Brevet FR2025421A1 — publié le 19700911

La présente invention a trait à un élément semiconducteur pour dispositif électrique de puissance et plus particulièrement â un dispositif électrique de puissance dont la structure compense les tensions ou compressions résultant de la fixation 5 de cet élércent à une électrode. Des efforts internes et des déformations sfintroduisent dans un élément semiconducteur quand cet élément est fixé s une pièce-support ou électrode arrière t l'aide d'une couche de soudure à température élevée. Quand l'élément fixé s l'électrode est 10 refroidi s partir de la température de soudure jusqu1? la température ambiante, des dilatations therraiques différentielles se produisent dans la structure du fait des différences des coefficients de dilatation des matériaux constituant l'élément semiconducteur et l'électrode arrière. Ces dilatations ? leur tour af-15 fect^ent les performances physiques et électriques de l'élément» La fatigue thermique engendre des vides entre l'électrode et l'élément, ce qui augmente la résistance de contact et l'impédance thermique entre eux. Une propagation de fêlures peut être provoquée par cette fatigue, et il peut même se produire une séparation 20 de l'électrode arrière et de l'élément. Le but de l'invention consiste s mettre en oeuvre un bloc d'un matériau semiconducteur ayant une forme qui diminue au maximum les efforts thermiques quand ce blcc est fixé è une électrode ou pièce-support par une couche de soudure. 25 Ce but étant présent à l'esprit, l'invention réside dans lin élément semiconducteur comprenant un bloc d'un matériau semiconducteur ayant deux grandes faces opposées et comportant-entre elles une surface latérale taillée en biseau, cette surface comprenant une première partie inclinée de 1b5° è 166° et une 30 deuxième partie inclinée de 3-5° à ^0° sur les grandes faces du bloc contigues respectivement à ces deux parties. L'invention sera mieux comprise en se référant au dessin annexé sur lequel : La Pig. 1 est une vue coupée en section droite d'un 35 assemblage d'un type connu ; La Fig. 2 est une vue coupée en section droite d'un assemblage selon l'invention. Sur la Fig. 1, on a représenté une partie d'un asser1- 69 41965 2 2025421 blage 10, fabriqué suivant une technique connue, pouvant être utilisé dans un dispositif électrique de puissance à semiconducteur. Cet assemblage 10 comprend un bloc 12 d'un matériau semiconducteur fixé à une électrode llj. par une couche 16 d'une soudure convena- 5 ble. Ce bloc a trois zones 1ï, 20 et 22 de types différents de conductibilitéo Les zones 18 et 20 sont du même type de conductibilité et sont séparées l'une de l'autre par la zone 22 qui est du type opposé de conductibilité. Des jonctions P-N 2i|. et 26 10 sont disposées entre les zones 18 et 22 et les zones 22 et 20. Ce bloc 12 est de préférence un disque d'ion matériau semiconducteur fixé à l'électrode lij. également de préférence en forme d e disque. L'électrode 11). peut être en molybdène, tantale, tungstène, fer ou en leurs alliages. 15 Dans la plupart des dispositifs électriques connus, ce bloc 12 est en silicium soudé à une électrode de molybdène de façon s former un assemblage obtenu par une opération de fusion. Sur la Fig. 2, on a représenté un assemblage 50 fabriqué selon l'invention. Cet assemblage 50 comprend un bloc 52 d'un 20 matériau semiconducteur fixé à une électrode arrière ou pièce- support 51+ par iJne couche 56 d'une soudure convenable, par exemple de l'aluminium qui forme un hypereutectique avec le silicium en se solidifiant à 577°C, ou un alliage eutectique avec le germanium fondant s Lf.20°C. 25 Le bloc 52 de matériau semiconducteur peut être en sili cium, germanium, carbure de silicium ou composés des éléments des groupes III et V ou des groupes II et VI de la table périodique des éléments. Ce bloc 52 a une surface latérale 68 comprenant deux parties 70 et 72. La première partie 70 de la surface 68 fait 30 un angle intérieur 6 de 165° à 168° avec une face supérieure 714. du bloc 52 en se dirigeant vers le bas. La deuxième partie 72 de la surface 68 fait un angle intérieur 0 de 35° à 50°C avec la face inférieure Yk- et se dirige vers le haut en rencontrant la première partie 70. 