Brevet FR2004192A1 — publié le 19691121

La présente invention se rapporte aux contacts électriques à l'usage des dispositifs semiconducteurs. La résistance de contact et l'obtention de surfaces bonnes conductrices thermiques entre les composants des dispositifs semiconducteurs sont réduites au minimum à l'aide de moyens convenables tels que la préparation de surfaces d'accouplement d'un fini très lisse et d'un haut degré d'uniformité plane. Pour réaliser ces conditions requises, on peut appliquer des procédés d'usinage coûteux, aussi bien mécaniques que chimiques afin d'obtenir la résistance minimale désirée de contact électrique. L'objet de l'invention est une couche malléable, conductrice électrique et thermique, composée d'une feuille de plomb présentant deux surfaces principales opposées, et d'une couche de matière conductrice de l'électricité disposée au moins sur chacune des ces surfaces principales opposées. L'invention a pour objet de réduire la résistance de contact et l'impédance thermique que l'on rencontre entre les composants des dispositifs semiconducteurs. Elle a aussi pour objet de réduire le prix de fabrication des dispositifs semiconducteurs tout en diminuant la résistance de contact et l'impédance thermique de ces dispositifs. D'autres objets de l'invention se présenteront d'eux-mêmes à l'esprit, ou apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Les caractéristiques et objets de la présente invention s'expliqueront mieux en référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue agrandie, en coupe transversale, d'une partie d'un dispositif semiconducteur la figure 2 est une coupe transversale d'une couche malléable, électriquement et thermiquement conductrice, de matière préparée selon les principes de l'invention la figure 3 est une coupe transversale agrandie, d'une partie d'un dispositif semiconducteur comportant la couche malléable de matière de la présente invention; et la figure 4 est une vue, partie en coupe transversale d'un dispositif semiconducteur comportant la couche malléable électriquement et thermiquement conductrice réalisée selon les prin cipes de l'invention. En référence à la figure 1, la vue grossie représente une partie d'un dispositif électrique dont les composants sont retenus en bon contact électrique et thermique par soudure par compression. Un élément semiconducteur 10 est fixé à une électrode d'appui 12 par une couche 14 de soudure électrique convenable. L'élément 10, fixé à l'électrode 12, est disposé sur un support 16 d'un dispositif semiconducteur monté sur plot. Pour assurer un bon contact électrique entre l'électrode 12 et le support 16, ainsi que pour assurer entre les composants une répartition de force aussi uniforme que possible, une couche malléable 18, électriquement et thermiquement conductrice est disposés entre ces éléments. Dans les dispositifs électriques antérieurs, cette couche 18 est de préférence constituée d'argent. De manière similaire et aux mêmes fins que la couche 18, une couche malléableF0, électriquement et thermiquement conductrice, est disposés entre l'élément 10 et un contact électrique 22. Les procédés préférés de fabrication de chaque couche 18 et 20, de l'électrode d'appui 16, et du contact 22 assurent des surfaces qui, lorsqu'elles sont mutuellement contigües, sont essentiellement en contact continu sur la totalité des surfaces de démarcation. Pour obtenir des surfaces essentiellement lisses, des opérations distinctes de finissage sont nécessaires. De même, l'élément 10 présente une surface relativement irrégulière, et par suite de nombreux points élevés et bas. les couches 18 et 20 sont rigides, et par suite il existe seulement de nombreux contacts ponctuels entre l'élément 10 et la couche 20, d'où s'ensuivent des transmissions thermiques inefficaces entre les composants, ainsi que des résistances élevées de contacts ponctuels, s'accompagnant d'une réduction appréciable de la durée de service du dispositif électrique pourvu de l'élément 10. Pour remplacer les couches 18 et 20, un contact électrique doit être un bon conducteur électrique. les oxydes de la matière constituant le contact électrique, et qui sont-présents par inhérence, doivent ajouter aussi peu que possible à l'impédance de contact. le contact doit également être assez malléable pour pouvoir se conformer aux irrégularités superficielles provenant des procédés soit d'usinage, soit de traitement chimique. En outre, il doit avoir un point de fusion supérieur à la température de fonctionnement du dispositif semiconducteur, tout en étant d'un prix relativement bas. Une matière convenable est l'indium. Toutefois, le point de fusion de celui-ci est de 155 C, et de nombreux dispositifs électriques utilisant les couches 18, 20, fonctionnent à une