Brevet FR2005892A1 — publié le 19691219

i 2005892 La présente invention se rapporte à des perfectionnements apportés aux dispositifs de redressement à semiconducteurs dans lesquels un contact étendu est établi entre deux électrodes principales et un corps semiconducteur interposé entre celles-ci uni-5 quement par pression, plutôt que par soudage ou par des moyens analogues. Des redresseurs de puissance faits de matières semicon-ductrices (par exemple, de silicium) sont universellement connus dans la technique. Pour conduire sans danger un courant di-10 rect égal ou supérieur à 250 ampères, un corps semiconducteur ayant une aire relativement grande est nécessaire. En général, ce corps se présente sous la forme d'une mince plaquette circulaire interposée entre deux électrodes métalliques planes qui sont reliées aux extrémités opposées d'un isolateur creux, de 15 façon à former un boîtier ou une enceinte hermétique autour de la plaquette. Lorsqu'on utilise une plaquette de silicium à deux couches (p-n), le dispositif est un simple redresseur ou une diode, tandis qu'avec une plaquette à quatre couches (p-n-p-n), le dispositif est un redresseur commandé plus connu 20 sous le nom de "thyristor". Pour obtenir les meilleurs résultats dans les deux cas, il est important que les jonctions entre les faces opposées de la plaquette et les électrodes adjacentes aient une résistance électrique et thermique la plus basse possible. Dans la pratique, toutefois, un contact fiable à faible 25 résistance sur une aire étendue est difficile à réaliser entre ces composants du dispositif. En effet, la plaquette semiconduc-trice n'a pas exactement le même coefficient de dilatation thermique que les électrodes métalliques adjacentes et quand la température s'élève et s'abaisse, le joint entre la plaquette et 30 les électrodes a tendance à se rompre. Le problème de la désadaptation des coefficients de dilatation est connu depuis longtemps dans la technique de montage des semiconducteurs. On sait qu'il est avantageux de monter la plaquette de silicium sur une base métallique ayant un coefficient 35 de dilatation approximativement égal à celui du silicium dans la gamme des températures auxquelles le dispositif est exposé pendant la fabrication et le fonctionnement. Un autre procédé qui se répand de plus en plus pour la fabrication de dispositifs de grande puissance, où un contact intime doit être maintenu sur 2 40 une grande aire (par exemple supérieure à 3,25 cm ) dans une 69 10962 2 2005892 gamme de températures étendue (par exemple sur 150°C), sans que la plaquette soit endommagée, consiste à utiliser des contacts glissants à pression» Avec un contact glissant à pression, aucune soudure ni 5 autre agent ou moyen de liaison n'est utilisé pour fixer le corps semiconducteur entre les électrodes principales du dispositif. En effet, ces composants sont tenus appliqués les uns contre les autres, face à face, simplement par pression, de sorte qu'ils sont théoriquement libres de se dilater différemment lors-10 que la température de fonctionnement augmente. Toutefois, l'expérience enseigne que les forces de friction qui accompagnent le glissement de surfaces appliquées par pression sont assez grandes pour imposer à la plaquette de silicium des contraintes excessives dans les dispositifs de puissance 15 soumis à de sévères cyclages thermiques. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, u-ne plaquette de silicium enfermée dans un boîtier hermétique est liée d'un côté à un substrat de tungstène, de manière classique. L'autre côté de la plaquette est pressé, par l'intermédiaire d'u-20 ne couche d'or ou autre9 au contact d'un élément de connexion ou d'une électrode adjacente du boîtier. Cette électrode est faite d'un métal relativement mince et ductile, tel que le cuivre, mais pendant un cycle thermique, le glissement de l'électrode de cuivre par rapport à la plaquette de silicium est freiné en pré-25 voyant à l'extérieur du boîtier un amortisseur de contraintes en tungstène ou en une matière analogue, contigu à la surface externe de l'électrode. Cet amortisseur de contraintes est disposé? de façon séparable, en compression, entre l'électrode correspondante et un élément de poussée d'un dispositif de pression coo-30 pérant. Par l'adjonction de cet amortisseur de contraintes, l'invention permet d'augmenter sensiblement le nombre des cycles thermiques que le dispositif peut supporter, sans diminuer de façon appréciable