FR2475960A1 - Procede d'assemblage de pieces par soudure, preforme et composant microelectronique obtenu au moyen de cette preforme et de ce procede - Google Patents

Procede d'assemblage de pieces par soudure, preforme et composant microelectronique obtenu au moyen de cette preforme et de ce procede Download PDF

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE SOUDURE TENDRE, DANS LEQUEL LES FLUX OU ATMOSPHERES REDUCTRICES UTILISES POUR COMBATTRE L'OXYDATION SONT SUPPRIMES EN RAISON DE LEUR INFLUENCE NEGATIVE SUR LES COMPOSANTS, EN MICROELECTRONIQUE. L'ASSEMBLAGE DE PIECES SE FAIT AU MOYEN D'UNE PREFORME DE SOUDURE DECOUPEE DANS UN METAL OU ALLIAGE A BAS POINT DE FUSION ET OXYDABLE. L'OXYDATION DE LA PREFORME EST EMPECHEE PAR UNE PELLICULE DE METAL INOXYDABLE A LA TEMPERATURE DE LA SOUDURE. LE TEMPS DE DISSOLUTION DE LA PELLICULE DANS LA PREFORME EST SUFFISANT POUR EFFECTUER LA SOUDURE. APPLICATION AUX SOUDURES DE PASTILLES SUR EMBASES, OU AUX FERMETURES DE BOITIERS.

Description

L'invention concerne un procédé d'assemblage de pièces utilisées en électronique. Elle s'applique plus particulièrement au procédé de soudure pour la fermeture de micro-boitiers et plus généralement à la liaison d'éléments par soudure à base de métaux oxydables. Cependant, elle permet de travailler avec des alliages ou des eutectiques à base de métaux oxydables, sans avoir recours à des flux ou au procédé de soudure sous gaz neutre ou réducteur.
L'invention sera décrite en s'appuyant sur un exemple de réalisation dans lequel le micro-boitier est un chip carrier", c'est-à-dire un boîtier pour pastille de dispositif semi-conducteur > mais exemple choisi pour exposer l'invention ne restreint nullement le champ d'application de l'invention qui couvre toutes les soudures délicates en électronique, telles que soudure de pastille active ou de composant passif sur un support, soudure de fils de connexion sur les poteaux de boîtiers et les préformes de soudure en général.
La technique de soudure dite "tendre" s'applique en particulier à la fixation des pastilles de semiconducteur actif sur des embases, et à la fermeture des boîtiers : il faut donc dans la suite de ce texte exclure tout rattachement aux soudures par ultrasons ou par thermo-compression, avec écrasement de fil ou écrasement de-boule, qui sont en dehors du domaine de l'invention. Les Eoudures concernées par l'invention sont celles dans lesquelles est rapporté un alliage ou eutectique à bas point de fusion, tels que par exemple les alliages plomb-étain à 37 - 63 % en poids, ou or-étain à 80 - 20 % en poids
Selon les techniques de soudure connues, la fusion-d'un métal ou d'un alliage, oxydable par l'air ou corrod ble par différents agents gazeux qui peuvent zetre créés au cours de la soudure, tels que sulfures, nitrures ou halogênures, nécessite soit de détruire -cas composes formés et#c'est l'action des flux, soit d'empêcher leur formation et c'est ce qui est fait lors de soudures-sous atmosphères neutre ou réductrice.
Les flux sont des composés liquides à température ambiante, qui ont pour -fonction d'empêcher la formation de composés néfastes à la qualité de la soudure.
Les flux sont très difficiles à enlever complètement après l'opération de soudure. La soudure sous atmosphère réductrice n'est pas toujours compatible avec les composants manipulés : c'est le cas par exemple des condensateurs multi-couches à armature en palla dium qui ne peuvent pas titre soudés en présence daune atmosphère contenant de l'hydrogène.
La po ésente invention concerne une nouvelle solution consistant à éviter que le métal ou l'alliage ne soit au contact de l'atmosphère ambiante, au moins avant et pendant la fusion.
