Brevet FR2102176A1 — publié le 19720407

L'invention concerne un composant à semiconducteurs, avec un corps semi-conducteur en forme de disque, : présentant au moins une jonction pn, qui est "bridé entre deux pièces de contact à pression, avec insertion d'électrodes duc-5 tiles. Pour réaliser le contact sur une surface étendue des parties actives de composants à semi-conducteurs de puissance, on utilise habituellement des disques de molybdène ou de tungstène. Ces disques servent en même temps de plaques 10 supports pour les corps en semi-conducteur qui sont très cassants. le molybdène, ou le tungstène, constitue le meilleur compromis entre la conductibilité thermique, la conductibilité é-lectrique et le coefficient de dilatation thermique. Ce dernier concorde à peu de chose près avec celui du matériau semi-con-15 ducteur. Sinon il ne serait pas possible de réaliser une liaison intime entre les plaques supports et le corps en semi-conducteur, et ceci paraissait jusqu'à présent indispensable pour obtenir une bonne évacuation de la chaleur et une bonne conduction du courant électrique. 20 Or l'utilisation de plaques en molybdène ou en tungstène, soudées par alliage superficiel, présente des inconvénients. On éprouve des difficultés pour réaliser la liaison intime entre ces plaques et le corps en semi-conducteur. Il a été publié un certain nombre de possibilités pour résoudre 25 ces difficultés. Il est connu de revêtir, aussi bien le corps en semi-conducteur que les plaques supports, avec une ou plusieurs couches métalliques, et de réunir ensuite les différents disques par brasage mou ou dur. Il est connu, en outre, de déposer des couches de molybdène ou de tungstène sur le corps à semi-50 conducteur, par des méthodes chimiques. On a aussi déjà utilisé des couches intermédiaires, par exemple en aluminium, qui forment des alliages aussi bien avec le matériau semi-conducteur qu'avec le matériau des plaques supports. Dans tous les cas cependant, la liaison intime entre le corps en semi-conducteur 35 et les autres matériaux est une opération difficile, qu'il faudrait éviter. Les plaques .supports ou plaques de contact sont normalement-disposées sur des dispositifs refroidisseurs, qui servent en même temps à l'évacuation du courant. Dans la 71 29055 2 2102176 plupart des cas, ceux-ci sont en. cuivre ou en un alliage de cuivre» Du fait de la valeur différente des coefficients de dilatation thermique du matériau des plaques supports et de celui des dispositifs refroidisseurs, on. est passé très rapidement à la réalisation du.contact par pression, le contact par pression n'exige pas de liaison intime entre la plaque support et le corps refroidisseur. Il n'a pas manqué non plus de tentatives pour éviter aussi la liaison intime entre le corps en semiconducteur et la plaque support. C'est ainsi, par exemple, que le brevet Etats Unis d'Amérique 3 113 987 décrit un composant à semi-conducteurs avec contacts par pression, dans lequel un. corps en semi-conducteur est bridé entre des pièces de contact par pression, avec insertion d'électrodes ductiles, sans utilisation de plaques supports fixées par brasagé ou alliage superficiel. On s test heurté cependant â un certain nombre de difficultés pour la réalisation pratique de tels é-léments. Il est apparu, en fait, que le mode de bridage du corps en semi-conducteur avait une grande importance. La structure des pièces de contact par pression, indiquée dans le brevet précité, ne pouvait donc pas conduire au succès, car, aussi bien au repos que lorsqu'il était soumis à la pleine charge électrique et thermique, et surtout dans ce dernier cas, le corps en semi-conducteur n'était pas en mesure de résister aux pressions superficielles non homogènes qu'il devait subir. Les charges sont alors différentes sur les deux faces frontales,et les forces qui prennent alors naissance conduisent à la destruction du corps en semi-conducteur. L'invention indique un processus permettant de surmonter les difficultés rencontrées jusqu'à présent, et qui proviennent du mode de réalisation des contacts. L'invention part, pour cela, d'un composant à semi-conducteurs avec un corps en semi-conducteur en forme de disque, présentant au moins une jonction pn, qui est bridé entre deux pièces de contact par pression avec insertion d'électrodes ductiles,, et est caractérisée en ce que les électrodes ont me forme