Brevet FR2321193A1 — publié le 19770311

La présente invention concerne un procédé pour la fixation d'un conducteur doté de conductibilité thermique et électrique à un contact en métal réfractaire de dispositif semi-conducteur, par brasage à haute température. les dispositifs semi-conducteurs passivés comportent en général un corps semi-conducteur essentiellement formé de silicium, une couche de matière de passivation telle que verre ou matière plastique entourant le corps semi-conducteur, et au moins un contact métallique partant vers l'extérieur du corps semi-conducteur, à travers la couche de passivation, pour assurer extérieurement la connexion avec un montage associé. Plus particulièrement, il faut, dans de tels dispositifs, que les contacts métalliques soient réfractaires afin qu'il existe, entre les coefficients de dilatation thermique du corps semi-conducteur, de la couche de passivation et du contact métallique, une concordance suffisante pour éviter une rupture au cours dt oscillations thermiques.Le molybdène, le tungstène, le tantale et divers alliages spéciaux constituent des métaux réfractaires propres à former de tels contacts réfractaires; toutefois, étant donné que ces métaux et alliages sont à la fois onéreux et médiocrement conducteurs de la chaleur et de l'électricité, on relie en général le contact réfractaire à un conducteur classique à bonne conduction (par esemple en cuivre, argent ou divers alliages spéciaux) immédiatement au-delà de la couche de passivation, le conducteur classique reliant le contact réfractaire aux autres éléments du montage. Dans le cas d'un redresseur semi-conducteur & conducteur axial classique, la connexion du conducteur axial au contact réfractaire est opérée par l'une des deux méthodes suivantes. La première méthode consiste & former initialement sur le contact réfractaire un dépôt électrolytique de métal soudable tel que ltargat avant d'appliquer la couche de passivation. Après passivation, on fixe les conducteurs axiaux aux contacts réfractaires à l'aide d'éléments préformés en 1:soudure tendre", & point de fusion généralement inférieur à 3000C1. Des dispositifs comportant de telles connexions présentent les inconvénients inhérents aux connexions réalisées à la soudure tendre. Faute d'un réglage thermique très précis opéré pendant soudure du conducteur axial à d'autres composants du montage, ce conducteur risque de se détacher du contact réfractaire lors d'un échauffement de la soudure tendre.De plus, on constate que des jonctions opéréesàlasouaure tendre sont sujettes à la fatigue thermique, ce qui abrège leur longévité. L'autre méthode consiste à réunir le contact réfractaire au conducteur axial par une technique de soudure particulière, dite soudure bout à bout. Il faut ensuite soumettre le joint et le conducteur axial à tous les traitements chimiques et thermiques nécessaires pour (1) relier le corps semi-conducteur au contact réfractaire, (2) décaper l'assemblage élémentaire et (3) assurer l'application et le fusionnement de la couche de verre de passivation. Les dispositifs façonnés par cette méthode ne sont pas fiables, au premier chef parce qu'on ne peut réaliser une vraie soudure entre le métal réfractaire formant le contact et le métal conducteur classique formant le câble axial.De plus, les traitements qu'exige la finition du dispositif semi-conducteur après réalisation du joint entre contact réfractaire et conducteur axial donnent souvent un joint faible et poreux, de nature à acquérir avec le temps des résistances électrique et thermique élevées ou même à céder finalement et à se détacher. L'expérience montre que les soudures bout à bout cèdent extr8mement vite lorsqu'elles sont exposées à de hautes températures et à de fortes humidités, la proportion de ruptures atteignant 50 % à 850C et à 85 % d'humidité relative. En conséquence, la présente invention a pour but de proposer - un procédé pour la fixation d'un conducteur doté de conductibilité thermique et électrique & un contact métallique réfractaire de dispositif semi-conducteur par technique de brasage à haute température; - un tel procédé de nature à éviter les inconvénients précités inhérents aux soudures opérées tant à la soudure tendre que bout à bout; - un tel procédé donnant une soudure plus solide et moins poreuse