Brevet FR2002909A1 — publié le 19691031

La présente invention est relative aux redresseurs de puissance à semi-conducteurs et à leur fabrication, et elle concerne plus particulièrement des redresseurs à semi-conducteurs capables de supporter des courants excédant 25 ampères dans le sens direct. I1 est de pratique courante jusqu'à présent de protéger une jonction redresseuse dans un corps semi-conducteur en prévoyant un milieu protecteur choisi pour la jonction. Dans certains cas, la protection est constituée par un revêtement superficiel de bioxyde de silicium déposé sur la surface du corps semi-conducteur, par dessus la jonction. Dans d'autres cas, le corps semi-conducteur est protégé en l'enfermant dans un boitier qui renferme une atmosphère choisie, qui constitue -le milieu protecteur. Dans des dispositifs semi-conducteurs de puissance élevée, il est préférable de monter le corps semi-conducteur directement sur une partie ou base relativement épaisse d'un boîtier protecteur fermé hermétiquement afin d'obtenir une dissipation maximale de la chaleur, pour un fonctionnement à puissance maximale.Par le terme de dispositif semi-conducteur de puissance élevée, on entend désigner des dispositifs semi-conducteurs capables de supporter des courants excédant 25 ampères dans le sens direct. Comme atmosphère choisie à l'intérieur de tels dispositifs, on utilise normalement de l'air sec. Les corps semi-conducteurs dans de tels dispositifs peuvent être revêtus d'un vernis avant leur mise en place afin de protéger la jonction au cours des phases de montage, avant que le corps semi-conducteur soit enfermé de façon étanche dans son bottier de protection. On pense que le vernis contribue également à protéger la jonction après la fermeture du bottier. Par ailleurs, on a constaté que cette protection n'est apparemment pas suffisante pour protéger la jonction de dispositifs de puissance, en particulier des dispositifs à puissance très élevée tels que ceux capables de supporter 2 a0 ampères dans le sens direct, et une polarisation inverse de 2 500 volts environ. Au cours des cycles de fonctionnement entre un courant direct maximal et une polarisation inverse maximale de tels dispositifs de puissance, des champs électriques extrêmement importants sont engendrés autour des jonctions et des zones superficielles. Les techniques habituelles pour la passivation superficielle et la protection hermétique des dispositifs semi-conducteurs de faible puissance ne sont pas suffisantes pour permettre d'obtenir la totalité des avantages inhérents d'une jonction de puissance.Les champs électriques importants varient en fonction du temps à la fois en grandeur et en position sur la jonction. Des niveaux d'impureté apparemment irréguliers sur la surface ou dans la couche sous-jacente à la surface du corps semi-conducteur affectent la nature des champs engendrés et apparemment ces niveaux varient dans le temps. Dans tous les cas, même lorsque le corps semi-conducteur au silicium est protégé au moyen d'un revêtement protecteur apparemment imperméable, et que ce corps est enfermé hermétiquement à l'intérieur d'une enceinte de protection contenait une atmosphère protectrice, la capacité de fonctionnement à grande puissance, ou la durée de vie en fonctionnement à puissance maximale est limitée.La jonction du corps semi-conducteur peut même présenter des effets d'arc qui provoquent une défaillance complète de fonctionnement ou une altération notable des propriétés électriques du dispositif semi-conducteur. En conséquence, même lorsque le corps semi-conducteur est apparemment totalement protégé, la capacité de fonctionnement du dispositif est limitée par l'effet d'arc qui se produit. Il est par conséquent évident que les traitements usuels de passivation et de protection des jonctions ne sont pas suffisamment efficaces pour des dispositifs semi-conducteurs de puissance. Par exemple, on a essayé des revêtements superficiels de bioxyde de silicium, de nombreux vernis semi-conducteurs, du nitrure de bore et du lait de magnésie [Mg(OH)2], seuls et en combinaison avec des atmosphères protectrices drain sec ou humide et d'azote sec ou humide. Alors que ces milieux peuvent se révéler suffisamment protecteurs pour des dispositifs semi-conducteurs de faible puissance, ils ne présentent pas une efficacité suffisante pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance élevée.Si l'on désire obtenir la capacité de