Brevet FR2002396A1 — publié le 19691017

i 2002396 Les composants semiconducteurs pour fortes intensités de courant comprennent ordinairement un système semi-conducteur comprenant un disque semiconducteur en silicium ou en germanium qui est fréquemment muni, sur une face ou sur ses deux faces, 5 d'une plaque-support fixée au disque semiconducteur par soudage ou par alliage et composée d'un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est approximativement le même que celui du matériau semiconducteur. On connaît des composants semi-conducteurs dans lesquels le système semi-conducteur est en contact, sous pres-10 sion, avec un socle en un matériau bon conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre, sur l'une de ses faces, et avec un collecteur de courant sur son autre face. Dans ces conditions, le collecteur de courant peut être pressé contre le système semi-conducteur par un dispositif de serrage qui est isolé du collecteur de 15 courant par un isolateur intermédiaire. Le système semiconducteur, le dispositif de serrage et l'isolateur sont, dans les composants semiconducteurs connus sus-mentionnés, disposés dans une enveloppe fermée hermétiquement qui est constituée par le socle et par un chapeau assemblé à ce socle et renfermant le système semiconduc-20 teur, le collecteur de courant, l'isolateur et le dispositif de serrage. La fermeture hermétique de l'enveloppe implique des opérations longues de soudage, notamment entre les éléments métalliques et céramiques, ce qui augmente les frais de fabrication. 25 Conformément à l'invention, il s'est révélé possible de parvenir à une étanchéité suffisante pour le système semiconducteur, sans faire appel aux longues opérations de soudage et sans qu'il soit nécessaire d'interposer un isolateur entre le dispositif de serrage et le collecteur de courant. De ce fait, les frais de fa-J>0 brication peuvent être réduits à une fraction de ceux qui étaient nécessaires antérieurement. Etant donné qu'on évite les soudures, on peut aussi se passer de joint entre différents matériaux, ce qui se traduit par une .-.amélioration notable de la résistance à la corrosion. 35 L'invention concerne un composant semiconducteur, par exemple une diode à cristal, un thyristor ou un transistor, pour fortes intensités de courant, composant dans leque? un système semiconducteur est monté sur un socle et un collecteur de courant est maintenu pressé contre la face du système semiconducteur oppo-40 sée au socle par un dispositif de serrage dont le contre-appui est 69 04316 2 2002396 une pièce solidaire du socle, ce composant semiconducteur étant caractérisé par le fait qu'il est monté, entre le dispositif de serrage et son contre-appui, une garniture d'étanchéité en un matériau isolant qui est maintenue pressée entre le dispositif de 5 serrage et son contre-appui et qui isole une chambre interne contenant le système semiconducteur par rapport à une chambre externe située à l'extérieur de la face du dispositif de serrage opposée au collecteur de courant. Par l'expression "fortes intensités de courant", on 10 entend des intensités de courant de l'ordre de grandeur de 10 A et au-delà. Le dispositif de serrage peut être avantageusement constitué par une ou plusieurs rondelles formant ressorts. Le système semiconducteur peut être constitué par un 15 disque semiconducteur, par exemple en silicium ou en germanium, qui est garni sur une face ou sur ses deux faces de couches métalliques minces, appliquées par exemple sur le. disque semiconducteur par alliage, évaporation ou pulvérisation cathodique ou par dépôt électrolytique. Les couches métalliques peuvent être formées à 20 l'occasion du dopage du disque semiconducteur ou en une opération séparée ultérieure. A titre d'exemples de métaux dans ces couches, on peut citer l'or, l'argent, le cuivre, l'aluminium, le nickel, le plomb, le zinc et les alliages qui contiennent au moins l'un de ces métaux. Le système semiconducteur peut encore être consti-25 tué par un disque semiconducteur qui est muni, sur une face ou sur ses deux faces, de plaques-supports en molybdène, en tungstène ou en un autre matériau dont le coefficient de dilatation thermique est approximativement le même que celui du disque semiconducteur. Ces plaques-supports peuvent être fixées au disque semiconducteur 50 par un procédé classique. Il est également possible de se passer entièrement de couches métalliques ou de plaques-supports sur les faces du disque semiconducteur. Dans ce cas, le système semiconduc teur n'est constitué que par le disque semiconducteur. Dans ce dernier cas, il est à