qu'une soudure bout à bout, apte à supporter de plus hautes températures qu'une soudure tendre et capable de résister mieux qu'une soudure bout à bout à de hautes températures et à de fortes humidités;; - un tel procédé grâce auquel on puisse opérer la réunion d'un conducteur classique avec un contact réfractaire en ment me temps et à la même température que la réunion du contact réfractaire avec le corps semi-conducteur; - un tel procédé comportant ltutilisation d'un élément préformé particulier dont le pré-façonnage soit simple et économique, qui soit moins onéreux que le soudage bout à bout et qui donne des soudures supérieures aux soudures tendres ou aux soudures bout à bout; L'invention vise enfin un dispositif semi-conducteur présentant une jonction avec un conducteur opérée par le procédé précité. La demanderesse a constaté qu'on peut atteindre les buts précités de l'invention, et d'autres connexes, dans la fixation d'un conducteur à un dispositif semi-conducteur, en prévoyant i- nitialement un conducteur essentiellement formé d'un métal thermiquement et électriquement conducteur et terminé à une extrémité par une facette de jonction, et un dispositif semi-conducteur comportant un corps semi-conducteur et un contact en métal réfractaire partant vers l'extérieur de ce corps et terminé par une facette de jonction espacée du corps. On met les facettes de Jonction des deux organes en contact avec de la brasure comportant environ, en poids, 80 à 89 % de cuivre, 5 à 15% d'argent et 4 à 6 %db phosphore.On chauffe alors la brasure, (de préférence sous atmosphère inerte) au moins Jusqutà son point "mouillant" (température à laquelle elle mouille les organes & réunir) pendant un temps suffisant pour la fondre. On laisse ensuite la brasure fondue refroidir et se solidifier contre les facettes de Jonction des organes, en vue de réunir d'un seul tenant le contact et le conducteur.A ui dernier stade, facultatif, on peut opérer l'application et le fusionnement d'une couche de passivation autour du corps et autour du contact, entre la facette de Jonction de ce dernier et le corps. Le métal réfractaire est choisi parmi le tungstène, le molybdène, le tantale et leurs alliages, et est de préférence du molybdène. Le métal conducteur est choisi parmi 1' argent, le cuivre et leurs alliages et est de préférence du cuivre. La matière de passivation est du verre ou de la matière plastique et, de préférence, du verre. Le corps semi-conducteur est essentiellement formé de silicium. La brasure est de préférence du type comportant, environ, en poids, 80 % de cuivre, 15 56 d'argent et 5 * de phosphore. De préférence, la brasure est sous forme d'élément préformé présentant des facettes de jonction qui ont sensiblement la même forme et les mêmes dimensions que celles es organes, contre lesquelles elles butent. Selon un aspect de l'invention, il est prévu un procédé permettant de fixer un conducteur à un corps semi-conducteur par un seul stade de chauffage. Selon ce procédé, on utilise un corps semi-conducteur présentant une facette de jonction, un contact essentiellement formé de métal réfractaire et présentant une facette de jonction à chaque extrémité, un conducteur essentiellement formé de métal thermiquement et électriquement conducteur présentant une facette de jonction à une extrémité et un élément préformé en brasure contenant environ, en poids, 80 & 89 % de cuivre,'5 à 15 * d'argent et 4 à 6 % de phosphore, présentant une facette de jonction & chaque extrémité.On assemble ces composants en appliquant simultanément la facette de jonction du corps semiconducteur contre une facette de jonction du contact réfractaire, l'autre facette de jonction de ce contact contre l'une des facettes de jonction de l'élément préformé en brasure et l'autre facette de jonction de cet élément contre la facette de jonction du conducteur en métal conducteur. On chauffe alors l'assemblage sous atmosphère inerte, au moins jusqu'au point mouillant de la brasure, pour réunir par brasage les facettes de jonction en contact. On laisse ensuite refroidir l'assemblage, pour réunir d'un seul tenant le corps semi-conducteur, le contact, l'élément préformé et le conducteur. A un stade de finissage facultatif, on peut appliquer et fusionner une couche de passivation autour du corps de