Brevet FR2188256A1 — publié le 19740118

La présente invention est relative à des substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur. L'avène-ent des semi-conducteurs comme éléments actifs de la microélectronique hybride ont permis un développement important des céramiques réfractaires de haute qualité et notamment de l'alumine et, dans une moindre proportion, de l'oxyde de béryllium. On a ainsi commercialisé des pièces de forme comme isolants pour transistors ou thyristors, ou des rondelles en alumine ou en oxyde de béryllium pour assurer un écoulement efficace de la chaleur vers les refroidisseurs. D'autre part1 les substrats en alumine pour circuits à couche épaisse notamment, sont d'un emploi de plus en plus répandu au fur et à mesure que cette technique se développe. Ces deux matériaux ont été choisis pour leur bonne conductibilité thermique, leur résistance et leur indéformabilité aux chocs thermiques et, en ce qui concerne l'alumine, pour la possibilité d'obtenir des surfaces planes et à rugosité contrôlée nécessaires en microélectronique. L'alumine conduit dix fois mieux la chaleur que n'importe quel céramique ou verre, lorsqu'elle est pure. L'oxyde de béryllium conduit encore dix fois mieux la chaleur que l'alumine mais son prix est souvent prohibitif. Par ailleurs, beaucoup d'applications exigent des formes de substrats appropriées, adaptées aux problèmes à résoudre, et l'alumine qui est un matériau cher, ne se prête pas facilement à cette élaboration mécanique car, d'une part sa cuisson rend difficile le maintien de tolérances étroites et d'autre part, elle n'est pas usinable après cuisson. Le principal objet de l'invention est d'obtenir des substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur dont les formes peuvent être facilement adaptées aux exigences de la microélectronique pour un prix de revient convenable. Suivant la présente invention, lesdits substrats sont caractérisés par le fait qu'ils comprennent un support conducteur de la chaleur constitué de carbone ou d'un mélange de matériaux céramiques et de carbone ou de carbure de silicium, ledit support étant revêtu d'un matériau céramique électriquement isolant. On donne au support la forme convenant à l'application envisagée avant de procéder à son revêtement, cette mise en forme ne présentant pas de difficultés particulières, les matériaux constituant ledit support étant choisis de telle sorte qu'on puisse facilement leur donner la forme convenable. Lorsque le support est entièrement en carbone, on choisit de préférence des variétés telles que le graphite et le carbone vitreux. Le graphite étant deux à trois fois plus conducteur de la chaleur que le fer et quatre à six fois plus que l'alumine, et le carbone vitreux étant lui aussi conducteur de la chaleur, ces deux matériaux sont en meme temps conducteurs de l'électricité, et de ce fait s'ils étaient employés seuls, ne pourraient pas convenir pour une grande partie des applications envisagées. C'est pourquoi, selon la présente invention, on les recouvre d'une couche isolante constituée par un matériau céramique. Lorsque le support est en graphite, il peut être usiné dans des graphites artificiels existant sous forme de plaques, blocs ou rondins, tels qu'ils sont commercialisés par les fabricants de carbones artificiels. Lorsque le support est en carbone vitreux, il est mis en forme au cours de la fabrication dudit carbone selon des techniques connues telles que celle décrite dans le brevet français 1 475 809. Le support peut également être constitué d'un mélange de matériaux céramiques et de carbone (tel que du graphite) ou du carbure de silicium, cuits à haute température, dont le prix de revient est inférieur à celui de l'alumine ou de l'oxyde de béryllium et dont l'usinabilité est plus facile que celle de ces dits oxydes. A titre indicatif, on donne dans le tableau suivant la conductivité thermique approximative des différents matériaux envisagés, sans limitation de composition, comparée à celle de matériaux connus. CONDUCTIVITE THERMIQUE MATERIAU W.cm-1. C-1 Graphite 1,2 à 1,6 Carbone vitreux 0,04 à 0,08 Céramique au graphite 0,8 à 1,1 Céramique au carbure de silicium 0,03 à 0,3 95 % : 2,0 Oxyde de béryllium 99,5 % : 2,5 92 % : 0,160 Alumine 95 % : 0,260 Porcelaine 0,016 Verre dur 0,008 à 0,011 Cuivre 3,90 Fer 0,50 à 0,75 Le matériau céramique électriquement isolant est en général constitué par une-céfamique réfractaire et peut I1 peut être par exemple constitué par un mélange d'alumine, et d'un émail qui, après cuisson, donne une couche isolante. L'épaisseur de la couche de matériau céramique électriquement isolant est fonction de l'application envisagée et des paramètres du dépôt. Pour les applications les plus courantes telles que les substrats pour circuits à couche épaisse, elle peut être avantageusement comprise entre 1/100 et 5/100 de rr, On peut recouvrir le support conducteur de la chaleur par le matériau céramique électriquement isolant par tout procédé convenable, par exemple, par la technique des couches épaisses, par dépôt par chalumeau à plasma, par pistolisage de liquides contenant ledit matériau en poudre, par badigeonnage dudit matériau à l'état pâteux, etc. Le principal avantage que présente l'invention, réside dans le fait que n'importe quelle forure de supports conducteurs de la chaleur peut être réalisée et recouverte d'un matériau céramique électriquement isolant qui lui donne des caractéristiques définitives car les matériaux constituant lesdits supports cuits à haute température ne réagissent plus aux chocs thermiques, ne prennent pas de retrait, ont un faible coefficient de dilatation thermique (celui du graphite artificiel est de 2 à 3 x 10-6/ C) et ne se déforment pas. L'isolement