indium ou à
l'étain. 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'hétérogeneite des materiaux conducteurs utilises, il apparaît, au niveau de chaque transition entre materiaux conducteurs differents, 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 n'est par parfaite, en particulier dans le cas où une quantité importante d'énergie doit etre : ,.

~ 3 ~

dissipée sous forme de chaleur par le pavé. Dans ce cas, ce dernier chauffe et se dilate différemment du support ce qui affecte l.a 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 degrader les proprietes thermiques et mécaniques.
De la dégradation des proprié-tés 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 brasu-res habituellement utilisées diffusent également à
l'interieur du pave de semi-conducteur, provoquant peu à peu un empoisonnement du semi-conducteur, ce qui degrade ses performances et limite sa durée de vie.
On connaît 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 fonc-tionnement, 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 d'atteindre des valeurs trop élevées. L'utilisation d'un tel refroi-disseur complique l'emploi du composant et en augmente le coût.

~3~4~

La présente invention vise à pallier les inconvenients precedents, en procurant un procedé de montage permettant la réalisation de composants, dans lesquels les contacts avec le pavé semi-conducteur sont des contacts ohmiques, c'est-à-dire ne présentant aucune barrière de potentiel parasite, ces composants presentant par ailleurs une bonne tenue mécanique et une duree de vie longue, même 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 procede du type defini ci--dessus, caracterise par le fait que les deux couches métallisees du pave et du support sont assemblees par l'intermediaire d'au moins un ilot d'assemblage, de section déterminée, déposé
sur l'une des deux couches métallisees, et assemble à
l'autre couche metallisée par thermocompression à
l'aide d'un poincon, en appui sur la face du pave opposee à sa face d'assemblage, sur une surface sensiblement egale à la section de l'îlot, l'ilot d'assemblage etant en même materiau metallique que la couche metallisee à laquelle il est assemble par thermocompression.
Dans les composants realises avec le procede de l'invention, du fait que l'îlot d'assemblage et la couche metallisee à laquelle il est assemblé sont en même matériau métallique, et du fait qu'ils sont assemblés par thermocompression, donc sans apport de colle ou de brasure, le contact électrique ainsi réalisé est véritablement un contact ohmique.

131~

Du fait que l'assemblage du pavé est realise à l'aide d'un ou pl.usieurs îlots, c'est-à-dire d'une ou plusieurs zones de section, ou de surface, faible par rapport à l.a surface de la face du pave en regard avec le support, la tenue mecanique n'est pas affectee par les dil.atations du pave. En effet, la section de chaque îlot etant 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 îlo-t une certaine élasticité qui fait que, même lorsque les îlots sont repartis sur l'ensemble de la face du pave en regard du support, c'est-à-dire de l'ensemble de l'interface pavé-support, les differences d'allon-gement entre le pavé et le support sont absorbées par les îlots, grâce à cette élasticite. Pour les mêmes raisons, la tenue mecanique aux vibrations est très bonne.
Du fait qu'aucune colle ou brasure n'est utilisee, il n'y a aucun risque d'empoisonnement du pave semi-conducteur et le comportement thermique est, malgré la réduction de la surface autorisant les echanges thermiques, comparable à celui des composants de l'art anterieur utilisant une brasure, et nettement meilleur que celui des composants utilisant une colle.
Dans le procede de l'invention, il est remarquable que la demanderesse ait eu l'idée de realiser l'assemblage des faces en regard du pave et du support, à l'aide d'un procédé de thermocompression connu, mais que l'art anterieur enseigne d'utiliser pour des surfaces beaucoup plus faibles que celles de ces faces, puisque ce procede connu est normalement utilisé en microélectronique pour souder les fils de connexion électrique, et non pour réaliser l'opération d'assemblage mécanique, thermique et électrique entre le pavé et le support, opération encore appelée "report" du pavé sur le support. Pour cela, la deman-deresse a dû 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 îlot 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'in-vention est qu'il est mis en oeuvre à l'aide d'un outil de thermocompression connu, et donc largement répandu.
Avantageusement, simultanément à l'appli-cation du poinson de thermocompression, on soumet ce dernier à des vibrations ultrasonores~
Alors, la diffusion, l'un dans l'autre, de l'îlot 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, l'îlot 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

