Brevet FR2479565A1 — publié le 19811002

Les dispositifs semiconducteurs pour courants forts se composent ordinairement d'une pastille de matière semiconduc- trice, souvent en silicium, qui est entourée d'un côté ou des deux côtés par des plaquettes de molybdène ou d'une autre matière ayant approximativement le même coefficient de dilatation thermi- que que la matière semiconductrice, Les dispositifs semiconduc- teurs sont en outre munis d'éléments de connexion, ordinairement en cuivre, pour l'arrivée et le départ de courant électrique vers et à partir de la pastille de semiconducteur. Les éléments de connexion sont souvent disposés en contact à pression avec la pastille de semiconducteur. Ils sont ordinairement raccordés à des éléments de refroidissement, généralement en cuivre ou en aluminium, de telle sorte que le système semiconducteur soit refroidi dans une direction ou dans les deux directions, Les éléments de connexion eux-mêmes peuvent être également conçus de manière à servir d'éléments de refroidissement. Le rôle de la plaquette ou des plaquettes de molybdène est de protéger la pastille de semiconducteur contre les tensions produites par des mouvements relatifs entre la pastille de semiconducteur et les éléments de connexion lors de variations de température, en conséquence de différences des coefficients de dilatation thermi- que, La bonne conductivité thermique du molybdène joue un rôle important pour l'obtention d'une dissipation de chaleur efficace à partir de la pastille de semiconducteur, Mais les plaquettes de molybdène ou d'autres matières utilisées à sa place, notamment le tungstène, sont des composants extrêmement coûteux des dispositifs semiconducteurs, Le but de la présente invention est de fournir un maté- riau meilleur marché que le molybdène, Qui ait approximativement le même coefficient -de dilatation theirmique que le molybdène et, en tout cas, un coefficient de dilatation thermique nette- ment inférieur à celui du cuivre et qui, en outre, ait une conductivité thermique suffisante pour remplacer le molybdène en tant que matériau des plaquettes en question, D'après l'invention, un matériau possédant ces caracté- ristiques est constitué par un matériau composite se composant d'une matrice en un alliage d'environ 64 % en poids de fer et environ 36 % en poids de nickel, ou en un autre alliage contenant du fer et du nickel ayant un coefficient dedilatation thermique de 3.10 6K 1 au maximum dans la gamme de température comprise entre 'C et 1000C, ainsi que de veines de cuivre, s'étendant dans une direction dans la matrice et réparties dans-celle-ci, le cuivre et l'alliage étant unis métallurgiquement l'un à l'autre par une couche limite d'une épaisseur de 5 microns au maximum contenant les deux éléments. De préférence,.la couche limite de cuivre et de l'alliage fer-nickel a une épaisseur de 0,01 à 1 micron, Dans le matériau composite, les éléments sont unis l'un à l'autre de manière suffisamment intime pour que la liaison ne soit pas rompue au cours du cycle thermique qui se produit normalement dans un dispositif semiconducteur (de -501C environ à +1000C environ). La fraction cuivre entre de préférence pour 15 à 40 % en volume dans la composition du matériau composite, D'après l'invention, il est possible d'obtenir un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique de 4.10 6K 1 à 10. 10 6K 1 perpendiculairement aux veines de cuivre et une conductivité -1 thermique de 75 à 150 W.m-1 K dans la direction des veines de cuivre. Lorsqu'on utilise le matériau composite dans des plaquet- tes pour dispositifs semiconducteurs, les veines de cuivre sont orientées de préférence dans une direction sensiblement perpen- diculaire au plan des plaquettes, afin d'obtenir la meilleure dissipation thermique possible vers l'élément de connexion à partir de la pastille de semiconducteur. La liaison métallurgique par la mince couche limite peut être obtenue en unissant des éléments des composants du matériau composite à des températures telles que ces composants soient à l'état solide, Si par contre le cuivre était introduit dans l'alliage fer-nickel sous forme fondue, par exemple si du cuivre en fusion était chargé dans dès trous percés dans une partie de l'alliage fer-nickel, on obtiendrait une liaison peu satisfaisante, aboutissant à ce que le cuivre se détacherait au cours du cycle thermique. La