Brevet FR2525509A1 — publié le 19831028

La présente invention concerne un procédé de dép 8 t facile et rigide d'une matière de soudure sur un matériau en aluminium que l'on considère comme extrêmement difficile à unir par une soudure. En général, on évite les travaux de soudure sur l'aluminium du fait que la surface de l'aluminium est très facilement oxydée, du fait qu'une telle opération tend à provoquer une corrosion électrolytique, du fait qu'il est plut 8 t difficile de former une solution solide avec la matière de soudure et pour d'autres raisons En conséquence, l'aluminium qui est à l'origine de difficultés dans les travaux de soudure a rarement été utilisé comme matériau de dissipation de chaleur auquel on soude, par exemple, un élément semi- conducteur et, dans la plupart des cas, un tel matériau dissipateur de chaleur est fabriqué en cuivre qui facilite les soudures de ce genre. En conséquence, les explications ci-après concernant un exemple clas- sique vont être donnée à propos d'un procédé de soudage d'un élément semi- conducteur à im dissipateur de chaleur en cuivre, à titre d'un exemple repré- sentatif Plus précisément, comme il est représenté sur la figure 1 du dessin annexé, un élément semi-conducteur 1 est soudé à un dissipateur de chaleur en cuivre 2 à l'aide d'une matière de soudure 3 Selon les conditions de soudage, il arrive cependant parfois que le cuivre soit ionisé à partir du dissipateur de chaleur 2 en cuivre au cours des opérations du dispositif semi-conducteur, ce qui confére un aspect défectueux à la caractéristique électrique de l'élément semi-conducteur l D'autre part, étant donné que le cuivre est un matériau lourd et coûteux, le dispositif semi-conducteur à assembler devient inévitablement lourd et onéreux. La raison pour laquelle on utilisait le cuivre comme matériau de dis- sipateur de chaleur, malgré les inconvénients cités, est que l'aluminium qui est d'un faible poids et d'un bas prix est un matériau difficile à unir par soudure. La Demanderesse a procédé à des études et à des recherches très pous- sées pour mettre au point un meilleur procédé de dépt de la matière de soudure sur un matériau en aluminium, et elle a ainsi découvert qu'on peut déposer une matière de soudure sur un matériau en aluminium facilement et avec rigidité si l'on effectue les stades suivants: (A) activation de la surface du matériau en aluminium (B) substitution par le zinc de la surface activée de l'aluminium; (C) formation d'une pellicule de revgtement en nickel sur la surface substi- tuée par le zinc en utilisant un procédé de revêtement sans électrodes; et (D) dépôt de la matière de soudure sur la surface de la pellicule de revêtement en nickel. De cette façon, la présente invention a pu être réalisée. La présente invention a donc pour but de fournir un nouveau procédé de dépôt de soudure sur un matériau en aluminium d'une façon aussi facile qu'avec d'autres matériaux métalliques qu'on peut facilement unir avec la soudure. Selon un aspect général de la présente invention, un procédé de dépôt de soudure sur un matériau en aluminium consiste (a) à activer la surface du matériau en aluminium; (b) à remplacer par le zinc la surface d'aluminium activée; (c) à former une pellicule de revêtement en nickel sur la surface de la couche remplacée par le zinc sur le matériau en aluminium par une techni- que de revêtement sans électrodes; et (d) à fixer une matière de soudure sur la surface de la pellicule de revêtement de nickel. L'objet indiqué ainsi que d'autres, de mime que les stades du procédé pour le soudage d'un matériau en aluminium selon l'invention seront mieux com- pris à la lecture de la description détaillée qui sera donnée ci-après en liai- son avec un exemple concret et-en regard du dessin annexé dans lequel: -la figure 1 est une coupe transversale schématique montrant un dis- positif semi-conducteur dont l'élément semi-conducteur a été soudé à un dis- sipateur de chaleur classique en cuivre; et -les figures 2 et 3 sont des coupes transversales schématiques de dis- positifs semi-conducteurs qu'on peut fabriquer par le procédé selon l'invention. Dans ce qui suit, l'invention sera