en godet ou en cuvette, les bords relevés des é-lectrodes étant tournés vers les pièces de contact, et en ce 71 29055 5 2102176 que, sur les faces frontales tournées vers le corps en semiconducteur, les pièces de contact par pression présentent des surfaces de pression disposées symétriquement par rapport à une ligne médiane. Les surfaces des fonds intérieurs des élec-5 trodes présentent là un diamètre qui est approximativement égal au diamètre des surfaces d'appui précitées des pièces de contact par pression» C'est seulement avec la conjonction de ces caractéristiques que lron est arrivé à un composant à semi-10 conducteurs avec des contacts directs par pression , qui résiste même à des charges thermiques et électriques extrêmement élevées. La grandeur déterminante, pour le passage de la chaleur et du courant, de la force fie bridage, peut maintenant être choisie librement, sans se soucier des caractéristiques mécani-15 ques du matériau semi-conducteur. Du fait de la structure selon l'invention des électrodes ductiles, la symétrie des pressions est pour ainsi dire assurée d'emblée» Une extension intéressante de l'invention prévoit la fixation des électrodes au corps en semi-conducteur 20 au moyen d'une résine synthétique adhérente et élastique. On simplifie ainsi, d'une manière considérable, l'assemblage de l'élément. D'une manière surprenante, ce procédé apporte un autre effet qui n'était guère d'emblée prévisible. Si, pour une raison quelconque, par exemple dans le cadre d'un contrôle 35 en cours de fabrication, on desserre la liaison par pression, et si oïl remonte le corps en semi-conducteur avec une GsndLetEtBtian. différente par rapport aux électrodes et/ou par rapport aux pièces de contact par pression, on constate dans de nombreux cas que les caractéristiques électriques et thermiques de l'élément 30 ont varié, en général qu'elles se sont détériorées. La cause de ce comportement peut s'expliquer comme suit : à l'application de la force de bridage, les électrodes, qui sont le plus souvent réalisées en argent, subissent une déformation. Elles s'ajustent aux surfaces contre lesquelles elles sont appuyées 35 (elles sont d'ailleurs là pour cela), et elles s'écrouissent, elles perdent donc leur caractéristique de ductilité. Ainsi, lorsqu'on les serre de nouveau dans une position différente, elles ne peuvent plus remplir leur tâche. Ce fait est corrigé maintenant par l'invention, puisque d'emblée celle-ci réunit 71 29055 4 2102176 les électrodes avec le corps en semi-conducteuro En même te la résine synthétique, adhérente et élastique, n'empêche ps>55 les déplacements relatifs éventuels, survenant entre le corps en semi-conducteur et les électrodes,provoqués par la différ*.;.-^ 5 entre les coefficients de dilatation thermique du matériau ;;semiconducteur et du métal des électrodes. On exposera ci-dessous plus en détail lec se. ractéristiques particulières de l'invention, à l'aide d'un sss::-pie de réalisation représenté sur le dessin. 10 La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un élément à semi-conducteurs, avec des contacts selon l'invention. Pour une meilleure clarté, on a adopté la représentation dite explosée. La figure 2 donne une vue de profil de l'éléiaeîit^ la figure 3 une vue en plan» La représentation n'est pas d3.3si= 15 née à l'échelle, selon l'usage on a exagéré les épaisseurs à-as électrodes et du corps en semi-conducteur. Sur la figure 13 1 représente le corps en sesi»» conducteur. Celui-ci peut être @n silicium on en germanium. Il présente une ou plusieurs joactioas pn, et peut constituer pas 20 exemple la partie active d'itn. tlrrristor. Le "bord du corps en semi-conducteur 1 est pourra ds"ia. double biseau, selon la technique connue, pour augmenter la valeur de la tension de claquais Les jonctions pn qui débouchent à la surface, à la périphérie du corps en semi-conducteur, sont protégées par une résine ■ • 25 thétique qui enrobe la zone périphérique, par exemple une .. :v~\ ne époxy. 