Cet objectif est atteint au moyen d'une protec-tion de ia préforme de soudure par une fine pellicule constituée d'un métal ou d'un alliage non oxydable et non corrodable, et ne conduisant pas à la formation de composés inter-métalliques#rragilisants. Ainsi, selon l'invention, la soudure constitue-l'un des composants à assembler et elle se présente comme un objet en préforme, c'est-à-dire un objet découpé selon la forme définitive de l'assemblage.
De façon plus précise, l'invention consiste en un procédé d'assemblage de pièces par soudure sans flux, dans lequel les pièces sont soudées entre elles au moyen d'une préforme d'un composé métallique à bas point de fusion et oxydable, caractérisé en ce que la surface de la préforme est protégée contre l'oxydation au moyen d'une pellicule métallique non oxydable et non corrodable à la température de fusion de la préforme.
L'invention sera mieux comprise au moyen de la description, laquelle s!appuie sur des figures d'un exemple de réalisation, qui représentent
- figure 1, une préforme de soudure ;
- figure 2, un boîtier d'encapsulation#, vu en coupe, montrant le procédé d'asseg
- figure 3, un détail agrandi de la figure 2 montrant la protection de la préforme pendant la phase de fusion.
La figure 1 représente une préforme telle qututi- lisée pour la soudure des-micro-boitiers appelés "chip carrier
Ces micro-boitiers sont des boîtiers de forme généralement carrée ou rectangulaire, utilisés entre autre dans le domaine des circuits hybrides pour manipuler et tester les pastilles de semi-conducteurs. Ils sont constitués d'une embase sur laquelle sont soudées la pastille semi-conductrice et une grille de connexion ; il est nécessaire de rapporter sur le tout un couvercle de protection mécanique soudé au moyen d'une préforme de soudure. C'est pourquoi la préforme représentée figure 1 a une forme carrée, évidée en son centre.
Il existe d'autres préformes, pleines, ou rondes selon l'usage qui doit en être fait, par exemple souder la pastille semi-conductrice sur l'embase. L'intérêt de cette figure 1 est de montrer, grâce à un écorché dans un coin du dessin, que l'Ame de l'objet est constituée par un ruban de-soudure 1 à proprement parler ; cette soudure peut être par exemple, comme-il -l'à déjà été dit, un alliage plomb-étain à 37 - 63 ss en poids ou un alliage or-étain à 80 - 20 % en poids.
Sur cette âme 1 est déposée par voie chimique, -électro- chimique, ou par pulvérisation sous vide, une couche d'un métal non oxydable, tel que de l'or par exemple, d'épaisseur inférieure à 1 micron. C!est cette couche 2 qui forme une "peau" de protection à la surface de la préforme de soudure.
Le rapport des masses entre le métal non oxydable et le métal ou l'alliage de soudure est faible et ne modifie pas d'une façon générale la température de fusion, ou plus-précisément la température du liquidus et du solidus de l'alliage dans des proportions élevées.
S'il se faisait que la dissolution de la "peau" de métal non oxydable dans le métal ou l'alliage de soudure atteigne des concentrations dangereuses, ou tende vers la formation de composés intermétalliques fragilisants, il suffirait d'appauvrir l'alliage de soudure en l'un de ses constituants, par exemple en or s'il s'agit d'un alliage or-étain.
La préforme étant déposée entre les deux pièces à assembler, des qu'elle fond, sa "peau" en métal inoxydable l'emprisonne dans une g#aine qui la protège de toute oxydation en corrosion externe pendant une durée égale à la durée de dissolution dans l'alliage du métal constituant la gaine. Les dimensions et la masse de la préforme, et les forces de tensions superficielles, sont suffisantes pour maintenir la préforme fondue à l'intérieur d'une pellicule homogène qui la protège de l'oxydation. Dans le cas pris à titre d'exemple, une soudure tendre plomb-étain recouverte d'une pellicule d'or, la durée de protection avant dissolution de l'or dans le plomb-étain atteint 10 à 15 sec, c 'est-à-dire un temps nettement suffisant pour effectuer une soudure.Lorsqu'il y a eu dissolu- tion, il convint de refroidir#afin de limiter l'oxydation en phase solide.