décrite particulièrement en se ré- férant aux figures 2 et 3 qui correspondent à des procéd Es représentatifs de soudure d'un élément semi-conducteur à un dissipateur de chaleur en aluminium. Tout d'abord, le traitement d'activation de surface selon le stade précité (a) peut se faire par application d'une solution d'acide nitrique à un dissipateur de chaleur 10 au cas o celui-ci est en aluminium pur, ou par appli- cation d'un liquide mixte d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique au dissi- pateur de chaleur si ce dernier est en alliage de silicium et d'aluminium, ou en application d'un liquide mixte d'acide sulfurique et d'acide nitrique au dissipateur de chaleur si celui-ci est en alliage de magnésium et d'aluminium, ou encore par immersion du dissipateur de chaleur dans un tel liquide de traite- ment qui correspond au matériau constitutif de chaque dissipateur de chaleur. Le traitement de substitution par le zinc du stade (b) peut se faire sur la surface activée du matériau en aluminium, par exemple comme suit: substitution par le zinc, substitution par un alliage de zinc et ainsi de suite, tous ces procédés étant des variantes du procédé de substitution par revêtement. A la suite de ce traitement, on obtient une couche 11 de substitution par le zinc sur la surface du matériau en aluminium métallique. On donne ci-après deux exemples d'un bain de revêtement pour le cas o l'on adopte le procédé de substitution par revêtement Il convient cependant de remarquer que le bain de revêtement n'est nullement limité à ces deux exemples. Bain de revêtement (I) Composant g/litre Sulfate de nickel 30 Sulfate de zinc ho Sulfate de cuivre 5 Hydroxyde de sodium 106 Sel de Seignette 40 Prussiate de potassium 10 Chlorure ferrique 2 Bain de revêtement (II) Composant g/litre Oxyde de zinc 100 Soude caustique 525 Sel de Seignette 10 Chlorure ferrique 10 Il est à signaler qu'il est possible que la couche à substitution par le zinc, une fôis formée, soit enlevée et une nouvelle couche de substitution par le zinc sera alors formée de la même façon que ci-dessus En outre, ces opérations de formation de la couche de substitution peuvent être faites de façon réitérée. Le stade de formation d'une pellicule de nickel (c) peut se faire par une teehnique de revêtement sans électrode sur la surface de la couche 11 substituée par le zinc et obtenue au stade (b), ce qui donne la pellicule de revêtement de nickel 12 Un liquide de revêtement approprié dans ce but peut par exemple être du type borure, du type acide hypophosphoreux, etc. Il est à remarquer que les conditions de l'opération de revêtement dans les stades (b) et (c) peuvent être celles qu'on adopte dans les travaux usuels de revêtement, par exemple, l'immersion du matériau en aluminium pendant 10 à 60 secondes à une température de 20 à 300 C pour le stade (b) et l'immer- sion pendant 10 à 60 secondes à une température de 60 à 950 C pour le stade (c). On peut ensuite souder l'élément semi-conducteur 1 par la technique usuelle sur la pellicule de revêtement de nickel 12 formée comme indiqué. Quand on utilise le procédé selon l'invention, on peut employer l'aluminium léger pour fabriquer un dissipateur de chaleur, ce qui permet de réduire le poids du dispositif tout entier et, d'autre part, étant donné que l'aluminium est un métal bon marché, les frais de fabrication du dispositif peuvent être réduits Enfin, puisque l'aluminium est facile à travailler, les travaux de mise en forme du dissipateur de chaleur deviennent faciles Il convient également de remarquer que la pellicule de revêtement en nickel 12 ne peut en aucune façon avoir un effet facheux sur l'élément semi-conducteur 1. Au cours des stades (b) et (c) du procédé selon l'invention, on forme à la fois la couche 11 substituée par le zinc et la pellicule de revêtement de nickel 12 Au cours de ces stades, on peut opter pour un procédé sans électrode et il en résulte que le traitement du matériau en aluminium peut se faire à l'aide d'une installation simple et en grosses quantités à chaque opération. Il convient de remarquer qu'il n'est pas indispensable que la couche de substitution par le zinc