fonctionnement maximale d'une jonction de puissance élevée, il est nécessaire de prévoir une protection meilleure. Des redresseurs à semi-conducteurs de puissance élevée selon l'invention présentent une protection sous une forme améliorée, pour les jonctions redresseuses, cette protection supprimant l'ef- fet d'arc dans la jonction redresseuse sur la surface du corps semi-conducteur et permettant drobtenir la totalité des avantages propres à la jonction. Ladite protection améliorée suivant l'invention pour des jonctions redresseuses est obtenue en appliquant sur la surface du corps semi-conducteur, par dessus la région de la jonction, un revêtement qui facilite la dissipation thermique de la jonction, qui fournit une protection diélectrique plus grande que l'air ou l'azote sur la surface de la jonction et qui isole cette dernière même plus efficacement qu'un vernis pour composants électriques, des impuretés emprisonnées à l'intérieur de l'enceinte hermétiquement close du corps semi-conducteur. Une couche de graisse aux silicones est très efficace en tant que revêtement final, en particulier lorsqu'elle est appliquée sur un revêtement initial de vernis polymérisé, et lorsque le corps semi-conducteur est enfermé sous une atmosphère d'azote sec. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple, et dans lequel - la Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'un redresseur au silicium à très grande puissance selon l'invention; - la Fig. 2 est une vue partielle à plus grande échelle du corps semi-conducteur du dispositif représenté à la Fig. 1. Comme on l'a indiqué précédemment, l'invention est particulièrement destinée à etre utilisée en combinaison avec des redresseurs de très grande puissance, c'est-à-dire des dispositifs qui sont capables de supporter des intensités excédant 25 ampères dans le sens direct. En particulier l'invention est particulièrement utile pour améliorer des dispositifs capables de supporter plus de 1 000 ampères dans le sens direct et cependant capables de supporter une tension de polarisation inverse de plus de 1 000 volts. On a représenté au dessin un dispositif appartenant à cette dernière catégorie. Ce dispositif est du type vertical court et comporte une base 10 relativement épaisse et un dispositif de fermeture d'extrémité 12 étanche, qui constituent ensemble une enceinte de protection hermétiquement fermée pour un corps semi-conducteur disposé à l'intérieur. Le dispositif de fermeture d'extrémité est du type habituel, comportant un élément inférieur métallique 14 de forme cylindrique qui est espacé d'un élément supérieur métallique 16 en forme de coupelle inversée, au moyen d'un élément isolant intermédiaire 18 en céramique, de forme cylindrique, les trois éléments étant liés ensemble de façon hermétique. Un organe tubulaire 20 est soudé dans une cavité prévue dans la partie centrale de l'élé- ment supérieur 16. Une cloison transversale 22 prévue dans l'organe tubulaire 20 isole l'intérieur de Itenceinte de l'atmosphère environnante. L'élément inférieur cylindrique 14 du dispositif de fermeture d'extrémité 12 présente sur son bord inférieur une col- lerette circonférentielle 24.Cette collerette 24 est soudée à froid en 26 sur un rebord annulaire 28 en saillie vers le haut prévu sur la surface supérieure de l'élément inférieur 10. La soudure 26 effectuée à froid est continue autour de la collerette annulaire 24 afin de constituer un joint hermétique entre le dispositif 12 de fermeture d'extrémité et l'élément inférieur 10. Un prolongement 30 venu de matière et fileté prévu sur l'élément inférieur sert d'organe de montage pour le dispositif. Une bande de cuivre 32 sertie autour d'un conducteur 34 en cuivre tressé, est soudée sur la surface supérieure d'un dispositif 36 semi-conducteur. L'ensemble du corps semi-conducteur est soudé sur une partie centrale de l'élément inférieur, à l'intérieur de l'enceinte constituée par l'élément inférieur et le dispositif de fermeture d'extrémité.Une soudure habituelle quelconque, par exemple une soudure à l'argent, peut être utilisée pour réaliser ces connexions. -A l'extrémité supérieure du conducteur tressé 34 est sertie une bande métallique 38, dans un élément tubulaire 20. Un autre conducteur tressé (non représenté) peut être fixé dans un évidement 39 prévu à l'intérieur de l'extrémité supérieure de l'élément tubulaire 20 afin de permettre une connexion externe avec l'ensemble du redresseur. Le corps semi-conducteur du dispositif est représenté dans la vue partielle à plus grande échelle de la Fig. 2. Une pastille semi-conductrice 40 chanfreinée comportant des surfaces principales opposées 42 et 44 pour des électrodes de contact 46 et 48 respectivement, est soudée sur ces électrodes. Bien qu'une soudure non dopée puisse être utilisée pour réaliser ces connexions, il peut être souhaitable d'inclure une impureté appropriée dans les soudures respectives utilisées afin de réduire la résistance de contact dans le dispositif terminé. En conséquence, la pastille semi-conductrice 40 est disposée entre les électrodes de contact.