Brevet FR2420393A1 — publié le 19791019

La présente invention concerne des procédés de liaison et des presses et plus particulièrement un procédé et un appareil pour obtenir une liaison par diffusion forte entre une feuille de métal et du cuivre structure. Dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance, tels que des thyristors et des transistors, l'aptitude à l'évacuation de la chaleur du dispositif est l'une des considérations les plus importantes pour l'obtention d'un fonctionnement à puissance élevée. Du cuivre structuré (un faisceau de brins filamentaires de cuivre tassés étroitement ensemble) lorsqu'on l'attache a une électrode d'un dispositif semi-conducteur, fournit un moyen de délivrance de courant au dispositif tout en éliminant la chaleur et simultanément relaxant les contraintes apparaissant a la surface de l'électrode. Le cuivre structuré est généralement logé dans une bague de retenue pour empêcher les brins individuels de cuivre de se séparer et de tomber de part et d'autre.Cependant, lorsqu'on enlève la bague de retenue avant la fixation de l'adaptateur de contrainte en cuivre structuré au dispositif semi-conducteur, on doit prévoir un moyen pour conserver l'intégrité structurale du cuivre structuré. On a fabriqué des disques d'adaptateur en cuivre structuré à partir de courtes longueurs de câble de cuivre. Ces adaptateurs sont capables de supporter une manutention importante après que l'on ait enlevé la bague de retenue. Cette résistance structurale résulte de la torsion ensemble des brins individuels du cuivre du câble. Cependant, dans ce type de cuivre structuré, les brins individuels de cuivre ne sont pas totalement libres de se déplacer dans le plan du disque et par conséquent, un tel cuivre structuré est inférieur au cuivre structuréàbrins droits, en ce qui concerne l'aptitude à la relaxation des contraintes. On a également utilisé de la soudure pour accroître l'intégrité structurale de disques de cuivre structuré. A cette fin, on applique la soudure aux extrémités des brins filamentaires du disque de cuivre structuré sur un coté ou sur les deux côtés. Bien que ceci rende le cuivre structuré plus résistant, cela également dégrade les propriétés thermiques du cuivre. En outre, la soudure peut s'écouler dans les vides entre les brins de cuivre, ce qui altère les propriétés de relaxation des contraintes du cuivre structuré. Les adaptateurs de contraintes en cuivre structuré de l'art antérieur présentent des propriétés de relaxation des contraintes limitées et des conductivités thermiques réduites. La présente invention concerne une presse de liaison par diffusion et un procédé utilisant cette presse pour lier une feuille métallique à un disque d'adaptateur de contraintes en cuivre structuré. L'adjonction d'une telle feuille au disque de cuivre structuré accroît fortement son intégrité structurale sans altérer sa conductivité thermique ou son aptitude à la relaxation des contraintes. La presse de la présente invention fournit une liaison par diffusion à une température relativement basse. La présente invention a donc pour but - de fournir une presse pour lier une feuille métallique a du structuré afin de créer un disque de résistance structurale élevée - de fournir un procédé de liaison d'une feuille métallique a un adaptateur de contraintes en cuivre structuré d'une manière qui préserve structuré. les propriétés de relaxation des contraintes de 1 adaptateur en cuivre 7 La présente invention concerne donc la liaison par diffusion à basses températures en utilisant une presse de liaison par diffusion pour lier une feuille de métal à un adaptateur en cuivre structuré à une température suffisamment peu élevée de sorte que la liaison ne se fissure pas lorsqu'elle se contracte au cours du refroidissement à partir de la température de liaison. Selon la présente invention, on utilise le degré de dilatation différent de deux métaux avec l'augmentation de température pour créer une force qui coince ensemble une feuille métallique et un adaptateur en cuivre structuré. En bref, selon un mode de réalisation recommandé de l'invention, une presse pour la liaison par diffusion de surfaces métalliques comprend deux plateaux métalliques alignés parallèles l'un à l'autre. Chaque plateau présente un coefficient de dilatation thermique prédéterminé et on prévoit des support pour relier ensemble les plateaux. Un espace suffisant est laissé entre les plateaux pour recevoir des éléments métalliques à presser ensemble. Les supports sont constitués d'un matériau choisi pour avoir un coefficient de dilatation thermique tel que lorsque la presse (y compris les plateaux et les supports) est chauffée à une température élevée pendant l'opération de liaison par diffusion, les plateaux métal liques se dilatent plus que les supports. Ainsi, les deux plateaux excercent une force de compression sur les éléments à lier ensemble se trouvant entre ces deux plateaux. On peut, de la manière décrite ci-dessus lier ensemble du cuivre structuré et une feuille métallique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, on a mis au point un procédé pour lier par diffusion des surfaces métalliques selon lequel un disque de cuivre structuré et une feuille métallique sont placés en contact l'un avec l'autre. On entoure le disque et la feuille métallique d'une atmosphère inerte et on les coince ensemble a une pression élevée à une température suffisamment peu élevée pour provoquer la liaison par diffusion de la feuille métallique dans le disque. