Brevet FR2061591A1 — publié le 19710625

L'invention a pour but de fournir des isolateurs électriques ayant une conductibilité thermique élevée. I1 est évident que de tels isolateurs peuvent être précieux dans les utilisations les plus diverses, mais il s'offre à eux, dans la technique des semiconducteurs, plusieurs domaines d'application particulièrement avantageux à une grande variété de composants, notamment les jonctions chaudes et froides de générateurs thermoélectriques, les-redresseurs, les dispositifs commutateurs, etc. Par exemple, le problème de la dissipation de la chaleur dans les composants semiconducteurs parcourus par le courant et travaillant à la température ambiante ou à une température supérieure peut constituer un facteur limitant leur fonctionnement.Ce problème est particulièrement critique dans des ccmposants semiconducteurs qui travaillent à des niveaux de puissance élevés. L'une des solutions qui a été proposée consiste à munir le composant semiconducteur, par exemple une plaquette de silicium, d'un dissipateur thermique qui peut être un échangeur de chaleur refroidi par un liquide ou un gaz, couplé thermiquement à l'arrière du composantsemiconduc- teur. Etant donné que le plus commode, pour fabriquer ces dissipateurs thermiques ou échangeurs de chaleur, est d'utiliser des matériaux métalliques, il est fréquemment nécessaire de prévoir des moyens quelconques pour isoler électriquement le semiconducteur du dissipateur thermique en métal sans réduire sensiblement l'efficacité de l'extraction de chaleur à partir du semiconducteur.Des organes d'arrêt d'isolation électrique, ayant des conductibilités thermiques relativement élevées et destinés à être interposés entre le corps semiconducteur et le dissipateur thermique, ont été fabriqués à partir de céramiques d'oxyde de béryllium et à partir de diamant Le prix élevé dru diamant interdit son utilisation courante à l'échelle commerciale et l'emploi industriel de l'oxyde de béryllium est limité à cause de sa toxicité sous forme de particules, ce qui élève notablement son coût. I1 serait souhaitable de disposer d'un organe isolant électrique pour une telle application, cet organe ayant une conductibilité thermique supérieure à celle des matériaux isolants peu coûteux couramment disponibles (par exemple A1203) et même supérieure à celle des aciers inoxydables commerciaux, et étant composé d'une matière qui soit compatible physiquement et chimiquement avec les matières semiconductrices et les matériaux utilisés pour le dissipateur thermique ou échangeur de chaleur dans les conditions de service. Tel est le but principal de l'invention. En bref et selon l'un des modes de réalisation de l'in- vention, on propose un article manufacturé comprenant un corps électriquement isolant essentiellement constitué de nitrure d'aluminium, cet article ayant une conductibilité thermique à la température ambiante supérieure à 0,35 W/cm. K environ et une résistance électrique propre dépassant 1010 ohmcm environ, et étant avantageusement utilisable dans la technique des semiconducteurs, comme indiqué précédemment Les propriétés rapportées dans le tableau suivant permet- tront de comparer la conductibilité thermique à la température ambiante des produits manufacturés de l'invention avec d'autres matériaux choisis à titre d'exemple. Conductibilité thermique (W/cm. K) Matériau Monocristal Polycristallin Diamant 27,0 Cu 4,0 BeO 3,1 2,6 à 3,1 Cd 0,8 Pt 0,7 Sn 0,65 Pb 0,35 A1203 (corindon) 0,35 0,3 environ Y2O3 0,27 Type 304 (acier inoxyd.) - 0,15 De ce qui précède, il ressort que le diamant a, de loin, la conductibilité thermique la plus élevée, mais il va de soi qu'il est beaucoup trop coûteux pour être utilisé à l'échelle industrielle.Parmi les matériaux non métalliques, BeO possède des propriétés intéressantes, à savoir une conductibilité thermique élevée et une résistance propre électrique de l'ordre de 1016 ohm/ cm, mais malheureusement il est toxique sous forme particulaire, ce qui augmente son coût à la fabrication. Parmi les matériaux métalliques énumérés, le cuivre a une conductibilité thermique élevée, mais, de même que tous les autres métaux, il possède une conductibilité électrique qui est trop élevée pour les applica- tions considérées.Comme on peut le voir dans le tableau, les aciers inoxydables austénitiques, tels le Type 304, sont des conducteurs médiocres de la chaleur, tout en étant des conducteurs électriques relativement bons. Parmi les oxydes susceptibles d'être façonnés en corps cohérents, notamment les céramiques et les verres, presque tous ont des conductibilités thermiques à la température ambiante et des résistances électriques semblables à celles de l'alumine ou moins favorables, c'est-à-dire de l'ordre de 0,3 W/cm."K ou moins et de 1010 à 1016 ohmicm. I1 a été découvert que des corps cohérents, façonnés à partir de poudres de nitrure d'aluminium (AlN) formées essentiellement d'une seule phase, présentent une combinaison hautement favorable de ces propriétés, pourvu que le corps résultant ait une densité supérieure à 80 oh environ de la valeur théorique (bien que des densités plus élevées soient préférables) et qu'il soit produit à partir de poudres composées de nettement plus de 95 2,; en poids d'AlN. En outre, des corps monocristallins de A1N ont des propriétés encore plus favorables. Par exemple, des corps pressés à chaud, ayant une densité pratiquement égale à 100 % de la valeur théorique, mais formés d'une poudre du commerce ayant une teneur en A1N de 94 S0 d'après les données analytiques du fabricant, n1 avaient une conductibilité thermique que de 0,3 W/cm. 0K environ à la température ambiante ou moins. Par contre, il a été observé que des corps semblables, ayant des densités de l'ordre de 97 Ch de la valeur théorique, mais façonnés à partir de poudres à phase unique (selon les résultats de la fluorescence aux rayons X et de la diffraction) et composés de 99 h environ d'AlN, avaient des conductibilités thermiques supérieures à 0,6 W/cm. K à la température ambiante. Un corps monocristallin d'AlN de pureté modérée présentait, à la température ambiante, une conductibilité thermique de 1,95 W/cm. K. La résistance propre électrique de A1N a été mesurée et s'est révélée supérieure à 1 x 10 ohm/cm, valeur qui est parfaitement suffisante pour les applications envisagées. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'a ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Article manufacturé constitué par un corps unitaire composé essentiellement de nitrure d'aluminium, ce corps ayant une densité supérieure à 80 % environ de la valeur théorique du nitrure d'aluminium, une conductibilité thermique à la température ambiante supérieure à 0,50 W/cm. 0K environ et une résistance propre électrique supérieure à 1 x 1010 ohm/cm. 2. Article manufacturé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps est composé d'une multitude de particules composées essentiellement de nitrure d'aluminium en phase unique, agglomérées entre elles. 3. Article manufacturé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ces particules sont en nitrure d'aluminium pur à 95 S au moins. 4. Articie manufacturé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps est composé d'une multitude de particules constituées essentiellement de nitrure d'aluminium en phase unique ayant une pureté de 95 % au moins agglomérées entre elles, ce corps ayant une densité de 95 % au moins de la valeur théorique et une conductibilité thermique à la température ambiante au moins égale à 0,60 W/cm. 0K. 5. Article manufacturé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps est un monocristal de nitrure dtalumi- nium ayant une conductibilité thermique à la température ambiante de 1,2 W/cm. K au moins.