température dépassant 1500C, en particulier à l'état de phénomènes transitoires et de surintensité. Ainsi que stipulé précédemment, l'argent est une matière convenable. En outre, l'oxyde d'argent est également un bon conducteur électrique et thermique. Toutefois, l'argent possède une limite élastique assez élevée pour rendre une feuille trop rigide pour pouvoir se conformer à la totalité des irrégularités superficielles en contact avec elle. Le cuivre possède une bonne conductibilité électrique, mais sa limite élastique à l'état recuit dépasse celle de l'argent. L'or, le platine, te palladium et d'autres métaux précieux ont tous à l'état recuit une plus grande limite élastique que l'argent. Le plomb présente une limite élastique inférieure à 115 kg/cm2 et une résistivité électrique de 20,6 microhm-cm à température ambiante. De plus, le plomb devient coalescent à température ambiante, et ne se trempe pas aussi facilement que l'argent. Un compromis entre les propriétés désirées est donc requis. Une bonne matière malléable intercalée entre un métal de bon contact électrique sous forme de feuille constitue un excellent moyen de substitution pour les couches 18 et 20. On se réfèrera maintenant à la figure 2 qui représente une couche malléable, conductrice électrique et thermique, perfec tionnée; 30, de matière pouvant être substituée au moins à la couche malléable 18 de la technique antérieure, et de plus à la couche antérieure 20 si on le désire. La couche 30 se compose d'une combinaison comprenant un premier élément 32 présentant deux surfaces principales opposées, et une couche 34 de matière conductrice de l'électricité disposée au moins sur chacune de ces surfaces principales. L'élément 32 est de préférence enrobé dans la matière consti tituant la couche 34. Toutefois, pour la fabrication de la couche composite, on peut recouvrir une grande feuille de plomb de tous côtés d'une matière conductrice puis découper dans cette feuille pourvue de son revêtement1 des préformés individuels. Par suite, chaque préformé peut donc présenter ou non de la matière électriquement conductrice sur ses surfaces latérales. L'élément 32 est de préférence constitué de plomb et la couche 34 d'argent recuit d'une épaisseur de490025 à 0,00050 mm. La couche 34 peut être déposée sur l'élément 92 de toute manière convenable, par exemple par dépôt électrolytique. La couche 30 a une épaisseur inférieure à 0,125 mm. Une épaisseur approximative de 0,075 mm est désirable car elle offre assez de fermeté pour la manipulation tout en n'étant pas trop forte pour présenter une résistance électrique et thermique trop élevée. Le platine, loir, et autres métaux de traitement peuvent remplacer l'argent pour la constitution de la couche 34. En référence à la figure 3, celle-ci représente une vue grossie de la couche 30 après déformation dans un dispositif électrique encapsulé, soudé par compression. Selon un exemple type de son application, la couche 30 est disposée entre une partie 36 '-formant piédestal, du dispositif électrique, et une électrode d'appui 38 à laquelle est fixé un élément semiconducteur. Sous la force élastique du dispositif de soudure par compression, la couche malléable 30 se déforme aisément et assure un bon contact uniforme électrique et thermique entre les deux composants 36 et 38. La couche malléable 30 supprime la nécessité des opérations coûteuses d'usinage de finissage sur les composants du dispositif électrique qui en est pourvu. les composants peuvent alors être utilisés après nettoyage directement en provenance des décolleteuses, ce qui permet de réaliser une réduction appréciable des prix tout en assurant l'existence d'un bon contact électrique et thermique entre le piédestal 36 et l'électrode d'appui 38. En référence à la figure 4, le dispositif électrique 50 représenté est pourvu de la couche malléable 30 de la présente invention. Ce dispositif 59 comprend le support 16, de métal massif, qui peut être constitué de cuivre, de laiton, d'aluminium, ou autre matière électriquement et thermiquement conductrice convenable. Le support 16 présente à son extrémité infé rieure une partie filetée 52 permettant le montage du dispositif 50 dans un appareil électrique. Sur le piédestal du support 16 est disposé au moins une couche 30 électriquement et thermiquement conductrice. L'électrode d'appui 12, avec l'élément semiconducteur 10 qui lui est fixé par la couche de soudure 14, est disposée sur la couche malléable 30. Un sous-ensemble cathode-porte 54, disposé sur l'élément semiconducteur 10, comprend, en partie, le contact électrique 22 avec la couche malléable 20 disposée entre celui-ci et l'élé- ment 10. La couche 20 peut aussi être constituée d'une feuille de plomb revêtue d'argent, analogue à la couche 30. Un conducteur