~315~1~

souder à un fil de connexion en meme materiau metallique, on dispose le fil entre cette face et le poinçon pour realiser simultanement 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 parti-culières de l'invention, on dépose l'îlot d'assemblage sur la couche métallisée du pavé, l'ilot est de forme allongée, et ledit composant electronique est une diode laser dont le canal laser a ete délimité dans le pavé semi-conducteur par implantation protonique utilisant ledit îlot allongé comme écran.
Dans ce cas, du fait de l'autoalignement du canal laser et de l'ilot d'assemblage, c'est-à-dire de leur alignement automatique et quasiment parfait puisque, par construction, le canal laser épouse la forme de l'ilot 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 procédé de l'invention, et de quelques variantes, faite en se reférant 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 etre monté;
- la figure 2 représente une vue du pavé
semi-conducteur de la figure 1, en cours de montage sur son support, selon le procéde de l'invention;

- la figure 3 représente une vue de dessous du pave de la figure 1, montrant l'îlot d'assemblage dont il est pourvu, et - la figure 4 représente une vue de dessous d'un autre pave semi-conduc-teur, montrant les îlots d'assemblage dont il est pourvu.
En se referant à le figure 1, un pave 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 1 en représente la partie active.
Comme tout pavé semi-conducteur, le pavé 1 comporte des zones différemment dopées, non repré-sentees, et electriquement reliees à des couches metallisees, ici les couches 7 et 11, et, comme cela est connu, le pave 1 est agence pour que lorsqu'une tension suffisante est appliquee entre ces deux couches, il y ait émission de photons à l'intérieur du pavé 1, apparition d'une oscillation laser et emission d'un rayonnement laser dans la direction indiquee par la flèche 13.
Le rendement d'une telle diode laser étant inferieur à l'unite, une partie de la puissance electrique appliquee au pave 1 n'est pas transformee en puissance lumineuse évacuée par le rayonnement laser et doit être dissipee sous forme de chaleur par le pave 1.
Le support 2, destine à être mecaniquement solidaire d'un boitier, non represente, pourvu de broches d'accès electrique, permettra après montage, ~L 3 ~

la connexion électrique de la couche 11 à une des broches d'accès du boîtier par l'intermédiaire d'une couche mé-tallisée 4 sur la face du support 2 en regard du pavé 1.
La couche métallisée 7 sera, elle, reliée par l'intermédiaire d'un fil à une autre broche d'accès du boîtier.
Le support 2 permettra de plus, après mon-tage et lorsque la diode laser sera en fonctionnement, la dissipation thermique de la puissance appliquée au pavé 1 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 1 accompagnant la dissipation d'un watt, sous forme de chaleur, par le pavé 1 monté sur le support 2.
L'assemblage du pavé 1 et du support 2 est réalisé par l'intermédiaire d'une couche métallisée 3 en forme d'îlot, 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 hori-zontale inférieure, sur la figure 1, du pavé 1. Du plus, comme le montre la figure 3, l'îlo-t 3 est allongé en forme de ruban. Ce-t îlot 3 allongé est ici réalisé par dépôt électrolytique d'un ruban d'or, d'épaisseur ici sensiblement égale a 3 ~m, sur la ~3~415 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'îlot 3 all.ongé, en plus de son rôle dans l'assemblage du pavé 1 et du support 2 qui sera mieux compris dans la suite, est ici déjà utilisé, lors de la fabrication du pavé 1, comme écran pour délimiter, par implantation protonique, un canal laser 12, repré-senté partiellement et schématiquement en pointillé
sur la figure 1. La couche métallisée 7, deposée sur la face horizontale supérieure du pavé 1, c'est-à-dire sur la face opposée à la face d'assemblage sur laquelle est déposé l'îlot 3 d'assemblage, est ici en or d'épaisseur 3 ~m, déposé par le même procédé
électrolytique connu que l'îlot 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 trai.tement de surface comprend par exem-ple un polissage à l'aide d'une pâte abrasive et une immersion dans une solution nettoyante, suivis d'un rincage 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 egale à 3 ~um.
On dispose ensuite le pavé 1 sur le support

2, l'îlot 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.

~ "
`' ' ' ~ ' ' , :

.'- . ' ' ~ .

~ 3 ~

L'opération d'assemblage du pa~é 1 et du support 2 est ici réalisée simultanément à l'opération de soudage, par thermocompression, de la couche 7 et du fil de connexion 8, ici un fil d'or de diamètre de 25 ~m. 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 240C, et un poinçon 5 de surface d'appui sensiblement égale à celle de l'îlot 3, soumis à la même force que celle qui serait nécessaire pour assurer le soudage seul du fil 8 sur la couche 7.
Ici, on soumet, de plus, le poincon 5 à des vibrations ùltra-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 l'îlot 3 dans la couche 4 et reciproquement.
A titre d'exemple, la diode laser est ici un pavé de section horizontale, sur la figure 1, sen-siblement carrée de 250 ,um x 250 ~m. L'îlot 3 a une largeur de 10 ~m, et comme il s'étend sur 250 ~m, sa section vaut 2500 jum2. La surface d'appui du poincon 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 ~m2.
On notera que, dans un souci de clarté, l'échelle verticale de la figure 1 ne correspond pas à
son échelle horizontale.