raison en est que, dans ce dernier cas, il se forme une couche limite relativement épaisse et cassante des composants du matériau composite, L'alliage précité de 64 % en poids de fer et de 36 % en poids de nickel est connu sous le nom de marque Invar. Son coefficient de dilatation thermique est de l'ordre de 2.106 K1 dans la gamme de température comprise entre 20'C et 1000C et sa température de fusion est beaucoup plus élevée que celle du cuivre. Bien que cet alliage soit celui que l'on préfère, il est possible d'utiliser d'autres alliages contenant du fer et du nickel et ayant un coefficient de dilatation thermique de 3.10-6.K0 au maximum dans la gamme de température considérée. A titre d'exemples de ces alliages, on peut citer ceux dans lesquels 1 % ou quelques % du fer ont été remplacés par du nickel ou du cobalt, ou dans lesquels 1-ou quelques % du nickel ont été remplacés par du fer ou du cobalt. De préférence, on fabrique le matériau composite suivant la présente invention en soumettant des éléments de l'alliage fer-nickel, en même temps que des éléments de cuivre distribués dans les éléments de l'alliage fer-nickel, à un pressage isos- tatique ou à une extrusion hydrostatique à une température qui est inférieure au point de fusion du cuivre. D'après l'un des modes de réalisation possibles, le pressage isostatique est appli- qué lors de la fabrication à une température de 6001C à 9000C, de préférence à une température de 6500C à 750'C et sous une pres- sion de 10 à 500 MPa, D'après un autre mode de réalisation, on applique lors de la fabrication une extrusion hydrostatique avec des éléments pré-chauffés, par exemple pré-chauffés à une tempé- rature de 300 à 500'C environ, sous une pression de 500 à 1500MPa, Les éléments de l'alliage fer-nickel peuvent se présen- ter notamment sous la forme de feuilles qui.peuvent être planes sans usinage, ondulées ou munies de rainures ou avoir la forme de tube. Les éléments de cuivre peuvent se présenter notamment sous la forme de fils, de tiges ou de feuilles, qui sont disposés entre des feuilles de l'alliage fer-niickel, le cas échéant dans des plis ou dans des rainures formés dans ces feuilles, ou à l'intérieur de tubes de l'alliage fer- nickel, A la suite du pressage isostatique, le matériau compo- site ainsi obtenu est soumis de préférence à une extrusion hydrostatique, opportunément à la température ambiante, avec une réduction d'au moins 30 % de la section transversale, Une extrusion hydrostatique effectuée à la suite du pressage isostatique a pour effet que le cuivre et'l'alliage acquièrent une limite de fluage plus élevée, ce qui permet d'utiliser le matériau composite dans les limites d'un plus grand intervalle de température sans que se produise une fatigue plastique des matières métalliques} et également que l'alliage fer-nickel acquiert un coefficient de dilatation négatif, ce qui réduit le coefficient de dilatation effectif du matériau composite. L'invention est ci-après expliquée de façon plus détail- lée au moyen d'exemples, en référence aux dessins annexés. Les figures 1 à 3 illustent la fabrication d'un matériau composite suivant là présente invention, à partir de différents éléments possibles de cuivre et d'alliage fer-nickel, La figure 4 représente une plaquette du matériau compo- site, destinée à un dispositif semiconducteur et vue'de dessus. La figure 5 représente un dispositif semiconducteur comprenant des plaquettes du matériau composite, D'après ce qui est représenté sur la figure 1, on utilise une feuille ondulée 10 et une feuille plate il d'un alliage con- tenant 64 % de Fe et 36 % de Ni. Les feuilles 10 et 11, qui sont représentées en une vue en coupe dans la direction longitudinale, ont une épaisseur de 0,6 mm. Dans les plis 12 des deux côtés de la feuille ondulée sont insérés des fils de cuivre 13 ayant un diamètre de 1 mm, Les feuilles sont alors enroulées, avec les fils de cuivre entre elles, en un rouleau 14, selon ce qui est représenté sur la figure qui n'illustre l'opération d'enroulement qu'à son stade, initial. Le volume de cuivre dans le rouleau entre pour 33 % dans le volume total de cuivre et d'alliage fer-nickel. Le rouleau ainsi formé est alors placé dans une capsule d'acier à faible teneur en carbone qui est d'abord mise sous vide, puis scellée. Le rouleau est alors soumis à un pressage isostatique avec de l'argon en