de porte ou de commande 56 descend à travers une fente formée dans la paroi latérale de la cavité du sous-ensemble 54, passe dans le centre d'un bouchon isolant coulissant 58, et se termine en un contact 60 en forme de bouton.Une cupule 62, vissée sur le piédestal du support 16 s'associant aux dispositifs de force élastique 64, 66, retirent les contacts 22 et 30, la couche malléable 20, l'élément 10 et l'électrode d'appui 12 à laquelle il est fixé, la couche malléable 30, et le support 16 en bonne relation mutuelle de conductibilité électrique et thermique par soudure par compression. Le dispositif 50 est complété par une obturation hermétique des composants ainsi assemblés à l'intérieur d'un ensemble de capot 68. Pour une explication plus détaillée du montage du dispositif 50, on se reportera aux principes du brevet Etats Unis 3 296 506, J.J. Steinmetz Jr., et al, concédé à la Société demanderesse. L'impédance thermique de la couche malléable éléctrîquement et thermiquement conductrice perfectionnée;, par rapport aux couches malléables de la technique antérieure, est représentée au tableau qui suit, les couches malléables ayant été essayées dans des dispositifs électriques tels que celui représenté à la Figure 4 : 4 ABI$AU I - Comparaisons des Impédances Thermiques Toutes les valeurs sont données en 00/Watt. Dispositif A Dispositif B Dispositif C Dispositif D a. 0,173 0,241 0,246 0,317 b. 0,190 0,283 0,300 0,381 c. 0,198 0,271 0,270 0,254 d. 0,248 0,255 0,241 0,273 e. 0,203 0,233 0,291 0,351 f. 0,254 0,321 0,259 0,410 g. 0,276 0,233 0,239 0,277 h. 0,209 0,226 0,236 0,390 i. 0,210 0,245 0,244 0,329 j. 0,280 0,237 0,282 0,245 k. 0,233 0,243 0,2+4 0,218 1. 0,251 0,230 0,264 0,274 m. 0,274 0,229 0,275 0,268 n. 0,200 0,234 0,301 0,380 o. 0,231 0,201 0,223 0,328 p. 0,197 0,253 o 295 0,220 q. 0,268 0,256 0,272 0,285 r. 0,252 0,415 0,252 0,300 s. 0,185 0,302 0,262 0,260 Remarques La totalité des dispositifs étaient des dispositifs électriques soudés par compression, montés sur plot.Le dispositif A utilisait une feuille de plomb plaquée d'argent disposée entre l'électrode d'appui en molybdène, 12, figure 1, et un support de cuivre, 16, figure 1. Le dispositif B utilisait des feuilles de plomb plaques d'argent disposées entre l'électrode d'appui de molybdène, 12, figure 1, et un support de cuivre, 16, figure 1. Le dispositif C utilisait une feuille d'argent pur disposée entre l'électrode d'appui, 12 figure 1, et le support 16, figure 1. le dispositif D utilisait deux feuilles d'argent pur disposées entre l'électrode d'appui, 12 figure 1, et le support, 16 figure 1. D'après les données indiquées au tableau, on voit clairement que les dispositifs utilisant la couche malléable constituée d'une feuille de plomb plaquée d'argent présentaient la valeur moyenne la plus basse d'impédance thermique. La couche malléable perfectionnée de la présente invention réduit le prix de revient des dispositifs semiconducteurs soudés par compression en éliminant les finis superficiels très lisses coûteux ainsi que le haut degré d'uniformité plane de certains des composants, requis antérieurement. Bien que l'on ait décrit l'invention en référence à des formes de réalisation et exemples particuliers, la portée de l'invention permet naturellement certaines modifications et substitutions. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Dispositif semiconducteur comprenant un élément semiconducteur disposé entre au moins deux électrodes de bornes dont l'une au moins est maintenue en bon contact thermique et eliac- trique avec cet élément semiconducteur au moyen d'un dispositif exerçant une pression, dispositif caractérisé par une feuille malléable constituée d'une couche de plomb revêtue d'une couche de métal noble disposée entre l'élément semiconducteur et l'une ou chacune des électrodes de bornes, maintenue en contact avec cet élément semiconducteur par le dispositif d'application de pression. 2.- Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que les deux surfaces principales de cette ou de chaque couche de plomb sont revêtues d'une couche de métal noble. 3.- Dispositif selon revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que cette couche de métal noble est constituée d'argent, d'or, de platine, ou de palladium. 4.- Dispositif selon revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'épaisseur totale de cette ou de chaque couche malléable est inférieure à 0,125 mm, et que l'épaisseur de cette couche de métal noble est de 0,00025 àO,Ç005 mm. 5.- Dispositif selon l'une ou lSautre des précédentes revendications, caractérisé par le fait que l'élément semiconduc teur consiste en une plaquette de semiconducteur pourvue d'une principale électrode d'appui soudée à cette ou à chaque su: surfaceyde la pla- quette.