contact, entre les facettes de jonction réfractaires. En général, le corps semi-conducteur est essentiellement en silicium et porte une couche de métal électriquement conducteur choisi parmi l'aluminium et itou, qui définit sa facette de j onction. Suivant un autre de ses aspects, l'invention vise un dispositif semi-conducteur muni d'un conducteur; ce dispositif comprend un corps semi-conducteur, un contact en métal réfractaire qui part vers 1' extérieur de ce corps et se termine par une facette de jonction espacée du corps, un conducteur essentiellement en métal thermiquement et électriquement conducteur et qui se termine à une extrémité par une facette de jonction, et de la brasure interposée entre les facettes de jonction des organes, qu'elle fixe l'une à l'autre pour réunir les organes d'un seul tenant. le dispositif peut comporter encore une couche de passivation entourant le corps et le contact entre la facette de jonc tion de ce dernier et le corps. Sur le dessin annexé : la figure 1 est une vue de détail en plan, éclatée, d'un assemblage semi-conducteur élémentaire comportant des conducteurs axiaux; la figure 2 est une vue de détail en plan de cet assemblage; la figure 3 est une vue de détail en plan montrant cet assemblage après brasage des joints et application d'une couche de passivation. Sur le dessin, et notamment sur la figure 2, on voit un assemblage semi-conducteur élémentaire, désigné par la référence générale 10, dont les composants sont représentés séparément sur la vue éclatée que donne la figure 1. le semi-conducteur, désigné par la référence générale 12, comprend une pastille de silicium diffusé 14, flanquée de part et d'autre d'une couche d'aluminium 16, formée par dép8t sous vide, qui constitue une facette de jonc- tion du semi-conducteur 12. Le corps semi-conducteur 14 est essentiellement en silicium, mais peut comporter dans une ou plus eurs de ses parties des doses infimes de divers dopants classiques tels que phosphore, bore et analogues, d'une manière bien connue du technicien en semi-conducteurs.Pour fixer les idées, on a illustré l'application de l'invention à un semi-conducteur 12 cons titrant un redresseur à relier à deux conducteurs seulement, mais l'invention est aussi applicable à d'autres semi-conducteurs, par exemple ceux des types N, P ou mixte, ceux å jonction, à effet de champ ou d'autres types. On peut appliquer l'invention que le dispositif semi-conducteur soit formé d'une seule diode sous forme de pastille mince, comme représenté, ou d'un empilage relativement haut de pastilles reliées en série et réunies par brasage à l'aide de brasure classique (par exemple d'aluminium), plusieurs conducteurs partant de chacune des pastilles.On peut former les facettes de jonction en aluminium 16 sur la pastille en silicium 14 par des méthodes classiques bien connues du technicien, dont celle préférée est la technique de dép8t sous vide. Un contact réfractaire, désigné par la référence générale 20, présente à ses extrémités opposées des facettes de jonction 22 et 24. Le contact 20 est en un métal ou alliage réfractaire, de préférence molybdène, tungstène, tantale ou leurs alliages. Que l'alliage comporte deux ou plusieurs des métaux réfrac taires précités ou un ou plusieurs de ces métaux combinés avec d'autres métaux, il faut bien entendu choisir sa composition d'après les coefficients de dilatation connus de ses constituants de façon à faire concorder les coefficients de dilatation du corps semi-conducteur 12, du contact 20 et des matières assurant éventuellement la passivation du corps 12. L'élément préformé en brasure, désigné par la référence générale 30, est sensiblement plat et présente de part et d'autre des facettes de jonction 32 et 34. La brasure contient environ, en poids, 80 à 89 % de cuivre, 5 à 15% d'argent et 4 & % de phosphore et est de préférence de la soudure d'argent 80/15/5 du commerce ou une brasure pour hautes températures telle que vendue par 1 'Englehard Industries Division de 1 'Englehard Minerals et Chemicals Corp., Murray Bill, New Jersey, sous le nom commercial de 11Silvaloy 15" ou par la Handy and Harmon, Inc. sous la marque "Silfos". La brasure est caractérisée par un point de solidification d'environ 6400C et un point mouillant de ?05OC et n'exige pas pour le brasage une atmosphère