électrique apporté par la couche de oatériau céramique isolant permet d'utiliser les substrats suivant l'invention comme substrats pour couches de semi-conducteurs, électrodes; pistes de potentiomètres et résistances linéaires ou non, et comme embases ou pièces de refroidissement pour transistors et thyristors et autres semi-conducteurs dissipatifs, en remplacement des mêmes pièces fabriquées habituellement en alumine ou en oxyde de béryllium. Les exemples suivants, donnés à titre indicatif et non limitatif, permettront de mieux faire comprendre l'invention. EXEMPLE 1 Une plaquette de graphite artificiel ayant les caractéristiques suivantes - conductivité thermique : 1,4 W.cm~1.eC~ - densité : 1,60 - porosité : 25 % - grosseur des grains : 0,1 à 0,2 mm et de dimensions 12,5 mi x 12,5 mi pour 0,63 mm d'épaisseur, est recouverte par sérigraphie d'une couche de matériau céramique électriquement isolant de 2/100 m d'épaisseur à travers un tamis dont le vide de la maille est de 48 microns. Le matériau céramique électriquement isolant est constitué par un mélange d'alumine cristallographique et d'un émail ayant la composition pondérale suivante - borosilicate : 70 à 75 % sous forme pulvérulente - oxyde de sodium : 2 à 3 % sous forme pulvérulente - phase liquide contenant du terpinol, 1 à 3 % d'alumine et 2 à 3 % d'épaississant : 25 %. Après séchage à 1500C pour éliminer les solvants, la plaquette munie de son revêtement céramique est cuite à 8000C dans une atmosphère d'azote pur pendant dix minutes. Le substrat ainsi obtenu est ensuite utilisé comme substrat pour la sérigraphie d'électrodes en argent-palladium et de résistances. Les matériaux de ces électrodes et résistances sont déposées sur le substrat à l'état pâteux et l'ensemble est cuit à 750'C. La résistance d'isolement entre -le graphite et les divers conducteurs ainsi imprimés est de 20 000 H n sous 100 V. Une tension alternative de 200 Veff appliquée entre le graphite et ces conducteurs n'a pas permis de déceler de fuites de courant. EXEMPLE 2 Un disque de graphite artificiel ayant les caractéristiques suivantes - conductivité thermique : 1,4 W.cm-1. C-1 - densité : 1,70 - porosité : 20 % - grosseur des grains : 0,5 à 2 - et de dimensions : diamètre 50 mi, épaisseur 1,5 mm, est recouvert du même matériau céramique électriquement isolant et dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. Après cuisson de la couche isolante, la résistance d'isolement du substrat est de 10 000 M5z. On imprime sur la couche isolante de ce substrat des électrodes d'argent-palladium et ensuite une surface résistive de 9 cm2 dont la va leur ohmique est de 400R. Pour montrer son efficacité, on place la face de la rondelle côté graphite en contact avec le fond d'un vase contenant de l'eau et on alimente les électrodes en 220 Veff.' 50 Hz. On porte l'eau à ébullition la résistance dissipe alors 120 W. Entre ses deux faces, on mesure une différence de température de 15-C, preuve que la transmission de la cha leur se fait avec un faible quotient thermique. REVENDICATIONS 1 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur caractérisés en ce qu'ils comprennent un support conducteur de la chaleur constitué de carbone, ou d'un mélange de matériaux céramiques et de carbone ou de carbure de silicium, ledit support étant revêtu d'un matériau céramique électriquement isolant. 2 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 1 caractérisés en ce que ledit support conducteur de la chaleur est en graphite. 3 - Substrats-électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 1 caractérisés en ce que ledit support conducteur de la chaleur est en carbone vitreux. 4 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 1 caractérisés en ce que ledit support conducteur de la chaleur est constitué d'un mélange de matériaux céramiques et de graphite. 5 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que ledit matériau céramique électriquement isolant est constitué par une céramique réfractaire. 6 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce que ledit matériau céramique électriquement isolant comporte un oxyde réfractaire choisi dans le groupe de l'alumine, de la silice et de la magnésie. 7 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 6 caractérisés en ce que ledit matériau céramique électriquement isolant est constitué par un mélange d'alumine et d'un émail. 8 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 7 caractérisés en ce que ledit émail est constitué de 70 à 75 % de borosilicate sous forme pulvérulente, de 2 à 3 % d'oxyde de sodium sous forme pulvérulente et de 25 % d'une phase liquide contenant du terpinol, 1 à 3 % d'alumine et 2 à 3 % d'un épaississant. 9 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés par le fait que l'épaisseur de la couche du matériau céramique électriquement isolant est comprise entre 1/100 mi et 5/100 mr. 10 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'ils sont obtenus en déposant ledit matériau céramique électriquement isolant par tout procédé convenable sur ledit support préalablement réalisé aux dimensions voulues. 11 - Substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon la revendication 10 caractérisés par le fait qu'ils sont obtenus en déposant ledit matériau céramique par sérigraphie sur ledit support préalablement réalisé aux dimensions voulues. 12 - Applications des substrats électriquement isolants et conducteurs de la chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes comme substrats pour couches de semi-conducteurs, électrodes, pistes de potentiomètres et de résistances linéaires ou non, et comme embases ou pièces de refroidissement pour transistors et thyristors et autres semiconducteurs dissipatifs.