conseiller d'utiliser des disques semiconduc 55 teurs à couches extérieures fortement dopées. A titre d'exemple de matériaux appropriés'pour la garniture d'étanchéité, on peut mentionner différentes matières plastiques et élastomères, par exemple des polyimides, notamment un poly imide de dianhydride d'acide pyromellitique et de paraphénylène-40 diamine, le polytétrafluoroéthylène, le polycarbonate, le téréphta 69 04316 3 2002396 late de polyéthylène-glycol, le caoutchouc silicone et le caoutchouc au fluor, notamment un copolymère d'hexafluoropropylène et de fluorure de vinylidène. Il est particulièrement approprié d'employer un matériau offrant une bonne stabilité au fluage, par 5 exemple un polyimide. La garniture d'étanchéité peut être constituée par une feuille mince et elle présente avantageusement la forme d'un tuyau ou d'un manchon. Si la garniture d'étanchéité est disposée de façon à s'étendre au-delà du système semiconducteur, on peut donner au 10 composant semiconducteur des dimensions réduites sans risquer qu'un contact s'établisse entre le système semiconducteur et certaines parties du boîtier, lesquelles seront isolées du système semiconducteur. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, il 15 est disposé, autour du dispositif de serrage et du collecteur de courant, vers la chambre interne, une garniture d'étanchéité additionnelle qui isole de la chambre intérieure les fentes éventuellement présentes dans le dispositif de serrage et entre celui-ci et le collecteur de courant. On supprime ainsi le risque d'infil-20 trations de l'asmosphère ambiante dans la chambre interne par ces fentes. La garniture d'étanchéité additionnelle peut être avantageusement constituée par une boîte ouverte vers le haut en un matériau métallique, de préférence en cuivre, dans laquelle le 25 collecteur de courant et le dispositif de serrage sont disposés, le fond de la boîte se trouvant entre le système semiconducteur et le collecteur de courant. Il s'est avéré que le fond de la boîte, s'il est mince, peut fluer légèrement et, dans ces conditions, remédier aux défauts éventuellement dus à des inégalités des fa-30 ces du collecteur de courant et du système semiconducteur tournées l'une vers l'autre, c'est-à-dire que la boîte contribué à améliorer le contact entre le système semiconducteur et le collecteur de courant. Selon un mode avantageux de réalisation de l'invention; 35 avec un système semiconducteur encapsule effectivement, le composant semiconducteur est imprégné d'une résine. Dans ces conditions, on obtient des résultats particulièrement satisfaisants lorsque l'imprégnation est effectuée sous vide et lorsqu'on utilise des résines d'imprégnation qui ne contiennent aucun solvant et qui 40 durcissent sans dégagement de composants volatils ou gazeux. A 69 04316 2002396 titre d'exemples de résines d'imprégnation appropriées, on peut citer les résines au silicone, notamment dépourvues de solvant, les résines époxy et les résines à esters non saturées. Lors de l'imprégnation, la résine pénètre et obture les fentes existantes, par exemple les fentes entre le dispositif de serrage et le collecteur de courant ou entre le dispositif de serrage et la garniture d'étanchéité. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, il est disposé, en rapport de continuité avec le contre-appui dans 10 la direction opposée au socle, une pièce de prolongement qui forme à l'extérieur du dispositif de serrage une chambre ouverte vers l'extérieur dans laquelle est introduite une matière plastique coulée sur place, par exemple une résine thermodurcissable ou une matière thermoplastique, notamment une résine époxy, une résine 15 polyester, une résine de polycarbonate, une résine au fluor ou une résine silicone. De cette manière, on obtient un composant semiconducteur dont le système semiconducteur est particulièrement bien protégé contre l'action de l'atmosphère extérieure ainsi que contre les efforts mécaniques, par exemple les chocs. Si le 20 collecteur de courant est raccordé à une pièce métallique en position centrale, qui s'étend dans une ouverture formée dans le dispositif de serrage et dans la pièce de prolongement, il est avantageux de prévoir un renfoncement dans la matière plastique précitée, entre la pièce métallique et le prolongement. En effet, on évite 25 ainsi l'établissement de tensions internes dans la matière plastique, susceptibles d'aboutir à la formation de fissures. La matière plastique disposée dans la chambre à l'extérieur du dispositif de serrage peut éventuellement contenir une charge, par exemple du quartz pulvérisé. La matière plastique peut 30 être sous la forme d'une matière à couler qui est versée dans la chambre, ou sous celle d'une matière à mouler par compression qui est enfoncée de force, auquel cas le composant semiconducteur est placé dans un appareil de moulage par compression. Elle peut également être sous la forme d'une matière à mouler par injection, 35 auquel cas le composant semiconducteur est placé dans un moule pour injection. L'invention va être décrite plus amplement en référence aux dessins annexés dont les figures 1 et 2 représentent, en une coupe dans la direction du courant, deux formes d'exécution d'un 40 composant semiconducteur selon l'invention. 