son courant nominal de pointe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res-35 sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel % la fig® 1 est une vue latérale agrandie, partiellement en coupe, d'un redresseur de puissance conforme à l'invention ; 40 la fig. 2 est une vue de détail agrandie du corps serai- 69 10962 2005892 conducteur qui est enfermé dans le dispositif de la fig. 1 ; et la fig. 3 est une vue en plan, à échelle réduite, de l'amortisseur de contraintes utilisé dans le dispositif de la fig.l. On va décrire maintenant le dispositif de redressement 5 semiconducteur de puissance 11 représenté sur la fig. 1, étant bien entendu que, sauf indication contraire dans ce qui suit, une vue en plan de ce dispositif révélerait que ces divers composants sont circulaires. On voit que le dispositif 11 comprend un corps 12, en for-10 me de disque, interposé entre les deux bases planes 13 et 14 de deux éléments de connexion en forme de godet dont les bordures 15 et 16 sont liées respectivement aux extrémités opposées 17 et 18 d'un isolateur creux 19, formant ainsi une enveloppe hermétique autour du corps 12. Comme représenté, ce dispositif est pres-15 sé entre les extrémités opposées de deux éléments de pression conducteurs ou piliers 20 et 21 servant à la fois de conducteurs électrique et thermique. Le corps intérieur 12 du dispositif 11 est fait d'une matière semiconductrice. Plus précisément, comme l'indique la fig. 20 2, il est, de préférence, constitué par une mince tranche circulaire (par exemple de 0,3 mm) de silicium à conduction asymétrique 22 placée sur un substrat circulaire plus épais (par exemple de 1,5 mm) 23 de tungstène ou de molybdène comportant un revêtement 24 d'or et de nickel (par exemple 94% d'or et 6% de nie— 25 kel) ou analogue sur l'extrémité éloignée du substrat 23 et un contact métallique 25 sur la face supérieure du silicium 22. De préférence, le contact 23 est essentiellement en or mais, en variante, des métaux tels que l'argent, l'aluminium, l'indium, le rhodium ou le nickel sont également utilisables, de même que les 30 alliages de ces métaux. En principe, le contact métallique 25 pourrait même être supprimé. Le corps 12 peut être fabriqué par l'une des nombreuses techniques connues. Son diamètre est généralement d'environ 32 mm. Intérieurement, la plaquette de silicium 22 comporte au 35 moins une jonction redresseuse étendue généralement parallèle à ses faces. Le dispositif représenté comme exemple est, en réalité, un thyristor (c'est-à-dire un redresseur commandé) et comporte, par conséquent, quatre couches alternativement p et n dont l'une est pourvue d'un contact de gâchette périphérique 26 au-40 quel est connecté ohmiquement un conducteur flexible 27. On sup 69 10962 4 2005892 pose qu'une couche p de la plaquette 22 est connectée ohmique-ment au substrat 23, ce qui fait que le sens conventionnel de la conduction directe du courant électrique à travers le corps 12 va du contact principal 24 au contact principal 25. Ces contacts 5 sont rectifiés et rodés pour produire des faces opposées qui sont, de préférence parallèles entre elles et perpendiculaires à l'axe du corps 12. Un revêtement isolant de protection 28,(par exemple en caoutchouc de silicone) est ensuite déposé sur la région annulaire du corps 12, radialement au-delà de sa face supérieure 10 25 et sur la partie de cette face qui est adjacente au contact de gâchette périphérique 26. Comme le montre la fig. 1, les faces opposées du corps 12 sont respectivement attenantes aux surfaces planes opposées des fonds parallèles 13 et 14 des éléments de connexion espacés du 15 dispositif 11 et s'appliquent à pression contre ceux-ci. Ces é-léments conduisent le courant de charge entre les piliers 20 et 21 et le corps intérieur 12 et, de ce fait, constituent les é-lectrodes principales du dispositif (qualifiées ci-après d'anode 13 et de cathode 14). Chacun de ces éléments est relativement 20 mince (par exemple environ 0,4 mm) et est ductile, étant fait d'un métal excellent conducteur, tel que l'argent, l'aluminium, le laiton ou le cuivre, avec une préférence pour ce dernier. Pour obtenir les meilleurs résultats, l'anode 13 et la cathode 14 sont toutes deux plaquées ou revêtues de très minces couches 25 de nickel ou bien d'argent ou d'or. L'anode 13 est reliée à l'isolateur 19 à l'aide d'une paroi latérale 29 faisant partie intégrante de la bordure 15 qui, de son côté, est fixée, par exemple par