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représent respectivement - figure 1, une vue de côté de la presse de liaison par diffusion selon la présente invention, - figure 2, une vue de dessus de la presse le liaison par diffusion représentée à la figure 3, - figure 3, une vue de côté d'un disque de cuivre structuré sur lequel est lié une feuille de métal au moyen de l'appareil représente ala figure 1, montrant la bague de retenue pour le maintien du cuivre structuré pendant l'opération de liaison encore en place, et - figure 4, une vue de dessus du disque de cuivre strucutré représenté a la figure 3. La figure 1 représente une presse de liaison par diffusion et thermocompression 10, selon la présente invention ayant un plateau métallique supérieur 12 et un plateau métallique inférieur 14 chacun de ces plateaux étant de préférence fait en acier inoxydable. On peut de façon commode placer au centre du plateau supérieur 12 comme illustré, un bloc de compression métallique 16 constitué d'acier inoxydable, de cuivre, d'aluminium, ou d'alliage d'aluminium. Comme représenté, l'ensemble supérieur constitué du plateau supérieur 12 et du bloc de compression 16 et le plateau inférieur 14 sont parallèles les uns aux autres avec un espace entre eux. Le plateau supérieur 12, le bloc de compression 16 et le plateau inférieur 14 peuvent être circulaires ou de toute autre configuration commode. On prévoit une série de trous 18a, 20a, 22a, 24a, 26a, et 28a à des intervalles égaux le long de la périphérie du plateau supérieur 12 comme représentés à la figure 2. Le plateau inférieur 14 est pourvu d'une série de trous ta raudés alignés chacun avec un trou respectif du plateau supérieur 12. On a représenté sur la figure 1 des trous taraudés 18b et 20b du plateau inférieur 14, alignés avec des trous 18a et 20a respectivement du plateau supérieur 12. L'ensemble supérieur et le plateau inférieur sont espacés au moyen de supports qui, comme représenté à la figure 2 se composent de boulons filetés 18, 20, 22, 24, 26 et 28 insérés dans leurs trous respectifs, afin de maintenir rigidement le plateau supérieur par rapport au plateau inférieur 14. Ces boulons sont de préférence faits en acier autre que l'acier inoxydable. On peut utiliser pour fabriquer les plateaux 12 et 14, le bloc de compression 16 et les supports (boulons métalliques 18 à 28), d'autres métaux que ceux indiqués ci-dessus. Le critère de sélection de ces métaux est qu'ils doivent être choisis de telle sorte que la dilatation totale des plateaux 12 et 14 et du bloc de compression 16 avec la température soit supérieure a celle du métal choisi pour les supports. Par exemple, le bloc de compression 16 peut être fait d'un alliage d'aluminium, tel que du Dural. Le Dural a un coefficient de dilatation thermique nettement supérieur a celui de l'acier inoxydable. Ainsi, on peut réaliser le bloc de compression 16 avec un bloc de Dural plus mince que s'il était fait en acier inoxydable tout en maintenant la même quantité globale de dilatation du bloc 16 par élévation de température donnée. On place les matériaux à lier ensemble par-diffusion (tels que du cuivre structuré- 30 et la feuille métallique 32, représentés a la figure 1), entre le bloc de compression métallique 16 et le plateau inférieur 14. Diverses feuilles métalliques,telles que des feuilles d'or et de cuivre, peuvent être liés a d'autres métaux, tels que du cuivre, de l'or et de l'argent, en utilisant la presse de liaison par diffusion. En variante, d'autres métaux de conductivite thermique élevée peuvent être liés ensemble par la mise en oeuvre de l'invention décrite. Dans une réalisation recommandée de la présente invention, on a mis au point un procédé de liaison par diffusion d'une feuille métallique a un disque de cuivre structuré. Un disque de cuivre structuré 30 classique est constitué d'un faisceau de brins de cuivre filamentaire tassés étroitement. Ces brins peuvent être de façon commode d'un diamètre de 0,254 mm et d'une longueur égale allant de 0,1 à 1 cm. Le cuivre structuré est un matériau très fragile et les brins de cuivre structuré se séparent facilement et tombent de part et d'autre lors de la manutention. Pour empêcher une telle destruction du disque de cuivre structuré 30, on place une bague de retenue 34 