Brevet FR2493043A1 — publié le 19820430

MONTAGE SANS ALLIAGE D'UN COMPOSANT SEMICONDUCTEUR DE PUISSANCE EN BOITIER PRESSE La présente invention concerne le montage d'un composant semiconducteur de puissance en boîtier pressé, le semiconducteur lui-même étant compris entre deux contre-électrodes et n'étant pas soudé ou allié à ces contre-électrodes. De façon générale, les composants semiconducteurs de grande puissance tels que des diodes ou des thyristors comprennent une pastille de silicium active montée entre deux contre-électrodes d'un métal réfractaire tel que du molybdène, du tungstène, du tantale analogues, ce métal réfractaire étant choisi pour avoir un coefficient de dilatation voisin de celui du silicium. Ce sandwich comprenant la pastille de silicium et les deux contre-électrodes est lui-même monté dans un boîtier de façon qu'une anode et une cathode en un métal bon conducteur thermique et électrique tel que du cuivre viennmtcontacter les contreélectrodes. Dans les dispositifs classiques, le sandwich comprenant la pastille de silicium et ses contreélectrodes est réalisé en alliant le silicium aux contreélectrodes pour former un tout solidaire.Ensuite, les électrodes du boîtier sont pressées par des moyens de montage appropriés contre les contre-electodes. L'ensemble étant solidaire de radiateurs propres à assurer la dissipation thermique Actuellement, pour les montages de très grande puissance, laissant par exemple passer des courants supérieurs à plusieurs centaines d'ampères, voire des milliers d'ampères, on est amené à utiliser des rondelles de silicium d'un diamètre pouvant aller jusqu'à 5 cm. Pour de tels diamètres, bien que les coefficients de dilatation du molybdène et tungstène soient peu éloignés de celui du silicium, on peut arriver à des flèches de l'ordre de la centaine de microns pour un disque de molybdène sur lequel est alliée une tranche de silicium. Il en résulte des contraintes sur la pastille de silicium qui peuvent devenir prohibitifs. On tend donc à essayer de réaliser des montages dans lesquels la pastille de silicium n'est pas alliée à la contre-électrode mais repose librement sur celle-ci. L'une des difficultés pratique que pose ce type de montage réside dans le fait que, au cours de la mise en boîtier, le personnel de fabrication est amené à manipuler les pastilles de silicium isolées au lieu de manipuler comme cela était classique un sandwich composé d'une tranche de métal réfractaire et d'une pastille de silicium. Il en résulte des risques de casse et notamment d'écaillage latéral des tranches de silicium qui rendent le montage particulièrement délicat. Ce risque est d'autant plus grand que les tranches de silicium ont en pratique une épaisseur de l'ordre de 300 à 500 microns et que leur bord est biseauté pour améliorer le comportement du composant en ce qui concerne les claquages éventuels à la limite périphérique des jonctions. Un objet de la présente invention est de prévoir un type de montage qui réduise les risques de casse lors de la mise en boîtier et rende donc le montage plus simple. Ainsi, la présente invention concerne le montage sans alliage d'un composant semiconducteur à biseau pointu sur une contre-électrode d'un métal àcoefficient de dilatation proche de celui du silicium tel que du molybdène, du tungstène, du tantale, ce montage devant être inséré dans un boîtier comprenant une enceinte cylindrique qui l'entoure.Lapastille de silicium constituant le dispositif semiconducteur est posée de façon centrée sur une contre-électrode de plus grand diamètre laquelle est solidarisée par un joint de matière plastique moulé souple débordant au-delà du diamètre de la contre-électrode et recouvrant partiellement des zones en couronne périphérique opposées de la pastille de silicium d'une part et de la contre-électrode d'autre part. Selon des modes de réalisation de la présente invention, une préforme d'argent très mince devant l'épaisseur de la pastille de silicium et celle de la contre-électrode peut être insérée entre ces deux composants. Le diamètre interne du joint de matière plastique du coté de la pastille de silicium est choisi pour assurer le centrage d'une deuxième contre-électrode destinée à être pressée contre la face apparente de la pastille de silicium. Une préforme d'argent mince peut également être insérée entre la deuxième contre-électrode et la pastille de silicium. Le diamètre externe du joint peut être choisi pour assurer le centrage dans l'enceinte cylindrique du boîtier ou bien le diamètre interne de ce joint du coté de la contre-électrode peut être choisi pour assurer le centrage par rapport à la partie supérieure de l'électrode sur laquelle doit reposer la contre-électrode. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles La figure 1 représente un montage selon la présente invention, La figure 2 représente un montage selon la présente invention inséré dans un boîtier. Comme le montre la figure l,la présente invention vise à solidariser de façon souple la tranche de silicium sur une contre-électrode de façon à manipuler ensuite uniquement cet ensemble lors des opérations de montage ultérieur sans risquer d'écailler les bords de la tranche de silicium. La figure 1 représente une tranche de silicium 1 posée sur une contre-électrode de molybdène, de tungstène, de tantale ou équivalent 2. Entre la tranche de silicium et la contre-électrode, est prévue une préforme d'argent très mince 3. Un joint en une matière plastique souple 4 solidarise la tranche de silicium 1 et la contre-électrode 2. Ce joint est posé par moulage de façon à avoir une forme bien définie et peut par exemple être constitué d'un élastomère de silicone, matériau qui reste souple et élastique après le moulage. En outre, ce matériau adhère légèrement sur le silicium et sur le métal réfractaire, ce qui facilite la tenue du joint bien que cela ne soit pas indispensable étant donne la forme particulière du joint 4. En tout cas, il est essentiel que la matière plastique choisie pour former le joint 4 ne soit pas rigide et n1 empêche pas les dilatations relatives libres de la tranche de silicium et de la contre-électrode. La préforme d'argent 3 est destinée à améliorer encore le glissement de la tranche de silicium sur la contre-électrode lors de contraintes thermiques. Le joint 4 déborde latéralement par rapport à la contre-électrode 2 qui est d'un diamètre supérieur à celui de la pastille de silicium 1 et recouvre des portions en couronne de la face supérieure de la pastille de silicium et de la face inférieure de la contre-électrode. Ainsi, le joint 4 comprend notamment une limite périphérique externe 5, une limite périphérique interne 6 du côte de la face supérieure de la tranche de silicium, et une limite périphérique interne 7 du côté de la face inférieure de la contre-électrode 2. Le joint 4 a une triple fonction. Sa première fonction est d'assurer, comme on l'a vu précédemment, une liaison-souple entre la pastille de silicium 1 et la contre-électrode 2. Sa deuxième fonction est une fonction électrique de passivation et de protection des limites de la pastille de silicium, notamment au niveau de la section biseautée. Sa troisième fonction, comme on le verra plus en détail ci-après en relation avec la figure 2,est d'assurer le centrage de l'élément de montage représenté en figure 1 par rapport aux autres éléments d'un boîtier. A titre d'exemple des dimensions relatives des divers éléments d'un montage selon la présente invention, on notera que la demanderesse a réalisé une diode et un thyristor pouvant laisser passer un courant de l'ordre de 1500 ampères pour lesquels le montage présentait les caractéristiques dimensionnelles suivantes : - épaisseur de la tranche de silicium :400 microns - épaisseur de la contre-électrode :2,5 mm - épaisseur des préformes d'argent : 100 microns - diamètre de la pastille de silicium : 46 mm - diamètre de la contre-électrode : 50 mm - diamètre externe du joint en matière plastique souple : 54 mm - diamètre interne du joint au-dessus de la face supérieure du silicium : 40 mm - diamètre interne du joint en-dessous de la face inférieure de la contre électrode : 45 mm On a également représenté en figure 1 au-dessus de la face supérieure de la pastille de silicium 1, une préforme d'argent 8. Cette préforme peut être maintenue avec l'ensemble du montage par le joint 4 ou bien être adaptée à pénétrer exactement dans l'ouverture supérieure du joint de même qu'une contre-électrode supérieure. Cette contre-électrode supérieure ainsi que la préforme d'argent 8 peuvent être continues dans le cas notamment ou le composant semiconducteur de puissance 1 est une diode ou comprendre une ouverture propre à laisser passer une électrode de commande dans le cas où le dispositif semiconducteur de puissance est un thyristor, un transistor de puissance ou analogue. La figure 2 représente l'assemblage dans un boîtier pressé particulier d'un montage selon la présente invention. On retrouve en