69 04316 5 2002396 Les diodes représentées dans les figures sont prévues pour une intensité de courant de 150 A par exemple. Un disque circulaire de silicium 10, du type p-n-n+, est fixé par soudage, par l'une de ses faces qui comporte une couche d'aluminium non ^ représentée, sur une plaque-support 11 en molybdène ou en un autre matériau dont le coefficient de dilatation thermique est approximativement égal, et, sur son autre face, il est muni d'un contact en or-antimoine sous la forme d'une couche 12. Le système semiconducteur circulaire, constitué par les éléments 10, 11 et 12, 2Q est placé sur un socle qui est formé par la surélévation 13 formée dans la cavité 14 de la tête 15 du boulon 16 en cuivre ou en aluminium. Dans le composant de la figure 1, le système semiconducteur repose par la plaque-support 11 sur le socle 13 et, dans le composant de la figure 2, il repose sur le socle 13 par la jcj couche d'alliage 12. Le collecteur de courant 17 prend appui sous pression sur la face supérieure du système semiconducteur. Il n'est pas prévu de joint soudé entre le système semiconducteur et le collecteur de courant, le contact entre ces éléments étant simplement obtenu par pression. La pression est exercée par le 2Q dispositif de serrage 18 qui est constitué par un disque presseur 19 et des rondelles-ressorts 20 qui portent contre la surface d'extrémité supérieure du collecteur de courant. Dans le composant de la figure 2, il peut être opportun de disposer une feuille mince d'argent ou d'or entre la plaque-sup-port 11 et le collecteur de courant 17. En outre, le contact entre le socle et le système semiconducteur peut se faire par simple pression. Dans ces conditions, il peut être opportun de placer, dans le composant de la figure 1, une feuille mince d'or ou d'argent entre la plaque-support 11 et jq le socle 13. Le système semiconducteur peut être aussi fixé par soudage au socle, par exemple par une soudure à l'or et au zinc. Le collecteur de courant est solidaire d'un conducteur de jonction 21 en cuivre ou en aluminium, cylindrique, massif, rigide, disposé en position centrale et traversant le trou 22 for-•55 mé dans le dispositif de serrage. Le boulon 16 est muni d'un prolongement 23 cylindrique, dirigée vers le haut, qui est lui-même prolongé par une partie resserrée 24, laquelle sert de contre-appui pour le dispositif de serrage 18. Au resserrement 24 fait suite un autre prolongement j|0 cylindrique 25 qui délimite, à l'extérieur du dispositif de serra 69 04316 6 2002396 ge, une chambre 26 ouverte vers le haut. Le boulon et ses parties 15, 23, 24 et 25 sont fabriqués en une seule pièce continue dans un même matériau, par exemple du cuivre ou de l'aluminium. Entre le dispositif de serrage 18 et le contre-appui 24 5 est montée une garniture d'étanchéité 27 constituée par une feuille mince de polyimide (par exemple de "XAPTON" de la Sté. Du Pont). La garniture d'étanchéité s'étend au-delà du système semiconducteur : c'est pourquoi les dimensions du boulon peuvent être réduites sans que l'on risque qu'un contact s'établisse entre ce boulon 10 et le système semi-conducteur, sur sa face supérieure, dans la forme d'exécution illustrée par la figure 2. Cette garniture d'étanchéité isole une chambre interne 28 qui contient le système semiconducteur, de la chambre 26 située à l'extérieur du dispositif de serrage. 