autour de la périphérie du cuivre structuré non lié pour le maintenir. La bague de retenue 34 a été représentée aux figures 3 et 4. Il est souhaitable d'utiliser du cuivre structuré constitué de brins de cuivre non nettoyés, (c'est-à-dire de brins de cuivre avec des surfaces oxydées). Ceci aide à empêcher d'obtenir des brins de cuivre collés ensemble par diffusion à la suite de l'étape de chauffage décrite plus loin dans le procédé de liaison. Avant de lier le disque de cuivre structure 30 à la feuille métallique 32, ces matériaux doivent être nettoyés. La surface du disque de cuivre structuré 30 doit être propre et exempt d'oxyde. Pour obtenir ceci, on peut utiliser une attaque chimique par pulvérisation. En variante, on peut nettoyer la surface du disque de cuivre structuré 30 par attaque dans l'hydrol et rinçage dans le méthanol. Si l'on doit lier une feuille de cuivre au disque de cuivre structuré 30, on recuit tout d'abord la feuille de cuivre dans l'hydrogène a environ 10000C pour la rendre pliable et plus flexible. Avant de la mettre en place dans la presse de liaison par diffusion 10, on dégraisse la feuille de cuivre dans un solvant et on l'attaque dans l'hydrol. On a trouvé que de l'hydrol cons titué de 5 ml de HC1 pour 100 ml de méthanol était efficace, bien que l'on puisse également utiliser d'autres proportions.Après attaque de la feuille de cuivre, par l'hydrol, on la rince dans le méthanol, et, à ce point, elle est suffisamment propre pour subir la liaison par diffusion. Si l'on doit lier une feuille de cuivre au disque de cuivre structuré 30, on le nettoie simplement par dégraissage dans un solvant juste avant la liaison. On met en contact les surfaces du disque de cuivre structuré 30 et de la feuille métallique 32 à lier ensemble et l'ensemble résultant feuille-disque représenté dans la figure 3 est placé dans la presse de liaison par diffusion 10 représentée à la figure 1, entre le bloc de compression métallique 16 et le plateau métallique inférieur 14. On utilise une presse classique pour créer une force de char gement centrale pour coincer le plateau supérieur 12 et le plateau inférieur 14 ensemble.Des boulons d'acier 18, 20, 22, 24, 26 et 28 sont serrés également au moyen d'un couple appliqué compris entre 1,38 et 2,76 k.m en utilisant une clé dynamométrique. On place alors la presse de liaison par diffusion 10 avec l'ensemble feuille-disque a l'intérieur dans une atmosphère inerte et on chauffe dans la gamme de 300 à 4000C, habituellement aux alentours de 3500C pendant 15 minutes à 5 heures. Le bloc de compression métallique 16, le plateau supérieur 12 et le plateau inférieur 14, tous constitués d'acier inoxydable ont un coefficient de dilatation thermique plus élevé que les boulons d'acier 18 à 28 et sont d'épaisseur suffisante pour que, lorsque la température de la presse de liaison par diffusion 10 est comprise entre 300 et 4000C, le bloc 15 et les plateaux 12 et 14 se dilatent plus que les boulons d'acier 18 à 28.Ceci entraîne l'application d'une pression comprise entre 13,8 daN/mm2 et 34,5 daN/mm2 et qui est habituellement de 20,7 daN/mm2 , ce qui constitue une pression suffisante pour assurer un contact intime entre la feuille métallique 32 et le disque de cuivre structuré 30. L'appareil de la présente invention n'est pas limité à l'utilisation d'acier inoxydable pour les plateaux et blocs et à l'acier pour les boulons dans la presse 10. Au contraire, on peut utiliser tous métaux ayant un coefficient de dilatation thermique suffisamment différent et des dimensions appropriées dans la direction verticale. La température élevée comprise entre 300 et 4000C est suffisamment élevée pour provoquer la diffusion de la feuille métallique, quelle soit en cuivre ou en or, dans le disque de cuivre structuré, résultant en une liaison par diffusion. Bien que l'on puisse réaliser une liaison par diffusion entre une feuille métallique et du cuivre structuré dans une presse classique a une température nettement plus élevée que celle employée dans la présente invention, une telle température plus élevée conduit au collage ensemble par diffusion des brins individuels du disque de cuivre structuré. Ceci rend par conséquent les brins incapables de mouvement indépendant, réduisant notablement l'aptitude à la relaxation des contraintes du disque. L'utilisation de température plus basse et de brins de cuivre structuré dont l'oxyde n'a pas été enlevée, comme indiqué dans la présente invention remédie à cet inconvénient. Une fois la liaison par diffusion terminée, on enlève la bague de retenue 34 du disque de cuivre structuré 30. Tous brins de cuivre extérieurs à cette surface de cuivre structuré liée à la feuille sont également enlevés. On doit noter que l'on peut réaliser toute forme d'adaptateur de contraintes en cuivre structuré en coupant simplement la feuille à la forme voulue avant la liaison par diffusion. On peut utiliser