figure 2 les éléments désignés par les références 1, 2, 3, 4 et 8 déjà décrits en relation avec la figure 1. Ce montage est inséré dans un boîtier 10, par exemple un boîtier cylindrique en alumine vernie extérieurement. Ce boîtier comprend un fond 11, à savoir une électrode de cuivre solidarisée par une couronne métallique 12 avec le boîtier périphérique 10. Le montage selon la présente invention est d'abord posé sur cette électrode Il que l'on appellera anode. On notera que le joint 4 présente une limite intérieure inférieure 7 dont le diamètre épouse exactement celui de la partie supérieure de l'électrode 11 d'où il résulte que le joint 4 assure le centrage relatif du composant et de son électrode.Accessoirement, le diamètre externe du joint 4 peut être choisi tel qu'il correspondesensiblement au diamètre interne du boîtier cylindrique 10 d'où il résulte également un centrage. Ensuite, une contre-électrode 13 de même nature que la contre-électrode 2 est posée au-dessus du composant, ou plus exactement au-dessus de la préforme d' argent 8. A nouveau le diamètre interne supérieur, déterminé par la limite 6 du joint 4 est choisi pour assurer le centrage relatif de cette contre-électrode et du montage de la pastille semiconductrice. On dis pose ensuite un ensemble support de gâchette désigné par la référence 14 et représenté de façon extrêmement schématique pour assurer le contact entre un fil de commande 15 et une partie centrale du composant semiconducteur. Après cela, une électrode supérieure 16, couramment en cuivre, munie d'une fente pour laisser la place nécessaire au dispositif de montage de gâchette 14 et au fil de gâchette 15 est disposée à la partie supérieure du boîtier et fixée au boîtier annulaire 10 par des moyens appropriés 17. A nouveau, dans la zone où l'électrode supérieure ou cathode 16 vienten contact avec la contreélectrode 13, il peut être prévu un décrochement de cette électrode 16 pour coopérer avec le joint 4 et assurer le centrage relatif de l'électrode. La description de la figure 2 montre donc bien que le joint 4 selon l'invention, outre sa fonction de liaison entre la pastille de silicium et la contreélectrode inférieure et son rôle de passivation électrique des jonctions périphériques de la pastille de silicium, a un rôle important dans le montage pour assurer le centrage relatif des divers éléments du boîtier. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits; au contraire, elle en englobe les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Montage sans alliage d'un composant semiconducteur à biseau pointu sur une contre-électrode d'un métal à coefficient de dilatation proche de celui du silicium tel que du molybdène, du tungstène ou du tantale, ce montage devant être inséré dans un boîtier comprenant une enceinte cylindrique qui l'entoure ; carac térisé en ce que la pastille de silicium (1) constituant le transistor est posée de façon centrée sur une contreélectrode (2) de plus grand diamètre à laquelle elle est solidarisée par un joint (4) de matière plastique moulée, souple, débordant au-delà du diamètre de la contre-électrode et recouvrant partiellement des zones en couronne périphérique opposées de la pastille de silicium d'une part et de la contre-électrode d'autre part. 2. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une préforme d'argent (3) très mince devant l'épaisseur de la pastille de silicium et celle de la contre-électrode est insérée entre ces deux éléments. 3. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre interne du joint de matière plastique du côté de la pastille de silicium est choisi pour assurer le centrage d'une deuxième contre-électrode (13) destinée à être pressée contre la face apparente de la pastille de silicium. 4. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une préforme d'argent (8) est insérée entre la pastille de silicium et la deuxième contreélectrode. 5. Montage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre externe du joint est choisi pour assurer le centrage dans l'enceinte cylindrique du boîtier. 6. Montage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le diamètre interne du joint du côté de la contre-électrode inférieure est choisi pour assurer le centrage par rapport à la partie supérieure de l'élec trode sur laquelle doit reposer ladite contre-électrode. 7. Montage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le joint en matière plastique souple moulée est constitué d'un élas tomère de silicone.