.~ : , , :
.

~ 3 ~

La force d'appui sur le poinson 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 mW.
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 cor-respond 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 30C/W 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 50C/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 mécanlque de l'assemblage.
Naturellement, le procédé de l'invention n'est limite ni au montage des diodes lasers, ni à des îlots d'assemblage ayant la forme d'un îlot all.onge comme l'îlot 3 qui vient d'être decrit. C'est ainsi que le procede de l'invention peut s'appliquer à tout type de composant semi-conducteur, et en particulier aux diodes électroluminescentes et aux photo-detecteurs. Dans ces derniers cas, il est à la portée de l'homme de metier de realiser une couche d'assemblage en forme d'un îlot ou d'une pluralite d'îlots, adaptes à la configuration du pave considéré, pourvu que la somme des sections des îlots reste sensiblement égale à la surface d'appui du poinson, afin d'assurer une bonne soudure par thermocompression des îlots sur la couche d'assemblage du support. On continue alors à bénéficier du bon comportement thermique et mécanique des îlots.
A titre d'exemple, on a représenté, sur la figure 4, la couche métallisée 11' inférieure d'un pavé de mêmes dimensions que le pavé 1 et pourvu d'une matrice de vingt-cinq îlots 3', ayant chacun une sec-tion carrée de 10 ~m x lO~um, ce qui correspond à une somme de 2500 ~m2, sensiblement égale à la surface d'appui 51 du poinson 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'îlot 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, pourvu que les parties assemblées par thermocompression soient réalisées dans le même matériau métallique. Il en va de même de la couche de la face supérieure du pavé et du fil de connexion à
souder ensemble. Dans le cas où on réalise simul-tanément 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 poinson conviennent pour les deux opérations.

, . ~ .

~ 3 ~

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'appliGation du procédé à un pavé partlculier de forme sensiblement parallélépipédique, mais par "pavé" il faut entendre ici toute "puce" ou bloc de semi-conducteur, en forme de parallélépipède, de galette ou de pastille, par exemple. Le fil d'or 8 peut bien entendu etre rem-placé par un ruban plat, et par "surface d'appui" 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 l'ilot d'assemblage est déposé par électrolyse sur le pavé, mais il est bien sur possible de déposer l'îlot d'assemblage sur le support, et aussi d'utiliser d'autres techniques connues de dépot que l.e dépot électrolytique.

,

Claims (10)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

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 (1) et du support (2), respectivement, en regard étant pourvues de couches (11; 11', 4) métallisées qu'on assemble l'une à l'autre, procédé caractérisé par le fait que les deux couches (11; 11', 4) métallisées du pavé (l) et du support (2) sont assemblées par l'intermédiaire d'au moins un îlot (3; 3') d'assem-blage, de section déterminée, déposé sur l'une (11;
11') 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'îlot (3;
3'), l'îlot (3; 3') d'assemblage étant en même maté-riau métallique que la couche (4) métallisée à
laquelle il est assemble par thermocompression.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel simultanément à l'application du poinçcon (5) de thermocompression, on soumet ce dernier a des vibrations ultrasonores.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'îlot (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. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la face du pavé (1) 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'assem-blage du pavé (1) et du support (2) et le soudage du fil (8) de connexion.

5. Procédé selon la revendication 1, dans le-quel on dépose l'îlot (3) d'assemblage sur la couche métallisée (11; 11') du pavé (1).

6. Procédé selon la revendication 5, dans le-quel, l'îlot (3) est de forme allongée, et, ledit composant électronique est une diode laser dont le canal laser (12) a éte délimité dans le pavé (1) semi-conducteur par implantation protonique utilisant ledit îlot (3) allonge comme écran.

7. Procédé selon la revendication 1, dans le-quel les deux couches (11', 4) métallisées du pavé (1) et du support (2) sont assemblées par l'intermédiaire d'une pluralité d'îlots (3'), dont la somme des sec-tions est sensiblement égale à la surface d'appui (51) du poinçon (5).

8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les îlots (3') d'assemblage forment une matrice d'îlots.

9. Procédé selon la revendication 1, 2, 5, 7 ou 8, dans lequel l'îlot 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 µm.

10. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 5, 7 ou 8, dans lequel l'îlot d'assemblage (3; 3') est déposé par électrolyse.