Brevet FR2162275A1 — publié le 19730720

la présente invention se rapporte aux dispositifs semiconducteurs de grande puissance et concerne plus particulièrement leur moyen d'encapsulation. Les éléments semiconducteurs de grande puissance étant le siège d'importantes dissipations de chaleur, il est nécessaire que leur encapsulation soit réalisée de telle sorte que l'ensemble du dispositif présente une faible impédance thermique et soit susceptible de supporter d'importants efforts de tension thermique. D'autre part, ces dispositifs étant en général reliés à des dissipateurs de chaleur, il est nécessaire que cette liaison soit d'une part bonne conductrice de la chaleur, et d'autre partlde réalisation rendue aisée: par le mode d'encapsulation du semiconducteur. En outre, il est en général nécessaire que le dispositif obtenu possède une bonne résistance aux chocs mécaniques, et souhaitable qu'il présente un faible encombrement. La présente invention a pour objet l'encapsulation d'éléments semiconducteurs de grande puissance, de telle sorte que l'ensemble présente notamment une faible impédance thermique ainsi qu'une grande résistance aux efforts de tension thermique et aux chocs mécaniques, grtce aux liaisons de l'élément semiconducteur, par l1interméd#aire de connexions de molybdène et soudures tendres, à deux contacts situés respectivement de part et d'autre de l'élément semiconducteur, constitués chacun par une pièce cylindrique rainurée et reliés entre eux par un enrobage de plastique rigide. l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins s'y rapportant où - La figure 1 représente une vue en coupe des liaisons de l'élément semiconducteur à ses connexions - la figure 2 représente une vue en coupe de l'ensemble du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1 sont représentés schématiquement : un élément semiconducteur 1 ; des pièces métalliques 2, 3 et 4, appelées connexions, correspondant aux électrodes (non figurées) de llélément semiconducteur 1, et des couches métalliques 11, 12, 13 , 14 et 15 de liaison entre ces éléments. La connexion collecteur 2 est avantageusement constituée par du molybdène ou du tungstène nickelé doré, dans le:cas d'un élément semiconducteur 1 en silicium, le molybdène et le tungstène possédant un coefficient de dilatation thermique proche de celui du silicium et permettant ainsi une bonne résistance du dispositif aux chocs thermiques. la liaison de la face collecteur 10 de l'élément 1 à la connexion 2 peut être effectuée de façon classique par soudure dure, ou bien, dans un mode de réalisation préféré, de la façon suivante : la face 10 est nettoyée, par hydrotonage par exemple une couche de nickel 11 puis une couche de plomb 12 sont alors déposées sur la face 10, ainsi qu'une couche de plomb 14 sur la connexion 2, ces différents dépits étant réalisables par la méthode d'électrolyse au tampon ; la soudure entre la face 10 et la connexion 2 est réalisée par fusion. Cette liaison peut être renforcée par l'interposition d'une couche 13 d'un alliage de plomb et d'étain entre les couches de plomb 12 et 14.La qualité de la liaison ainsi réalisée permet la notable amélioration, d'une part, de la résistance à la fatigue thermique du dispositif, de par le choix des différents matériaux, et, d'autre part, de la résistance du semiconducteur au phénomène destructif dit de second claquage, phénomène dont l'apparition se trouve facilitée par la présence d'imperfections dans la liaison. la connexion émetteur 3 est constituée par du molybdène ou du tungstène nickelés dorés,et la connexion base 4 par un alliage de bronze et de béryllium afin de constituer une connexion extérieure suffisamment souple. La fixation de la connexion base 4 et de la partie 5 de la connexion émetteur 3 aux électrodes de ltélément semiconducteur 1 est obtenue par fusion des métallisations correspondant auxdites électrodes, préalablement immergées dans un bain d'alliage fondu à base de plomb, formant une couche repérée 15. La figure 2 représente une vue en coupe de l'ensemble du dispositif semi-conducteur selon l'invention. L'élément semiconducteur 1 est relié par ses connexions collecteur 2 et émetteur 3 à des pièces