33 La surface latérale doublement biseautée 68 réduit les risques de mauvais fonctionnement du bloc 52 du fait que la couche de silicium immédiatement contigue à la couche de soudure 56 est 69 41965 3 2025421 fortement tendue. L'angle 0 de la deuxième partie 72 supprime la forme en lame de couteau du bloc 52 qui serait obtenu si la partie 70 rencontrait la surface inférieure 7i+. et elle diminue les possibilités de formation d.e micro fêlures immédiatement contigues s 5 la couche 56 du fait des tensions normales élevées pr sentes. "Jne petite fêlure quelconque engendrée sur le bord du silicium ne se propage pas loin dans l'épaisseur de matériau» De préférence, la deuxième partie 72 de la surface 68 doit aller vers le haut au moins jusqu'au plan de tension nulle 10 du bloc 52 indiqué par la courbe de distribution normale, des efforts de ce bloc 52. Bien que cela ne soit pas obligatoire, la première partie 70 ne doit pas aller vers le bas au-delà de la moitié de l'épaisseur du bloc 52. Un dépassement correspondant au-delà de cette moitié de l'épaisseur donne au bloc 52 une trop 15 grande largeur. Le bloc 52 peut avoir deux ou plusieurs zones de types alternés de conductibilité avec une jonction P-N formée entre chaoue paire de zones de conductibilité différentes. Quand le bloc 52 a seulement deux zones de types alternés de conductibilité 20 et une jonction P-N avec une partie de cette jonction P-N sur la surface latérale 66, cette partie découverte se trouve dans la première partie 60 de la surface 68. L'emplacement de la partie découverte de la jonction P-N d&ns la première zone 60 donne les caractéristiques électriques optimales pour un corps à deux zones 25 de semi-conductivité. Comme on le voit à la Fig. 2, lorsque le bloc 52 comprend t rois zones 58, 60, 62 de type de conductibilité alternée et des jonctions P-N 61). et __o6 formées par les surfaces contigues des zones respectives 58, 60 et 60, 62 la partie découverte des 30 jonctions ÔI4. et 66 est découverte dans les parties respectives 70 et 72.de la surface 68» Cette structure rend optimales les caractéristiques électriques du bloc 52. Bien que le double biseautage du bloc 52 réduise les tensions dues à 1'échauffement, il ne les élimine.pas complètement. 35 La structure de l'électrode 51+- s laquelle le bloc 52 est fixée affecte- aussi ces tensions. Cette électrode 5\\ peut être en molybdène, tungstène, 69 41965 k 2025421 tantale et en leurs alliages, ou en alliages à base de fer. Le molybdène est préférable du fait de ses bonnes propriétés électriques et thermiques ainsi que du fait de son coefficient de dilatation qui est presque égal è celui du silicium. L'électrode 5 5k- s. une configuration circulaire et elle a un diamètre égal à 19 à 21 fois l'épaisseur de l'électrode 5k-' Ce rap'port du diamètre à l'épaisseur en ce qui concerne l'électrode 5k- déplacé les tensions maximales induites thermiquement dans le bloc 52. et la couche 56 vers l'électrode 5k-* De préférence, le diamètre de l'élec-10 trode 5k- est égal s 20 fois l'épaisseur de l'électrode 5k-* Bien que l'électrode 5k- soit représentée comme ayant une partie de sa surface extérieure biseautée, cela n'est pas nécessaire. En pratique, il est préférable que le bloc 52 soit fixé à l'électrode 5k- avant de former la surface à double biseautage 68 15 du bloc 52. Ceci permet de manier le bloc 52 plus aisément et donne un bon support à ce bloc pendant le traitement. Durant la formation des surfaces 68, une partie supérieure de l'électrode 5k- peut être biseautée avec le même angle d'inclinaison que la partie 72 de la surface 68. 