brasage, à l'extrémité inférieure métallisée 17 de l'isolateur. Ainsi, les composants 30 13, 15 et 29 constituent un élément de connexion en forme de godet dont la paroi latérale 29 fait partie d'un diaphragme angulaire relativement élastique, s'étendant à l'intérieur de l'isolateur 19, comme représenté. Un élément de connexion identique est formé par la cathode 14, la bordure 16 et une paroi la-35 térale de liaison 30, sauf que cette dernière n'est pas circulaire car sa partie 30a est renfoncée pour produire une cavité destinée à relier le conducteur 27 à une gâchette annulaire, comme décrit ci-dessous. Il convient également de remarquer qu'à la différence de l'anode circulaire 13, la cathode 14 a une 40 forme en D qui est principalement due à la suppression d'un sec 69 10962 5 2005892 teur périphérique de son côté gauche 31, de sorte que la surface interne de la cathode attenant à la face supérieure du corps 12 est dégagée de façon correspondante au voisinage du contact de gâchette périphérique 26. 5 Pour rendre le conducteur de gâchette 17 accessible de l'extérieur, le dispositif 11 comporte également une électrode de commande 33 traversant l'isolateur 19. Comme le montre clairement la fig. 1, l'isolateur 19 se compose en réalité de deux bagues alignées axialement 34 et 35 ayant le même diamètre in-10 térieur. Ces bagues sont, de préférence, en céramique. La bague 35, dont l'extrémité supérieure métallisée 18 est brasée à la bordure 16 de l'élément de connexion cathodique du dispositif 11, n'a qu'une longueur axiale relativement courte, tandis que la bague 34 est constituée par un cylindre ou un manchon rela-15 tivement long qui entoure non seulement l'anode 13 et le corps semiconducteur 12, mais aussi la cathode 14 et la partie inférieure de la paroi latérale 30 associée à celle-ci. Les deux bagues de céramique 34 et 35 sont assemblées au moyen d'une bague métallique 36 et de l'électrode de commande 33 qui est aussi an-20 nulaire. La bague 33 est liée à l'extrémité supérieure métallisée du manchon de céramique 34 et fait saillie circonférentiel-lement au-delà de celui-ci, tandis que la bague métallique 36 est liée à l'extrémité inférieure métallisée de la bague de céramique 35 et en fait aussi saillie circonférentiellement. Les 25 bagues métalliques contiguës 33 et -36 sont soudées ensemble le long de leurs pourtours extérieurs pour compléter un boîtier hermétique pour le corps semiconducteur 12. De préférence, cette opération est exécutée dans une atmosphère inerte, afin d'exclure définitivement l'oxygène et les autres gaz indésirables 30 de ce boîtier. A l'intérieur du boîtier, le conducteur 27 est connecté à une cosse 38 de l'électrode de commande 33, comme représenté. Le corps semiconducteur 12 est tenu mécaniquement et é-lectriquement en série entre les électrodes principales 13 et 35 14 du dispositif 11 par pression. Aucune soudure, ni autre moyen n'est utilisé pour lier ces éléments. Les contacts électriques entre les faces métalliques du corps 12 et les surfaces internes adjacentes des électrodes correspondantes sont réalisés simplement par la pression s'exerçant entre elles le long de leur sur-40 face de contact circulaire. Cette pression est produite, en 69 10962 2005892 premier lieu, par la nature élastique des éléments de connexion de l'anode et de la cathode qui sont disposés de part et d'autre du dispositif 11. De plus, l'anode 13 et la cathode 14 du dispositif représenté sont fermement pressées l'une vers l'autre 5 au moyen des piliers 20 et 21, ce qui permet d'obtenir un contact encore plus intime à faible résistance. N'importe quel montage de pression peut être utilisé pour comprimer axialement les piliers 20 et 21. Les piliers de pression 20 et 21 ont une forme générale 10 cylindrique et sont faits d'un métal excellent conducteur, tel que l'aluminium, le laiton ou le cuivre, avec une préférence pour ce dernier. Ils émanent d'éléments plus larges ou de caloridissi-pateurs de la même matière et sont convenablement dégagés pour s'ajuster librement à l'intérieur des éléments de connexion en 15 godet du dispositif 11, où leurs extrémités opposées se terminent respectivement par des surfaces planes parallèles 43 et 44. La surface 43 du pilier 20 bute contre la surface de contact externe de l'anode 13 du dispositif 11, comme représenté. La surface 44 du pilier 21 est proche de la surface de contact externe de la 20 cathode et l'amortisseur 45 est disposé entre elles. Pour