oxydante ou réductrice. Un conducteur axial à teste de clou, désigné par la référence générale 40, présente une facette de jonction 42 sur la face exposée de sa tête 44, son autre extrémité ou queue permettant la connexion avec d'autres organes du montage. Le conducteur 40 est en un métal thermiquement et électriquement conducteur tel que cuivre, argent ou alliages de ces métaux entre eux ou avec d'autres métaux choisis pour leur bonne aptitude à se souder à la brasure préformée 30.Il est préférable que la facette de jonction 42 soit comme dit ci-dessus en cuivre, argent ou un de leurs alliages, mais on associe souvent au conducteur 40 une tme ou une gaine destinée à lui permettre de mieux fonctionner en refroidisseur vis- & vis du corps semi-conducteur 12, à réduire le coût des matières premières formant le conducteur 40 et/ou à isoler électriquement ce conducteur. On peut réunir le contact réfractaire 20 à la pastille de semi-conducteur 12 en plaçant sa facette de jonction 22 contre la couche de jonction en aluminium 16 et en brasant de manière classique cette couche à la pastille 12 et à la facette 22 pour obtenir une brasure métal réfractaire-aluminium-silicium. L'aluminium et le silicium forment un eutectique "de contact dur", à point de fusion d'environ 5750C, très bien réuni tant avec la pastille de silicium 14 qu'avec la facette de jonction 22 en mé tal réfractaire.Etant donné la nature des métaux intéressés : aluminium et silicium, il est essentiel d'opérer ce brasage sous atmosphère inerte (ni oxydante, ni réductrice) : on l'exécute généralement sous atmosphère sèche contrôlée d'azote, argon ou gaz inerte analogue, sous pression d'une atmosphère ou un peu plus. On peut réunir le conducteur 40 au contact 20, en pla çant sa facette de jonction 42 et la facette de jonction 24 du contact contre les facettes de jonction 34 et 32 respectivement de l'élément préformé 30. Pour faciliter cette åuxtaposition, on donne aux diverses facettes de jonction 24, 32, 34 et 42 sensiblement les mêmes formes et dimensions. On porte alors rapidement (pendant 15 minutes environ) l'élément 30 à son point mouillant d'environ 705qu, on le maintient & cette température pendant un temps suffisant pour le fondre (généralement 5 minutes environ), puis on le laisse refroidir et se solidifier contre les facettes de jonction 24 et 42 du contact 20 et du conducteur 40, qui se trouvent ainsi réunis d'un seul tenant.Ce brasage peut être opéré en milieu atmosphérique, c'est-à-dire réducteur, inerte ou o #dant, mais il faut avoir soin d'éviter tout contact entre les gaz non inertes de l'air et la couche de jonction en aluminium 16, qui est inévitablement chauffée pendant chauffage de la brasure préformée 30. Bien qu'on puisse opérer séparément les deux brasages, contact 20-conducteur 40 et contact 20-pastille de semi-conducteur 12, comme indiqué ci-dessus, un aspect original de ltnnven- tion réside en ce qu'on peut aussi les opérer en nême temps et à la vême température, ce qui réduit le temps de fabrication, l'importance du matériel de chauffage coûteux et le risque de contamination des composants par de nombreuses manipulations.Pour le brasage en un seul stade, on réunit les composants en un pré-assemblage 10 tel qu'indiqué sur la figure 2, la couche de jonction en aluminium 16 du semi-conducteur 12 contre la facette de jonction en réfractaire 22 du contact 20 et l'autre facette, 24, de ce dernier contre la facette de jonction 32 de l'élément préformé 30, dont l'autre facette de jonction, 34, porte elle-mame la facette de jonction 42 du conducteur 40. On utilise avantageusement un accessoire ou tréteau de brasage en graphite, acier inoxydable ou autre matériau convenable pour maintenir les composants du pré-assemblage 10 convenablement orientés pendant la traversée du four.On place alors tout le pré-assemblage 10 sur une courroie transporteuse qui lui fait traverser un four à tunnel sous atmosphère inerte, par exemple d'azote sec, sous pression d'une atmos sphère. La température maximale établie dans le four est suffisante à la fois pour fondre la brasure préformée 30 et pour former l'eutectique aluminium-silicium en fusion; elle est de préférence d'environ 715 à 72000. D'une manière générale, un temps de séjour d'environ 50 à 60 minutes dans le four à tunnel