l'appareil et le procédé de liaison par diffusion pour lier par diffusion et thermocompression es surfaces métalliques comprenant du cuivre, de l'aluminium, de l'or, de l'argent, du titane et du molybdène a eux-mêmes ou les uns aux autres. On a donc décrit dans la présente invention une presse de liaison par diffusion et thermocompression d'une feuille métallique a un adaptateur de cuivre structuré pour créer un disquederésistance structurale élevée, et un procédé de mise en oeuvre de cette liaison d'une manière qui préserve les propriétés de relaxation des contraintes de l'adaptateur en cuivre structuré. REVENDICATIONS 1. Presse pour la liaison par diffusion de surfaces métalliques caractérisée en ce qu'elle comprend - un premier plateau métallique ayant un coefficient de dilatation thermique prédéterminé, - un second plateau métallique ayant un coefficient de dilatation thermique prédéterminé, ce second plateau étant parallèle au premier plateau et écarté de celui-ci afin de recevoir des éléments métalliques ayant des surfaces a lier ensemble, entre le premier et le second plateau, et - des supports métalliques reliant ce premier plateau au second plateau, ces supports ayant un coefficient de dilatation thermique choisi pour restreindre la dilatation thermique des plateaux à une valeur inférieure à la dilatation thermique totale en épaisseur du premier et du second plateau lorsque l'on chauffe cette presse à une température elevee, grâce à quoi on exerce une pression sur les surfaces métalliques à lier ensemble qui sont situées entre le premier et le second plateaux lorsque l'on chauffe cette presse à une température élevée. 2. Presse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier et le second plateau métallique ont le même coefficient de dilatation thermique. 3. Presse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier et le second plateau métallique ont des trous correspondants espacés à des intervalles suivant leur périphérie pour recevoir les supports métalliques, les trous dans le second plateau étant des trous taraudés. 4. Presse selon la revendication 3, caractérisée en ce que les supports métalliques sont composés d'un ensemble de boulons métalliques filetés reliant le premier plateau au second plateau, chacun des boulons métalliques ayant une extrémité insérée dans un trou du premier plateau et son extrémité opposée reliée à un trou taraudé correspondant dans le second plateau. 5. Presse selon la revendication 4, caractérisée en ce que le premier et le second plateau sont constitués d'acier inoxydable. 6. Presse selon la revendication 1 ou 5, caractérisée en ce que le premier plateau porte un bloc métallique faisant face au second plateau. 7. Presse selon la revendication 6, caractérisée en ce que le bloc métallique est constitué d'un métal choisi parmi l'acier inoxydable, le cuivre,l'aluminium, les alliages d'aluminium et le dural. 8. Presse selon la revendication 4 ou 7, caractérisée en ce que des boulons métalliques filetés sont constitués d'un acier autre que l'acier inoxydable. 9. Procédé de liaison par diffusion et thermopresssion d'une feuille métallique à un #disque de relaxation de contraintes en cuivre structuré, ce disque étant constitué de brins filamentaires droits de cuivre revêtu d'oxyde disposés de manière parallèle et assemblés étroitement les uns aux autres, procédé caractérisé en ce qu'il consiste - à placer le disque et la feuille métallique en contact l'une avec l'autre, - à entourer le disque et la feuille métallique d'une atmosphère inerte, - à appliquer une force de chargement pour coincer ensemble à pression élevée le disque et la feuille métallique, et à chauffer ce disque et la feuille métallique à une température comprise entre 300 et 4000C pendant que ce disque et cette feuille métallique sont coincés ensemble. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pression élevée est comprise entre environ 13,8 et 34,5 daN/mm2. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on chauffe le disque et la feuille métallique à une température d'environ 3500C pendant un temps compris entre environ 15 minutes et 5 heures pendant que ce disque et cette feuille métallique sont coincés l'un avec l'autre. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la feuille métallique est constituée d'un métal choisi parmi l'or et le cuivre. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de nettoyage du disque pour éliminer l'oxyde superficiel et le dégraissage et le nettoyage de la feuille métallique avant la mise en place du disque de cette feuille métallique en contact l'un avec l'autre. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de nettoyage du disque comprend l'attaque par pulvérisation de ce disque. 15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de nettoyage du disque consiste à attaquer le disque dans de l'hydrol et ensuite a rincer le disque dans le méthanol.