cylindriques, respectivement 23 et 24 , appelées contacts, assurant,avec la connexion base 4, la liaison de semiconducteur 1 avec un circuit d'utilisation extérieur. Ces contacts constitués par des métaux de grande conductibilité calorifique tels que le cuivre ou l'aluminium, comportent des rainures 30, circulaires dans un plan perpendiculaire à l'axe des cylindres 23 et 24, destinées à l'amélioration de la résistance du dispositif aux chocs mécaniques. Le positionnement de l'élément 1 est assuré par des lamages 31 et 32 effectués sur les contacts 23 et 24 et destinés à recevoir respectivement les connexions collecteur 2 et émetteur 3, la liaison entre ces différents éléments étant réalisée par ltintermédiaire de brasure à base d'argent et de cuivre ou de soudure tendre à base de plomb. Les contacts collecteur 23, émetteur 24 et la connexion base 4 sont reliés mécaniquement et isolés électriquement par un enrobage d'un plastique rigide 22, tel qu'une résine silicone, êpoxy ou phénolique. L'élément semiconducteur 1 est protégé de l'enrobage 22 par un vernis 21 constitué par une résine primaire par exemple, telle que résine synthétique souple, caoutchouc ou diélectrique particulaire. La jonction collecteur-base peut entre glassivée afin d'éviter toute contamination ionique. Les contacts collecteur 23 et émetteur 24 sont reliés à des dissipateurs thermiques 27 et 28 par l'intermédiaire de feuilles d'argent 25 et 26 améliorant les contacts électrique et thermique entre ces éléments. Le dispositif ainsi réalisé, de faible encombrement, présente une très faible impédance thermique, les échanges de chaleur avec le milieu ambiant pouvant s'effectuer dans toutes les directions par l'intermédiaire des contacts 23 et 24, ainsi qu'une bonne résistance aux chocs thermiques, par suite de l'utilisation de métaux tels que le tungstène ou le molybdène pour les connexions 2 et 3, et aux chocs mécaniques de par la structure même du dispositif. Le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus, à titre non limitatif, pour un élément semiconducteur à trois électrodes, est applicable à tout dispositif comportant au moins deux contacts, respectivement sur la face supérieure et inférieure d'un élément semiconducteur. REVENDICADIONS le Dispositif semiconducteur de grande puissance à faible impédance thermique, comportant, liés entre eux, un élément seniconducteur comportant une pluralité d'électrodes, des éléments de raccordement électrique desdites électrodes à un circuit d'utilisation et des éléments de conduction thermique et électrique, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que lesdits éléments de conduction sont constitués par au moins deux pièces cylindriques réalisées en matériau métallique,appe- lées contacts (23, 24), situées de part et d'autre dudit élément semiconducteur (i) et liées à au moins deux desdites électrodes, constituant au moins deux desdits éléments de raccordement, et sur lesquelles sont fixés des dissipateurs de chaleur (27, 28), lesdits contacts étant assemblés par un enrobage (22) de plastie que rigide. 2. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que lesdits contacts (23,24) sont constitués par des pièces cylindriques droites.... et rainurées, assurant, avec ledit enrobage (22) de plastique rigide, la résistance dudit dispositif aux chocs mécaniques. 3. Dispositif semiconducteur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la liaison entre lesdites électrodes et lesdits contacts (23,24) est réalisée par l'intermédiaire de pièces métalliques, dites connexions (2 > 3) ,dont le coefficient de dilatation thermique est voisin de celui dudit élément semiconducteur (1), assurant ainsi la résistance dudit dispositif aux chocs thermiques. 4. Dispositif semiconducteur selon la revendication 2 caractérisé par le fait que ledit élément semiconducteur (i) est un transistor constitué/Pdu##sîlicium, et que lesdites connexions (2,3) sont constituées par un alliage d'une part d'un métal appartenant au groupe chimique du molybdène et d'autre part, de nickel doré. 5. Dispositif semiconducteur selon la revendication 4 caracterisé par le fait que ledit métal appartenant au groupe chimique du molybdène est du tungstène.