La figure 1 représente une préforme constituée par un objet distinct des autres objets à assembler cependant appartint au domaine de l'invention le cas où l'une des deux pièces à assembler a été localement recouverte de l'alliage de soudure, par trempé par exemple, la soudure étant ensuite elle-même recouverte d'une pellicule protectrice par voie chimique par exemple.
La figure 2 représente un boîtier d'encapsulation du type "chip carrier" vu en coupe et montre le procédé d'assemblage selon l'invention.
Un boîtier ttchiF carrier" est essentiellement constitué par une embase 3, généralement en céramique, sur laquelle il faut souder un couvercle 4, en céramique également, par l'intermédiaire d'une préforme 5.
La préforme 5 est du type de celle montrée en figure 1 et est recouverte d'une pellicule inoxydable.
L'embase 3 supporte une pastille semi-conductrice 6, ou un composé passif, relié par des fils de connexion 7 à une grille de sortie ou à des métallisations repliées sous l'embase. Un joint intercalaire 9 est, avant l'opération de fermeture du boîtier, fixés sur le pourtour de l'embase 3 : ce joint intercalaire est en matériau isolant, sa fonction est d'empêcher que la soudure ne court-circuite entre elles les connexions de sortie 8, mais sa face supérieure 10 a été métallisée de façon à permettre une soudure ultérieuse.
De la même façon, la partie 11 du couvercle sur laquelle sera effectuée l'opération de soudure a été précédemment métallisée, par exemple par trempage ou par sérigraphie. Le procédé d'assemblage consiste donc à#réunir l'embase 3 et tous les accéssoires qu'elle supporte au eouverele 4 par l'intermédiaire d'une préforme de soudure 5, laquelle est protégée par une pellicule inoxydable selon ltinvention.
La figure 3 est un détail agrandi de la figure 2 et montre la partie du couvercle 4 sur laquelle est effectuée l'opération de soudure. La face 11 du couvercle 4 est métallisée de façon à permettre l'adhé- reste de la-s-oudure, chose qui ne serait pas possible si cette mame face il était en céramique.La soudure à proprement parler, c'est-à-direpar exemple un alliage plomb-étain > constitue pendant la phase de fusion un ménisque representé en 12. Sans la précaution prise au titre de l'invention, ce ménisque stoxyderaXt en surface et l'assemblage serait de mauvaise qualité, ou bien alors il faudrait faire intervenir soit un flux, soit une atmosphère réduc- trice, ce que l'on veut éviter La fine pellicule le métal inoxydable 13 constitue une protection contre l'oxydation de la soudure, protection qui dure suffisamment longtemps avant dissolution de ce métal dans la masse de soudure pour que l'opération ait le temps entre achevée.
Les applications-de ce procédé d'assemblage concernent en particulier les préformes de soudure plomb-étain rev#tues d'or pour souder sans flux des fils de connexions sur des poteaux de boîtiers métal liques du type semi-conducteur discret, ou ou préformes or-étain telles qu'utilisées pour fermer des boîtiers céramiques du type "chip carrier". Cependant, d'autres applications de soudure entre des éléments utilises en micro-électronique et notamment dans le domaine des circuits hybrides sont possibles et appartiennent au domaine des revendications ci-après.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Procédé d'assemblage de pièces par soudure, sans flux, dans lequel les pièces sont soudées entre elles par apport d'une préforme d'un composé métallique à bas point de fusion et oxydable, caractérisé en ce que la surface de la préforme est protégée contre l'oxydation au moyen d'une pellicule métallique non oxydable et non corrodable à la température de fusion de la préforme.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule métallique est constituée par un métal pur.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule métallique est constituée par un alliage de composition voisine de l'eutectique.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule métallique est déposée sur la plateforme par voie chimique.
5. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que la pellicule métallique est déposée sur la préforme par voie électrochimique.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule métallique est déposée sur la plateforme par vaporisation sous vide.
7. Préforme de soudure à bas point de fusion, caractérisé en ce que sa surface est protégée par une pellicule selon l'une quelconque des revendications 2 à 6.
8. Composant micro-électronique, caractérisé en ce que ses constituants sont assemblés par soudure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 du procédé d'assemblage.
9. Composant micro-électronique, caractérisé en ce que ses constituants sont assemblés par soudure au moyen d'une préforme selon la revendication 7.
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