tant que fluide de pression, à une température de 7000C et sous une pression de 200 MPa, pendant une période de 1 h. Le rouleau pressé est alors soumis à une extrusion hydrostatique à la température ambiante, avec de l'hui- le de ricin comme fluide de pression, sous une pression de 600 MPa, de manière à obtenir une réduction de 50 % de la surface en coupe transversale du rouleau. D'après la figure 2, il est fait usage d'une feuille plane 15 de l'alliage fer-nickel défini ci-dessus et d'une feuil- le 17 comportant des rainures transversales.16, Les feuilles 15 et 17, qui sont représentées en une vue en coupe dans la direc- tion-longitudinale, ont une épaisseur de 0,6 mm. Les rainures ont une largeur de 0,6 mm et sont disposées à intervalle de 0,6Gmm entre bords voisins de rainures voisines, elles ne s'étendent pas d'un bout à l'autre entre les bords latéraux de la feuille 17, de telle sorte que la feuille garde sa continuité dans ses ré- gions bordantes. Des fils de cuivre 18 ayant un diamètre de 0,&6m sont disposés dans les rainures, Les feuilles sont enroulées avec les fils de cuivre en un rouleau 19 qui est représenté sur la figure au stade initial de l'opération d'enroulement, Le volume de cuivre dans le rouleau entre pour 20 % dans le volume total de cuivre et d'alliage fer-nickel. Le rouleau est tout d'abord soumis à un pressage isostatique, tandis qu'il est enfermé dans une capsule, puis il est extrudé hydrostatiquement suivant ce qui a été décrit à propos du rouleau selon la figure 1. D'après ce qui est représenté sur la figure 3, plusieurs tubes 20 de l'alliage fer-nickel précité, contenant des fils de cuivres 21, sont placés cote à côte. Les tubes 20, qui sont re- présentés en coupe radiale, ont un diamètre intérieur d'un peu plus de 0, 6 mm et un diamètre extérieur de 1,2 mmr, Les fils de cuivre ont un diamètre de 0,6 mm. Le volume de cuivre dans le dispositif représenté sur la*figure 3 constitue 25 % du volume total de cuivre et d'alliage fernickel, 2479S65 Le produit, constitué par les tubes disposés côte à côte, est d'abord pressé isostatiquement tandis qu'il est enfer- mé dans une capsule, puis il est extrudé hydrostatiquement d'après ce qui a été décrit à propos du rouleau selon la figure 1. A la-place de la fabrication du matériau composite par des opérations successives de pressage isostatique et d'ex- trusion hydrostatique, la fabrication du matériau composite peut s'effectuer, dans le cas choisi à titre d'exemple, par seule. extrusion hydrostatique, les rouleaux 14 et 19 des éléments ou le paquet des tubes 20 étant alors chauffés à 4500C par exemple avant l'extrusion, puis extrudés avec une réduction de % par exemple de leur surface en coupe transversale. La figure 4 est une vue en coupe d'un produit cylindri- que en forme de tige, fabriqué de la manière décrite ci-dessus à partir des éléments représentés sur les figures 1 à 3e Ce produit se compose d'une matrice 22 de l'alliage fer-nickel, contenant des veines 23 de cuivre qui s'étendent en direction axiale, Si l'on découpe le produit en forme de tige en feuilles perpendiculairement à la direction axiale du produit, on obtient (sauf dans les régions situées à l'extérieur des rainures dans le cas de la figure 2) des plaquettes du genre de celles de la figure 4 qui peuvent être utilisées dans des dispositifs semi- conducteurs, selon ce qui va être décrit en référence à la figure 5. Le dispositif représenté sur la figure 5 comporte une pastille circulaire de silicium 30 du type p-n-p. Dans sa région périphérique, la pastille de silicium est garnie d'un revêtement 31 de caoutchouc de silicone. Une cuvette plate 32 d'argent fait contact avec la face inférieure de la pastille de silicium, une plaquette libre 33 du matériau composite suivant la présente invention étant placée dans cette cuvette. Un élément de conne- xiop 34 en cuivre fait contact avec la plaquette 33, De manière analogue, une cuvette plate 35 d'argent fait contact avec la face supérieure de la pastille de silicium, une plaquette libre 36 du matériau composite suivant la présente invention étant placée dans cette cuvette. Un élément de connexion 37 de cuivre fait contact avec la plaquette 36, - Dans les plaquettes 33 et 36, les veines de cuivre s'étendent dans la direction qui va de la pastille de silicium vers les éléments de connexion 34 et 37, c'est-à-dire en direction