2 et 3 représentent deux électrodes en forme de pa&at ou de cuvette, dont les bords relevés sont orientés te. coté yvvvo-sé au corps en semi-conducteur 1. Ces électrodes soté réalis-l^i; en feuille d'argent, d'une épaisseur d'au moins 0,05 sua. On-30 cependant utiliser aussi un autre matériau ductile, qui prése^i néanmoins les conductibilités thermique et électrique nécessaires. Sur les électrodes 2 et 3 viennent s'appliquer les disques métalliques 4- et 5 qui servent de pièces de contact par pression, Ceux-ci doivent avoir la dureté nécessaire pour pouvoir servir 35 d'éléments d'appui aux électrodes et au corps en semi-conducteur. Il n'est pas nécessaire, par contre, que leur coefficient d.e dilatation thermique concorde avec celui du matériau semi-conducteur et/ou avec celui des électrodes, car selon l'invention on ne réalise pas de liaison intime entre les métaux. Il faut 4-0 seulement qu'en cas de dilatation dans le sens radial, ces disqv.es 6ad original 71 29055 5 2102176 métalliques 4 et 5 puissent glisser par rapport au métal des électrodes 2, 3» Pour améliorer les caractéristiques de glissement des surfaces en contact, sous les pressions de bridage élevées, les disques métalliques 4, 5 peuvent être chromés dur ou cj nickelés, le cas échéant ils peuvent être polis. Les disques métalliques 4 et 5 peuvent être en molybdène , en tungstène ou en tantale, mais cela n'est pas nécessaire. Il est intéressant d'utiliser pour cela des métaux ou des alliages ayant de bonnes caractéristiques de conductibilité 10 thermique et électrique. Comme exemple de tels métaux, on peut citer le cuivre ou des alliages de cuivre. Les pièces de contact par pression, réalisées dans l'exemple sous la forme des disques métalliques 4 et 5» ont des diamètres égaux pour leurs surfaces frontales qui sont tour-25 nées vers le corps en semi-conducteur 1. Les corps en semi-conducteur sont soumis ainsi à une charge symétrique, pour autant, il va de soi, que les deux pièces de contact par pression s'appliquent symétriquement par rapport à l'axe médian du corps en semi-conducteur. D'une manière générale on peut dire que les corps 20 de contact par pression, d'une forme quelconque, doivent présenter, sur leurs faces tournées vers le corps en semi-conducteur, des surfaces de pression disposées symétriquement par rapport à une ligne médiane. S'il existe un évidement 8 dans 3.'une des pièces 25 de contact par pression, ainsi que dans l'électrode correspondante, pour l'accès à une électrode de commande 9 cLe l'élément, il faudrait qu'au moins l'électrode qui est disposée sur l'autre face du corps en semi-conducteur soit pourvue d'un évidement identique 8*. 30 La figure 2 montre le composant à semi-conducteur une fois assemblé ; sous cette forme, il peut être monté dans un boîtier à contacts par pression, de la forme habituelle, qui n'a pas été représenté . Il peut constituer avantageusement la partie active des éléments dits "cellules disques". On peut aussi réu-35 nir plusieurs composants à semi-conducteurs, ainsi équipés de contacts, sous la forme d'une "cascade". Les électrodes 2 et 3 sont fixées au disque en semi-conducteur au moyen d'un caoutchouc aux silicones 10. Les disques métalliques 4 et 5 sont insérés avec du 3eu dans les électrodes 2 et 3. Leur position radiale est 71 29055 6 2102176 définie par le bord des électrodes,, Aussi faut-il, lorsque l'on fixe les électrodes "sur le corps en semi-conducteur 1, veiller à ce que les électrodes se placent bien symétriquement par rapport à l'axe du corps en semi-conducteur 1. Ceci est cependant faci-5 lement réalisable0 Pour améliorer le passage de la chaleur et du courant électrique entre le corps en semi-conducteur 1 et les électrodes 2 et 3» on peut métalliser les surfaces de contact de l'élément en semi-conducteur. Dans l'exemple de réalisation, ces 10 couches métalliques supplémentaires ont été repérées 6 et 7 (et leur épaisseur a été exagérée pour le dessin). Ces couches métalliques sont constituées par un mince dépôt de nickel, que l'on dore ensuite. Les contacts avec le corps en semi-conducteur 1 15 sont donc, selon l'invention, réalisés de telle manière, qu'àb»-traction faite des métallisation précitées, il n'est plus nécessaire d'avoir des liaisons intimes entre le corps en semiconducteur 1 et des électrodes de raccordement quelles qu'elles soient. Il en résulte les avantages qui ont été cités dans le 20 préambule. On n'a plus besoin de se soucier des valeurs différentes des coefficients de dilatation thermique des surfaces de contact qui sont pressées les unes contre les autres. Les pièces énumérées peuvent glisser les unes par rapport aux autres,au 25 cours de 1'échauffement, comme c'était le cas aussi avec les contacts pression usuels jusqu'à présent,, _ Du