15 A l'intérieur de la garniture d'étanchéité 27 est placée une garniture additionnelle qui isole la chambre interne 28 par rapport aux fentes éventuellement présentes.dans le dispositif de serrage 18 ou entre celui-ci et le collecteur de courant 17. Dans le cas de la figure 1, cette garniture additionnelle est consti-20 tuée par une boîte 29 en cuivre, ouverte vers le haut. L'épaisseur de la paroi ou du fond de la boîte est nettement inférieure à celle du collecteur de courant. Dans le cas de la figure 2, la garniture additionnelle est constituée par un rebord annulaire 30 en métal, par exemple en cuivre, qui est fixé par soudage sur 25 le pourtour du collecteur de courant. La chambre 26 est remplie d'une matière plastique 31, par exemple une matière à mouler par compression, à base de résine époxy thermodurcissable et contenant une charge minérale (par exemple, CIBA MJ 801 de la Sté. CIBA AG) ou une matière à mouler 30 par injection au silicone, durcissable et contenant une charge minérale (par exemple, DC 305 de la Sté. D0YJ CORNING CORP.). Lors du moulage de la matière plastique, les garnitures d'étanchéité 27 et 29 ou 30 empêchent celle-ci de pénétrer dans la chambre interne. Dans le cas de la figure 2, un renfoncement 32 est formé 35 dans la matière plastique 31, ce renfoncement est concentrique avec le prolongement 25 et le conducteur de jonction 21. Au cas où le composant semiconducteur est un thyristor ou un transistor, il peut être placé un conducteur additionnel nécessaire d'alimentation du système semiconducteur : par exemple, 40 on peut le faire passer par un trou prévu à cette fin à travers la 69 04316 7 2002396 matière thermoplastique Jl, le dispositif de serrage 18, le collecteur de courant 17 et, dans le cas présent, à travers la garniture additionnelle 29. Il est du reste bien entendu que les modes de réalisation de l'invention qui ont été décrits-ci-dessus, en référence aux dessins annexés, ont été donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, et que dLe nombreuses modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. 69 04316 8 2002396 REVENDICATIONS 1° Composant semiconducteur, par exemple diode à cristal, thyristor ou transistor, pour fortes intensités de courant, dans lequel un système semiconducteur est monté sur un socle et un collecteur de courant est maintenu pressé contre la face du 5 système semiconducteur opposée au socle par un dispositif de serrage dont le contre-appui est une pièce solidaire du socle, ce composant semiconducteur étant caractérisé par le fait qu'il est monté, entre le dispositif de serrage et son contre-appui, - une garniture d'étanchéité en un matériau isolant, qui est main-10 tenue pressée entre le dispositif de serrage et son contre-appui et qui sépare une chambre interne contenant le système semiconducteur et une chambre externe située à l'extérieur de la face du dispositif de serrage opposée au collecteur de courant. 2° Composant semiconducteur selon la revendication 1, 15 caractérisé par le fait que la garniture d'étanchéité est constituée par une feuille mince de matière plastique ou d'élastomère. 3° Composant semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'autour du dispositif de serrage et du collecteur de courant, du coté de la chambre interne, il 20 est prévu une garniture d'étanchéité additionnelle qui isole la chambre interne par rapport aux fentes éventuellement présentes à l'intérieur du dispositif de serrage et entre celui-ci et le collecteur de courant. 4° Composant semiconducteur selon la revendication 3> 25 caractérisé par le fait que la garniture additionnelle est constituée par une boîte ouverte vers le haut en un matériau métallique, de préférence en cuivre, dans laquelle le collecteur de courant et le dispositif de serrage sont placés, le fond de la boîte se trouvant entre le système semiconducteur et le collec-30 teur de courant. 5° Composant semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il est imprégné d'une résine. 6° Composant semiconducteur selon l'une quelconque des 35 revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est prévu un prolongement solidaire du contre-appui, lequel prolongement s'étend dans la direction opposée au socle et délimite à l'extc- 69 04316 9 2002396 rieur du dispositif de serrage une chambre ouverte vers le haut dans laquelle une matière plastique est moulée sur place, par exemple une résine thermodurcissable ou une matière thermoplastique, notamment une résine époxy, une résine de polycarbonate, une 5 résine au fluor ou une résine silicone. 7° Composant semiconducteur selon la revendication 6, dans lequel le collecteur de courant est connecté à une pièce métallique en position centrale, pièce qui s'étend à travers une ouverture formée dans le dispositif de serrage et la pièce de 10 prolongement, ce composant étant caractérisé par le fait qu'il est formé dans la matière plastique un renfoncement qui s'étend entre la pièce métallique et le prolongement. 8° Composant semiconducteur selon les reyendications 1 à 7j caractérisé par le fait que la garniture d'étanchéité en 15 un matériau isolant s'étend au-delà du système semiconducteur sur le socle.