suffit pour bra ser le conducteur 40 au contact 20 et ce dernier à la pastille de semi-conducteur 12.Tout le pré-assemblage 10 est chauffé, de préférence, pendant une durée de 15 minutes à au moins 7050C, ceci pour provoquer la formation de l'eutectique aluminium-silicium en fusion et la fusion de la brasure, il est maintenu à cette temps rature pendant environ 5 minutes, puis ramené lentement en 30 à 40 minutes, à une température inférieure à 57500, point de fusion de l'eutectique. Par l'une ou l'autre méthode, on réunit le pré-assemblage 10 en une structure d'un seul tenant, présentant des joints brasés qui résistent à de plus hautes températures que des joints à soudure tendre, sont plus robustes et moins poreux que des soudures bout à bout et résistent à de hautes températures et à de fortes humidités (par exemple à 8500 et 4 85 ffi d'bnmidité relative) sans céder ni acquérir de grandes résistances électrique et thermique. La solidité et la robustesse des brasures ainsi formées permet d'appliquer au sous-assemblage 10 des traitements ultérieurs sans endommager le dispositif semi-conducteur. Ainsi, après brasage en un ou en deux stades, on décape de préférence la surface exposée du corps semi-conducteur 14 (par exemple avec une solution d'acides nitrique et fluorhydrique) pour en éliminer les impuretés et on lui applique une couche de matière de passivation 50 afin qu'elle ne soit pas re-contaminée On applique la matière de passivation 50 sur le pourtour exposé du corps semi-conducteur 14 et sur une partie du contact 20 située entre les facettes de jonction 22 et 24 de ce dernier, pour enrober complètement le dispositif semi-conducteur 12 et le protéger contre toute contamination.La matière de passivation 50 représentée sur la figure 3, en matière plastique ou en verre, est finement broyée, appliquée en suspension par technique classique sur le pourtour exposé du corps semi-conducteur 14, puis portée sur place a' une température provoquant le fusionnement de ses particules. Par exemple, un second four à tunnel situé, sur la courroie transporteuse, en aval du four précité de brasage en un seul stade, peut être maintenu à une température d'environ 685 à 70000 pour fusionner des particules de verre de passivation appliqué sur le semi-conducteur 12.La brasure préformée 30 et l'eu- tectique formé au niveau des joints peuvent repasser à l'état fluide aux températures établies dans le second four à tunnel; toutefois, les joints formés par brasage ont des tensions superficielles suffisantes pour demeurer en place jusqu'à refroidir à nouveau quand le pré-assemblage 10 quitte le second four à tunnel. Du fait que tous les coefficients de dilatation de la matière de passivation 50, du corps semi-conducteur 14 et du contact réfractaire 20 sont concordants, les dispositifs semi-conducteurs selon l'invention ont une longévité satisfaisante en régime de chauffage cyclique répété. Dans la composition de brasure, le cuivre (point de fusion 10830C) forme le constituant de brasage principal, l'argent (point de fusion 960,5 C) et le phosphore (point de fusion 4toc) ramènent le point mouillant de la composition à une température applicable aux dispositifs semi-conducteurs, le phosphore joue en outre le rôle du flux nécessaire au brasage. L'aptitude de la composition à assurer un brasage sous atmosphère inerte, de m8me que l'absence de tout métal à forte pression de vapeur (tel que zinc ou cadmium) qui pourrait affecter sâcheusement le corps semi-conducteur 14 contribuent dans une mesure importante à permettre le brasage en un seul stade. La nature de l'alliage formant la brasure préformée 30 permet d'obtenir un joint brasé entre le conducteur 40 et le contact 20 dans des conditions identiques à la formation du joint brasé entre le contact 20 et le corps semiconducteur 14, ce qui offre la possibilité exceptionnelle d1opé- rer le brasage en un seul stade. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant diverses variantes, sans que l'on sorte de son cadre. REVENDICATIONS. 