et la couche de revêtement de nickel soient formées sur la surface entière du matériau en aluminium, car il suffit de les former sur les seules parties o le soudage sera nécessaire Dans ce but il suffit de masquer les parties autres que celles nécessitant la soudure à l'aide de couches isolantes et on forme ensuite la couche de substitution par le zinc 11 et la pellicule de revêtement de nickel 12 sur les parties requises La figure 3 montre en coupe transversale schématique un dispositif semi-conducteur qu'on obtient de la façon indiquée. Selon ce procédé, puisque la couche de substitution par le zinc il et la pellicule de revêtement de nickel 12 sort form-ées seulemenz sur la partie o la soudure devra avoir lieu, on bénéficie de certains avantages en plus de ceux qui ont déjà été mentionnés, à savoir: la couche substituée par le zinc et la pellicule de revêtement de nickel ne sont pas exposées sur les parties du matériau métallique qui n'ont pas besoin d'être soudées et on empêche la corrosion électrolytique due au gradient de potentiel quand l'a- luminium constitue le dissipateur de chaleur 10. Pour mieux permettre aux spécialistes de comprendre l'invention, on donne ci-après un exemple concret. E,4 PLE On plonge un dissipateur de chaleur en u luminiua dans un mélange liqui- de d'acide fluorhydrique et d'acide nitrique (rapport en volume 50:30) pen- dant 5 à 10 secondes, pour activer ainsi la surface du matériau en aluminium. On plonge ensuite le dissipateur de chaleur dans le bain de revêtement (I) décrit plus haut pendant 10 à 60 secondes pour former la couche de substitu- tion par le zinc. On plonge le dissipateur de chaleur ainsi traité dans un bain de revêtement du type à bore ayant la composition ci-après pendant 1 heure pour former ainsi la pellicule de revêtement en nickel. Composant g/litre Chlorure de nickel 30 Hydroxyde de nickel 4 o Ethylènediamine 60 Fluorure de sodium 3 Borohydrure de sodium 0,5 Quand on soude un élément semi-conducteur sur la pellicule de revête- ment en nickel ainsi formée, la matière de soudure adhère facilement et rigide- ment à la pellicule de revêtement en nickel. Par le procédé selon l'invention, on peut effectuer le travail de soudure sur un matériau en aluminium qui est d'un faible poids et d'un prix modique, et il suffit pour cela d'activer la surface de l'aluminium, puis de former la couche de substitution par le zinc et ensuite la pellicule de revêtement de nickel; en outre le procédé est excellent en ce qui concerne sa mise en oeuvre car tous les stades de traitement peuvent se faire dans le cadre d'une installation simple et en grandes séries. Dans ce qui précède, on a explique le procédé selon l'invention prin- cipalement lorsqu'on l'applique à la soudure d'un élément semi-conducteur à un dissipateur de chaleur Il convient cependant de remarquer que ce procédé n'est pas uniquement applicable au cas indiqué mais aussi à tous les cas néces- sitant la soudure à l'aluminium. Il va de soi qu'on peut apporter diverses modifications au mode de réalisation préféré qui a été décrit, sans sortir pour cela du cadre de l'in- vention. REVENDICATIONS 1 Procédé de dépat de soudure sur un matériau en aluminium, caracté- risé en ce qu'il consiste (a) à activer la surface du matériau en aluminium; (b) à remplacer par le zinc la surface d'aluminium activée; (c) à former une pellicule de revêtement en nickel sur la surface de la couche remplacée par le zinc sur le matériau en aluminium par un technique de revêtement sans électro- des; et (d) à fixer une matière de soudure sur la surface de la pellicule de revêtement de nickel. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour effec- tuer le stade (b), on enlève la couche de substitution par le zinc qui a été formée et on effectue encore une fois le traitement de substitution par le zinc. 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue les stades (a) et/ou (b) et (c) dans un état dans lequel les parties autres que celles devant subir le stade (d) sont masquées par une couche isolante. 4 Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le stade (d) est un stade de soudage d'un élément semi-conducteur.