fait que l'on peut se dispenser d'utiliser du tungstène, du molybdène ou du tantale, comme métal constituant pour les plaques supports, les pièces de contact par presto sion peuvent être réalisées avec des métaux ayant de bonnes caractéristiques de conductibilité thermique et électrique, ce qui, outre l'accroissement de la charge admissible, autorise aussi une fabrication plus économique. Il n'est plus nécessaire, pour réaliser les 35 contacts, de soumettre les corps à semi-conducteurs déjà fabriqués à un traitement thermique ultérieur, toujours lié à des opérations d'alliage ou de brasage, de sorte que l'on évite des tensions internes dans le systèmeo Copy 1 71 29055 ? 2102176 j " Mentionnons pour conclure encore un avantage ] particulier de la réalisation des contacts selon l'invention. ' Grâce à la suppression des couches alliées en surface, il est possible d'appliquer l'invention à la réalisation des contacts j 5 sur des systèmes entièrement fabriqués par diffusion, qui com- j portent des couches de contact frittées, incorporées,, Dans de nombreux cas, ceci permet d'obtenir des améliorations notables dans le comportement du composant lui-même,, Copy 1 71 29055 8 2102176 REVENDICATIONS 1°) Composant à semi-eonducteurs, avec un corps en semi-conducteur en forme de disque, présentant au moins une jonction pn, qui est bridé entre deux pièces de contact par pression avec insertion d'électrodes ductiles, caractérisé ea 5 ce que, sur leurs faces frontales qui sont tournées vers le corps en semi-conducteur (1), les pièces de contact par pression (4, 5) présentent des surfaces de pression disposées symétriquement par rapport à une ligne médiane ; en ce que les électrodes ductiles (2, 3) sont en forme de cuvette ou de godet, 10 en ce que les diamètres des fonds intérieurs des électrodes {2, 3) sont approximativement égaux au diamètre des pièces de contact par pression (4,5), et que les "bords relevés des électrodes (2,3) sont tournés vers les pièces de contact par pressiez (4,5). 15 2°) Composant à soai-ûaadaotsurs selon la revendication 1 caractérisé en ce que les â® contact par pression (4,5) sont en forme de dieess fu'sles ont le ssëàe âlamètre* 3°) Composant à s®ad-eœEciuetears selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce Isa pièces de contact par pression. 20 (4,5) sont réalisés en culw* fiar ©m en un alliage de cuivre. 4°) Composer'' à aoEl-qonâucteurs selon la revendicative. 3 caractérisé en ce qua les surfaces de contact des pièces de contact par pression (4,5) eont chromées dur ou nickelées. 5°) Composant à semi-conducteurs selon l'une des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que JLes faoes frontales du corps en semi-conducteur (1) sont pourvue- V~dae mince couche métallique (6, 7). 6°) Composant à semi-conducteurs selon la revendicatiss 5 caractérisé en ce que les faces frontales du corps en semi-30 conducteur (1) sont nickelées et/ou dorées. 7°) Composant à semi-conducteurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes en forme de cuvette ou de godet (2,3) sont réalisées en argent, avec une épaisseur de 0,05mm au minimum bad or/gjnal 71 29055 9 2Î02T76 8. Composant à semi-conducteurs selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les pièces de contact par pression (4,5) sont insérées librement dans les électrodes (2,3) des deux côtés du corps en semi-conducteur (1) 5 9® Composant à semi-conducteurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (2,3) sont fixées au corps en semi-conducteur (1) au moyen d'une résine synthétique (10) adhérente et élastique, de préférence du caoutchouc aux silicones. 10 10. Composant à semi-conducteurs selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les deux faces frontales des électrodes (2,3) sont reliées au moyen de contacts par pression, sans soudure, aussi bien à 1 * extérieur avec les pièces de contact par pression (4,5) qu'à l'intérieur 15 avec le corps en semi-conducteur (1). 11. Composant à semi-conducteurs selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, lorsqu'il existe un évidement (8) pour l'accès à l'électrode de commande (9) du composant à semi-conducteurs dans l'une des pièces de 20 contact par pression (4 ou 5)» ainsi que dans l'électrode correspondante (2 ou 3)i un évidement identique (8 *) est prévu du côté opposé du corps en semi-conducteur (1) au moins dans 1'é-lectrod.e (3 ou 2).