1. Procédé pour la fixation d'un conducteur à un dispositif semi-conducteur, caractérisé-en ce que a) on prévoit un conducteur (40), essentiellement formé de métal thermiquement et électriquement conducteur et terminé à une extrémité par une facette de jonction (42), et un dispositif semi-conducteur (12), comprenant un corps semi-conducteur (14) et un contact (20) en réfractaire qui part vers l'extérieur dudit corps et se termine par une facette de jonction (24) dans le prolongement du corps; b) on met les facettes de jonction desdits organes en contact avec de la brasure (30) contenant environ, en poids, 80 à 89 % de cuivre, 5 à 15 O/o d'argent et 4 à 6 % de phosphore, avantageusement 80 % de cuivre, 15 % d'argent et 5 O/o de phosphore;; c) on chauffe la brasure, au moins jusqu'à son point mouillant, pendant un temps suffisant pour la fondre, et d) on laisse la brasure fondue refroidir et se solidifier contre les facettes de jonction desdits organes pour réunir d'un seul tenant le contact et le conducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ultérieurement, on opère l'application et le fusionnement d'une couche de passivation (50) autour dudit corps et de la partie dudit contact située entre la facette de jonction (24) du contact et le corps. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal réfractaire est le tungstène, le molybdène, le tantale ou leurs alliages. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal conducteur est 11 argent, le cuivre ou leurs alliages. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière de passivation est du verre ou une matière plastique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est essentiellement en silicium. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on opère le stade de chauffage (c) sous atmosphère inerte. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les facettes de jonction desdits organes ont sensiblement les mimes formes et dimensions, et en ce que la brasure est prévue sous forme d'élément préformé présentant des facettes de jonction qui ont sensiblement les mimes formes et dimensions que celles desdits organes, contre lesquelles elles butent. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications n à 9, caractérisé en ce que : a) on prévoit un corps semi-conducteur (14) présentant une facette de jonction (16), un contact (20), essentiellement en réfractaire, présentant à chaque extrémité une facette de jonction (22, 24), un conducteur (40), essentiellement en métal thermiquement et électriquement conducteur, présentant à une extremite une facette de jonction (42) et un élément préformé (30), présentant une facette de jonction (32, 34) à chaque extrémité;; b) on forme un assemblage (io) en juxtaposant simultané- ment la facette de jonction du corps semi-conducteur à une facette de jonction (22) en réfractaire du contact, l'autre facette de jonction (#) en réfractaire du contact à l'une des facettes de jonction (32) de l'élément préformé en brasure et l'antre des facettes de jonction (34) de cet élément à la facette de jonction du conducteur; c) on chauffe cet assemblage sous atmosphère inerte, au moins jusqu'au point mouillant de la brasure, pour braser les facettes de jonction juxtaposées (24 et 32, 34 et 42), et d) on laisse l'assemblage refroidir pour réunir d'un seul tenant le corps semi-conducteur, le contact, l'élément préformé et le conducteur. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le corps semi-conducteur est essentiellement en silicium et porte une couche électriquement conductrice (16) en aluminium ou or qui définit sa facette de jonction. 11. Dispositif semi-conducteur muni d'un conducteur, ca caractérisé en ce qu'il comprend a) un corps semi-conducteur (14); b) le contact (20) en métal réfractaire partant vers 1'extérieur dudit corps et terminé par une facette de jonction (24) dans le prolongement du corps; ; c) un conducteur (40) essentiellement en métal thermiquement et électriquement conducteur, terminé à une extrémité par u- ne facette de jonction (42), et d) de la brasure-(30) interposée entre les facettes de jonction desdits organes (20, 40) qu'elle fixe l'une à l'autre pour réunir lesdits organes dtun seul tenant contenant environ, en poids, 80 à 89 % de cuivre, 5 à 15 % d'argent et 4 à 6 6% de phosphore, avantageusement 80 %# de cuivre, 15 % d'argent et 5 % de phosphore. 12. Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comporte encore une couche (50) de matière de passivation appliquée autour du corps et du contact, entre la facette de jonction (24) de ce dernier et le corps.