verticale dans le mode de représentation du dispositif semiconducteur sur la figure. La cuvette 35 et la plaquette 36 présentent des trous 38 et 39 respectivement et l'élément de connexion 37 présente une cavité centrale 40 et une fente radia- le 41 pour une électrode de commande 42. La rondelle de semi- conducteur est enfermée hermétiquement entre les éléments de connexion 34 et 37, au moyen des anneaux de métal 43, 44, 45 et de l'anneau de céramique 46. L'anneau 45 est soudé à l'élément de connexion 34 et à l'anneau de céramique 46.l-l'anneau 44 est soudé à l'anneau de céramique 46 et l'anneau 45 est soudé à l'élément de connexion 37. Les opérations de soudage sont effectuées avant le montage du dispositif semiconducteur. A la suite du montage, la fermeture étanche est effectuée par soudage à froid à la presse des anneaux 44 et 45 en 47, Des éléments de refroidisse- ment sont ordinairement disposés sur les éléments de connexion, Ces éléments de refroidissement sont d'un type connu en soi et n'ont pas été représentés sur la figure, Du fait que les éléments de refroidissement sont maintenus pressés l'un contre l'autre, les éléments de connexion sont maintenus pressés contre la pas- tille de semiconducteur et assurent le contact nécessaire entre la pastille de semiconducteur et les éléments de connexion, Il est possible de fabriquer également les éléments de connexion 34 et 37 en matériau composite suivant la présente invention, auquel cas les plaquettes 33 et 36 peuvent faire partie des élé- ments de connexion 34 et 37. Dans ces conditions, les plaquettes du matériau composite seront disposées entre la rondelle de semiconducteur et les éléments de refroidissement qui, comme on l'a mentionné dans l'introduction, peuvent être en cuivre ou en alluminium. e Le matériau composite suivant la présente invention peut être également utilisé dans d'autres applications que celle qui a été décrite, dans lesquelles on a besoin d'une matière présen- tant un bas coefficient de dilatation thermique et une bonne conductivité thermique. REVENDICATIONS 1, Matériau composite, et notamment matériau pour une plaquette (33, 36) qui est disposée dans un dispositif semi- conducteur entre une pastille (30) de matière semiconductrice.et un élément fait d'une matière dont le coefficient de dilatation thermique est-beaucoup plus élevé que celui de la matière semi- conductrice, notamment un élément de connexion (34, 37) en cui- vre ou en aluminium pour le courant électrique à l'entrée ou à la sortie du dispositif semiconducteur, caractérisé en ce que c.e matériau composite se compose d'une matrice (22) d'un alliagb d'environ 64 % en poids de fer et d'environ 36 % en poids de nickel ou d'un autre alliage contenant du fer et du nickel et ayant un coefficient de dilatation thermique de 3,10 6K 1 au maximum dans les limites de la gamme de température de 200C à 1000C, ainsi que'de veines (23) de cuivre qui s'étendent dans 1.5 une direction dans la matrice et sont réparties dans cette der- nière, le cuivre et l'alliage étant unis métallurgiquement par une couche limite contenant du cuivre et l'alliage et ayant une épaisseur de 5 microns au maximum. 2. Matériau composite selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la couche limite a une épaisseur de 0,01 à 1 micron. 3. Matériau composite selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'union métallurgique par la couche limite est réalisée en unissant l'un à l'autre les composants du maté- riau composite à l'état solide, 4. Procédé de fabrication d'un matériau composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments d'un alliage d'environ 64 % en poids de fer et d'environ 36 % en poids de nickel, ou d'un autre alliage contenant du fer et du nickel et ayant un coefficient de dilatation thermique de 3,.106K1 au maximum dans la gamme de température comprise entre 20'C et 100oC sont soumis, avec des éléments de cuivre répartis dans les éléments de l'alliage, à un pressage isostatique ou à une extrusion hydrostatique à une température qui est inférieure au point de fusion du cuivre. , Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le pressage isostatique est effectué à une température de 6500C à 7500C. 6, Procédé selon la revendication '4 ou 5, caractérisé en ce qu'à la suite d'un pressage isostatique, le matériau com- posite est soumis à une extrusion hydrostatique.