-soudées 46 et 48 qui sont à leur tour respectivement soudées au conducteur 32 et à la surface supérieure de l'élément inférieur 10.Une jonction PN 50 disposée à l'intérieur de la pastille semi-conductrice 40 s'étend horizontalement en travers de la totalité de la pastille, parallèlement aux surfaces principales de cette pastille, et se termine sur la partie circonférentielle chanfreinée 52. Le bord chanfreiné diminue le courant de fuite de la jonction exposée sur le bord du corps semi-conducteur. Un revêtement 54 de vernis recouvre la totalité du bord du corps semi-conducteur qui est découvert entre les électrodes de contact 46 et 48 On peut utiliser l'un quelconque des vernis connus pour corps semi-conducteurs. Cependant il est préférable d'utiliser un vernis qui durcit approximativement en quinze heures a une température de 2500C sous une atmosphère d'azote sec.Un revetement 56. d'une graisse aux silicones ayant une épaisseur d'environ 1,3 mm, recouvre la couche 54 de vernis. Le type de dispositif représenté au dessin utilise un corps emi-conducteur qui est constitue par une pastille de silicium qui a un diamètre d'approximativement 20,3 mm et une épaisseur d'envi- ron 0,25 mm. La partie chanfreinée est représentée au dessin comme présentant un angle exagéré dans un but de clarté, mais elle présente de préférence en réalité un angle de 7 à 100 qui permet d'obtenir des meilleurs résultats. Dans un but de clarté également, on a représenté au dessin la pastille semi-conductrice comme étant relativement épaisse par rapport aux électrodes de contact 46 et 48.Pour un fonctionnement à puissance maximale, cependant, l'élec- trode de contact inférieure 48 doit avoir une épaisseur d'approximativement 6,35 mm, lorsque l'élément inférieur 10 est en cuivre. L'électrode supérieure doit avoir un diamètre d'approximativement 17,8 inn et une épaisseur d'approximativement 1 mm. Bien que le dispositif d'extrémité 12 puisse être soudé par résistance sur une bague de soudage métallique préalablement comprimée sur l'élément inférieur 10, il est préférable d'utiliser une soudure à froid par projection pour obtenir une fermeture hermétique économique et sûre. L'opération de soudage- à froid n'engendre pas de gaz à l'intérieur de l'enceinte protectrice fermée de façon étanche comme pourrait le faire un soudage par résistance. De ce fait, il n'est pas nécessaire d'utiliser de moyens tels qu'un getter afin de purifier l'atmosphère après l'opération de soudage. En outre, il n'est pas nécessaire de prévoir une construction particulière afin de protéger le corps semi-conducteur de l'effet d'arc qui se produit habitue-llement au cours d'un soudage par résistance. Pour préparer un dispositif tel que celui représenté au dessin, le dispositif semi-conducteur 40 est initialement soudé sur es électrodes 46 et 48 et lue vernis est alors appliqué sur le bord découvert du dispositif semi-conducteur entre ces électrodes. Les surfaces externes découvertes des électrodes 46 et 48 ne sont pas revêtues de vernis de telle sorte qu'elles peuvent ensuite facilement être soudées sur l'élément de contact 32 et l'élément de base 10 respectivement. Après la dernière opération de soudage mentionnée ci-dessus et la mise en place du dispositif semi-con ducteur 36, on applique la couche de graisse aux silicones par dessus le vernis. Le dispositif d'extrémité 12 est alors soudé à froid. Le soudage à froid est de préférence effectué sous une atmosphère protectrice de telle sorte que lorsque se produit l'opération de fermeture étanche, l'atmosphère protectrice est emprisonnée dans le dispositif fermé. Une atmosphère, de préférence constituée par de azote est préférable comme atmosphère protectrice.Par le terme sec, on entend que cette atmosphère a une teneur en humidité qui est notablement