20 En étudiant les distributions des efforts dans l'assem blage 10 de type connu à partir de la face inférieure 28 de l'électrode en molybdène 1i|., on trouve que l'effort normal est une comoression jusqu'à, environ'la moitié de l'épaisseur de cette électrode puis ensuite une tension. Toute la couche de soudure 16 2.5 est en tension ainsi que la partie du bloc de silicium 12 immédiatement contigue à la couche 16. Ces efforts induits thermique" ment, particulièrement élevés dans la couche 16, affectent défavorablement les performaœ es du dispositif électrique utilisant l'assemblage 10 du fait, par exemple, de fêlures ou de vides dans 30 la couche 16, ce qui augmente la résistance du contact et l'impédance thermique entre le bloc de silicium 12 et le contact de molybdène 1i+« Une étude de la distribution de l'effort normal et de cisaillement montre que la tension maximale est maintenant située 35 dans l'électrode arrière, ou électrode 5k-» En.outre, cet emplacement s'est déplacé au voisinage de la jonction P-N 66 vers l'intérieur de la pièce 5k- en dessous de la face supérieure de cette v badoriginal 69 41965 5 2025421 pièce. Du fait de ce déplacement, la tension dans les couches inférieures du bloc 52 et particulièrement dans la z cne 62, où la concentration d'efforts est la plus élevée dans- les dispositifs connus, est sensiblement recuite et quelquefois supprimée. L'ef-5 fort normal prédominant dans le bloc 52 est maintenant une compression. En outre, la tension dans la couche de soudure 56 est sensiblement réduite ou éliminée. Le résultat de cette réduction importante des concentrations drefforts dans les couches inférieures du bloc 52 et dans la couche de soudure 56 est d'éliminer prati-10 quement la propagation de petites fêlures apparaissant dans la partie inférieure de la deuxième partie 72 de la surface 68. De plus, la probabilité que la couche 56 se sépare du bloc 52 ou de la pièce 5l|» ou des deux par suite de fêlures ou de fissures, ainsi que celle de l'établissement de vides à 1'intérieur de la couche 15 56, devient très fsible. De ce fait, les propriétés électriques et physiques du bloc 52 sont très améliorées. L'angle préféré de 35° à 50° cité ci-dessus réduit également les risques de formation de micro fêlures dans la partie 72 de la surface 68. . 69 41965 6 2025421 liry/.vCIGATICf'S 1. Elément semiconducteur comprenant un bloc d'un matériau semiconducteur ayant deux grandes facés opposées et une surface latérale biseautée entre elles, cette surface comprenant une 5 première artie formant un angle intérieur compris entre 165° et 166° et une deuxième partie formant un angle intérieur compris entre 35° et 5^° avec respectivement les grandes faces du bloc contigues à ces parties. 2. Elément selon revendication 1 dans lequel le bloc 10 comprend deux zones de types opposés de conductibilité délimitant entre elles une jonction P-N, une partie de cette jonction étant découverte sur la première partie de ladite surface latérale. 3. Elément selon revendication 1 dans lequel le bloc comprend au moins trois zones de conductibilités alternés qui 15 délimitent entre les zones c ontigues des jonctions P-N, une par»» tie de la première jonction P-N étant découverte sur la première partie de la surface latérale et une partie de la deuxième jonction P-N étant découverte sur la deuxième partie de cette surface latérale. 20 I4.. Elément selon revendication 1 à 3 dans lequel la deuxième partie de cette surface latérale s'étend sur une partie du bloc correspondant à au moins la moitié de son épaisseur. 5. Elément selon l'une des revendications 1 à dans lequel le bloc est en silicium. 25 6. Assemblage semiconducteur comportant une opération de fusion et comprenant un élément semiconducteur selon l'une des revendications 1 - à 5 fixé à une électrode par une couche de soudure disposée entre cet élément et cette électrode le long de la grande face dudit élément contigue à la deuxième partie de sa 30 surface latérale. 7. Assemblage selon revendication 6 dans lequel l'électrode et l'élément sont en forme de disques. t. Assemblage selon revendication 7 dans lequel l'électrode a un diamètre compris entre 19 et 21 fois son épaisseur. 35 9. Assemblage selon revendication 7 dans lequel l'élec trode a un diamètre égal s 20 fois son épaisseur. BAP ORtGINAL 69 41965 7 2025421 10. Assemblage selon l'une des revendications 6s? dans lequel l'électrode est en molybdrne. 11. Assemblage selon l'une des revendications 6 à 10 dans lequel la soudure est un alliage eutectique d'aluminium et 5 de germanium. BAD ORIGINAL