obtenir les meilleurs résultats, les extrémités des piliers sont couvertes de très minces couches d'argent ou bien de nickel ou d'or. Pour contribuer à la stabilité mécanique du dispositif 11 et empêcher les poussières et d'autres substances contaminantes d'en™ 25 trer dans l'espace entourant les piliers 20 et 21, une rondelle 46 de matière flexible est placée-dans l'intervalle entre chacune des extrémités de l'isolateur 19 et l'élément de dissipation thermique voisin. Quand le dispositif 11 est monté entre les piliers 20 et 30 21, comme représenté sur la fig. 1, l'anode 13 et la cathode 14 sont étroitement pressées contre le corps semiconducteur 12 placé entre eux. Une forte oression (par exemple d'environ 200 kg/ 2 ~ cm ) s'exerce uniformément sur les surfaces de contact contiguës de ces éléments, assurant ainsi une bonne conductibilité élec-35 trique et thermique à leurs jonctions. Toutefois, aucune contrainte radiale ne s'exerce sur le corps 12, si ce n'est par friction. En fonctionnement, le dispositif 11 est exposé à des variations de températuresqui provoquent des modifications dimen-40 sionnelles de celui-ci. Du fait que la cathode 14 n'est pas faite 69 10962 7 2005892 de la même matière que le corps semiconducteur attenant 12, ces deux composants ont des coefficients de dilatation thermique différents et, par conséquent, leurs surfaces de contact ont tendance à frotter l'une sur l'autre. Cette friction pu ce glis-5 sement impose des contraintes mécaniques à la plaquette de silicium 22 et peut, avec le temps, provoquer des fissures de fatigue ou d'autres dommages graves. Il en résulte que le nombre des cycles thermiques et les excursions maximales de la température à chaque cycle que les dispositifs de puissance antérieurs peu-10 vent supporter sans défaillance, sont limités de façon indésirable. Pour améliorer ces propriétés, la présente invention prévoit un amortisseur de contraintes 45 en compression entre la surface externe de la cathode 14 et la surface opposée 44 du pilier 21. 15 L'amortisseur de contraintes 45 se présente sous la forme d'un disque de métal dur dont le coefficient de dilatation est approximativement le même que celui du corps semiconducteur 12 dans la plage de températures auquel le dispositif 11 est exposé en fonctionnement. La matière de base de cet amortisseur peut 20 être une substance telle que le tungstène, le molybdène, le chrome et les alliages de ceux-ci principalement avec le fer et le nickel, et qui sont connus dans le commerce sous le nom de "Fer-ni" ou "Fernico" ou "Kovar". Dans la forme actuellement préférée de l'invention, on utilise le tungstène en raison de ses meil-25 leures propriétés de conduction thermique et électrique. Comme la cathode 14, l'amortisseur 45 est, de préférence, pourvu d'un placage ou d'un revêtement de nickel, d'argent ou d'or. L'amortisseur de contraintes 45, qui est beaucoup plus épais que la cathode 14 (par exemple cinq fois) est séparable 30 du dispositif 11 et n'est pas lié métallurgiquement à la cathode attenante. Sa face inférieure épouse pratiquement la surface de contact externe de la cathode 14. En conséquence, dans le cas du thyristor représenté, l'amortisseur 45 a la forme en D que montre la fig. 3 ; dans le cas d'une diode ayant une cathode 35 circulaire, 1*amortisseur correspondant comporterait évidemment le segment 45a esquissé en tirets. Une très mince pellicule d'un lubrifiant inerte, tel qu'une huile de silicone est, de préférence, disposée entre l'amortisseur et la cathode pour favoriser un glissement plus doux, pour inhiber l'oxydation des sur-40 faces de contact et pour réduire leur adhérence. Pour les mêmes 69 10962 2005892 raisons, une huile de silicone est utilisée entre l'amortisseur 45 et la surface 44 du pilier 21, à moins que, comme ce peut parfois être le cas, l'amortisseur soit brasé ou fixé d'une autre manière à l'èxtrémité du pilier. 