inférieure à 1 % d'humidité relative, quton peut obtenir au moyen d'un recyclage continu de l'atmosphère sur un tamis moléculaire. Il est apparu que le revêtement 54 de vernis sous-jacent disposé directement sur la surface de la pastille semi-conductrice fournit une protection temporaire de la jonction avant le montage de la pastille semi-conductrice dans son enceinte fermée hermétiquement. En conséquence, il est préférable de prévoir un tel revêtement dans le dispositif selon l'invention. Ce revêtement de vernis semble ne pas diminuer l'efficacité du revêtement final 56 de graisse aux silicones et peut même renforcer les avantages procu rés par ce dernier. On ne connaît pas avec certitude les raisons pour lesquelles le revêtement 56 de graisse aux silicones procure pour une jonction de puissance élevée tous les avantages que ne procurent pas les formes habituelles de passivation. Cependant, on a constaté que ce revêtement améliore la dissipation de la chaleur de la surface de la jonction et fournit une protection diélectrique plus sûre sur la surface de la jonction. En outre, ce revêtement semble combler les petites craquelures ou fissures qui peuvent se produire dans le revêtement de vernis et isole plus efficacement la surface de la jonction de tous les contaminants qui peuvent se trouver emprisonnés à l'intérieur de l'enceinte fermée hermétiquement. De plus, en raison de sa viscosité, le passage des contaminants à travers la graisse aux silicones est empêché. On peut utiliser n'importe laquelle des graissee aux silicones connues, suffisamment pures pour être employees dans les dispositifs semi-conducteurs. Cependant, les résines aux silicones qui doivent être polymérisées ne sont pas aussi efficaces et l'on a constaté que les jonctions pourraient se détériorer en cours d'utilisation. On a obtenu les meilleurs résultats avec une graisse aux silicones qui a été appliquée comme revêtement de surface s'étendant complètement en travers du bord découvert de la pastille semi-conductrice 40, à partir de l'électrode supérieure 46 jusqu'à l'électrode inférieur 48, avec une épaisseur d'au moins 0,5 mm environ. Cependant, dans la plupart des cas, il est préférable d'utiliser un revêtement de surface ayant une épaisseur d'environ 1,3 mm. Ce revêtement peut être appliqué par une technique quelconque, par exemple à la brosse. - REVENDICATIONS. 1 - Procédé de- fabrication d'un redresseur à semi-conducteur de puissance élevée comportant une enceinte fermée hermétiquement pour le corps semi-conducteur, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on applique sur la surface du corps semi-conducteur, par dessus la jonction redresseuse de puissance élevée, un revêtement qui isole ladite surface de l'atmosphère ambiante, ce revêtement étant constitué par une màtière visqueuse présentant des caractéristiques de dissipation de chaleur notablement meilleures, et une constantediélectrique supérieure à celle de l'air. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est remplie d'une atmosphère protectrice sèche et en ce que ledit revêtement est constitué par une graisse aux silicones ayant une épaisseur d'au moins 0,5 mm. 3 - Redresseur à semi-conducteur de puissance élevée, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte fermée hermétiquement renfermant une atmosphère protectrice et un corps semi-conducteur monté en relation d'échange thermique sur un élément intérieur relativement épais de ladite enceinte, une jonction PN à l'intérieur dudit corps et se terminant sur une partie de la surface de celuici, caractérise en ce que ladite partie de surface comporte déposée sur elle une couche d'une graisse aux silicones ayant une paisseur d'au moins 0,5 mm. 4 - Redresseur à semi-conducteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite couche de graisse. aux silicones est déposée sur un revêtement de vernis sur la partie de ladite surface où se termine ladite jonction PN. 5 - Redresseur à semi-conducteur de puissance élevée suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ladite atmosphère protectrice est constituée par de l'azote sec, le corps semi-conducteur étant une pastille de silicium, la jonction PN dudit corps é- tant parallèle aux surfaces principales opposées de ladite pastille et se terminant dans la région du bord de celle-ci, cette pastille étant chanfreinée au point où se termine ladite jonction, ladite surface chanfreinée portant ladite couche de vernis.