5 La cathode 14 du dispositif 11 est étroitement serrés en tre le corps semiconducteur intérieur 12 et l'amortisseur de contraintes externe 45 et du fait qu'il est mince et ductile, il tend à s'adapter aux propriétés de dilatation thermique de ces composants attenants. Plus précisément, la surface intérieure de 10 la cathode et la face 25 d'or du corps 12 sont susceptibles de se fondre. Il en résulte que les excursions de la surface de la cathode, par rapport au corps semiconducteur, sont effectivement freinées, préservant ainsi l'intégrité de la surface de la plaquette de silicium 22. La face de l'amortisseur de contraintes 15 qui est contiguë à la cathode à des bords arrondis pour éviter d'écraser la plaquette de silicium sous son pourtour. L'adjonction de l'amortisseur de contraintes 45 à l'extérieur du boîtier du dispositif semiconducteur 11 améliore sensiblement la capacité de cyclage thermique du dispositif sans dé-20 grader pour autant de façon appréciable ses propriétés thermiques et électriques. Plus précisément, des essais ont montré que la durée de vie est multipliée presque par 100 (en mesurant le nombre de cycles thermiques dans une gamme de températures donnée) avec seulement une augmentation de 1,5% de la résistance 25 thermique transitoire. Comparativement au placement d'un amortisseur de contraintes à l'intérieur du boîtier hermétique, entre le corps semiconducteur et la cathode, la présente invention est supérieure pour plusieurs raisons. En effet, du point de vue thermique, il est avantageux que la cathode, et non pas l'amor-30 tisseur soit voisine du corps semiconducteur, car la cathode est en cuivre, métal dont la chaleur spécifique est environ trois fois plus élevée et dont la densité est inférieure à la moitié de celle du tungstène. De plus, l'aire de contact est plus grande et la cathode est plus susceptible de fusionner avec la face 35 d'or 25 du corps semiconducteur, abaissant ainsi la résistance thermique de cette jonction qui est proche de la source de chaleur. En outre, il n'y a aucun risque que l'amortisseur soit physiquement déplacé de sa position correcte entre l'étape de scellement du dispositif 11 et l'étape suivante de montage de 40 celui-ci sous pression dans un ensemble complet. L'amortisseur 69 10962 2005892 externe 45 offre aussi le degré désiré de souplesse ; en effet, sans modifier pour autant la structure de base du dispositif 11, l'amortisseur peut, à volonté, être supprimé (et remplacé par une entretoise de cuivre ayant les mêmes dimensions), dans les 5 cas où le cycle thermique de service du dispositif n'est pas assez sévère pour justifier sa présence. A ce propos, il convient aussi de noter que lorsque le cycle thermique le permet, il est avantageux, du point de vue des à-coups, de choisir une cathode de cuivre 12 sensiblement plus épaisse que celle repré-10 sentéefpar exemple deux fois plus épaisse) ou d'amincir sensiblement l'amortisseur de tungstène 45. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisa-15 tion de ses diverses parties, ayant été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. S 69 10962 2005892 REVENDICATIONS 1. Un dispositif de redressement semiconducteur qui comprend un boîtier hermétique de part et d'autre duquel sont disposées deux électrodes principales, ainsi que des moyens incluant un 5 élément de poussée conducteur de l'électricité s'appliquant contre une surface de contact externe de la première électrode, a-fin de presser lesdites électrodes l'une vers l'autre, caractérisé plus spécialement par un amortisseur de contraintes disposé entre ledit élément de poussée et ladite première électrode, le— 10 dit amortisseur étant contigu à la surface de contact externe de la première électrode et étant fait d'une matière dont le coefficient de dilatation est approximativement le même que celui du silicium dans la gamme de températures auxquelles le dispositif est exposé en fonctionnement. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, qui comporte un corps semiconducteur interposé entre lesdites électrodes, à l'intérieur dudit boîtier. 3. Un dispositif selon la revendication 2, dans lequel la matière de base de la première électrode et dudit élément de 20 poussée est choisie parmi les substances comprenant l'argent, le cuivre, le laiton et l'aluminium et où la matière de base dudit amortisseur de contraintes est choisie parmi les matières comprenant le tungstène, le molybdène, le chrome et les alliages de ceux-ci, principalement avec le fer et le nickel. 25 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le corps semiconducteur comporte une face métallique qui s'applique à pression contre la surface interne de la première électrode, cette face métallique étant choisie parmi les matières comprenant l'or, l'argent, l'aluminium, l'indium, le rhodium, le nickel et 30 leurs alliages. 5. Un dispositif selon la revendication 4, dans lequel la première électrode et l'amortisseur de contraintes sont couverts respectivement d'un métal tel que l'or, l'argent et le nickel»