Brevet FR2617639A1 — publié le 19890106

PROCEDE DE FABRICATION D'UN CIRCUIT DE PUISSANCE COMPORTANT UN SUBSTRAT A BASE D'ALUMINE ET CIRCUIT OBTENU PAR CE PROCEDE Lt invention concerne un procédé de fabrication d'un circuit de puissance comportant une semelle métallique formant un radiateur thermique, un substrat à base d'alumine et au moins un élément actif de puissance porté par ledit substrat. On connait des circuits hybrides à couche épaisse dans. lesquels des encres conductrices, résistives ou isolantes sont déposées sélectivement, par sérigraphie, sur un substrat à base d'alumine, des composants actifs, transistors, diodes, circuits intégrés, étant ensuite soudés ou collés sur l'ensemble. Ces circuits sont satisfaisants tant que la puissance dissipée ne depasse pas 30 W environ par semiconducteur, c'est à dire pour des signaux de faible et de moyenne puissance. Mais la résistance thermique d'un circuit hybride classique reste à un niveau tel que pour des puissances élevées, la température des composants actifs est élevée ce qui diminue leur fiabilité et dégrade certains de leurs paramètres électriques. Il a été proposé de réaliser un circuit de puissance comportant un substrat à base d'alumine, dans lequel le substrat d'alumine est recouvert sur ses deux faces par une couche de cuivre. Ce double placage de cuivre sur la couche d'alumine est réalisé par exemple par un procédé de liaison directe du cuivre sur l'alumine à haute température. L'ensemble ainsi obtenu est fixé par soudage sur une semelle rigide et épaisse, en cuivre, destinée à servir de radiateur thermique pour le circuit de puissance. Le circuit est ensuite complété par gravure de la couche de cuivre opposée à la semelle de manière à former les pistes conductrices désirées et par soudure sur ces pistes conductrices de pastilles semi-conductrices et d'éléments de connexion.On a constaté que dans un circuit ainsi fabriqué, la résistance thermique de la couche d'alumine peut constituer environ la moitié de la résistance thermique de l'ensemble. Or, l'alumine étant cassante, il n'est pas possible de trop réduire l'épaisseur de la couche d'alumine devant être plaquée. De plus lors de la fixation du substrat d'alumine plaqué sur la semelle, la brasure de la couche de cuivre plaquée sur le substrat et de la semelle en cuivre conduit souvent à la formation de bulles d'air qui augmentent encore la résistance thermique de l'ensemble. La présente invention a pour but un procédé de fabrication d'un 'circuit de puissance comportant un substrat à base d'alumine permettant d'éviter ces inconvénients. Ce but est atteint par le procédé selon la présente invention qui consiste à projeter sur la semelle métallique une couche très fine d'alumine, de manière à former ledit substrat, à déposer par métallisation une couche de cuivre sur le substrat, puis à souder sur la couche de cuivre au moins une pastille semi-conductrice constituant ledit élément actif de puissance. Ce procédé ne nécessite plus de brasure entre une couche de cuivre et la semelle métallique et évite donc la formation de bulles d'air. De plus, il est ainsi possible d'utiliser un substrat d'alumine beaucoup plus fin tout en écartant les problèmes liés à la fragilité d'un tel substrat, celui-ci étant toujours supporté par la semelle. Ce procédé permet de fabriquer des circuits de puissance comportant un substrat à base d'alumine permettant de dissiper des puissances de l'ordre de la centaine de watts. Un tel circuit peut constituer, par exemple, l'étage de sortie d'un circuit hybride, dont les parties de faible et moyenne puissance sont réalisées par la technique classique des circuits hybrides à couche épaisse, plusieurs plaquettes d'alumine étant soudées ou collées côte à côte sur la même semelle, et la partie puissance du circuit étant réalisée sur la même semelle, selon la présente invention. L'invention concerne également un circuit de puissance fabriqué selon le procédé, selon l'invention et comportant une semelle métallique, un substrat constitué par une fine couche d'alumine déposée sur ladite semelle, une couche de cuivre déposée sur ledit substrat, et au moins une pastille semi-conductrice constituant un élément actif de puissance, soudée sur la couche de cuivre. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en élévation du circuit selon l'invention; - la figure 2 représente une coupe selon I-I de la figure 1; la figure 3 représente une vue de dessus du circuit de la figure 1. Selon l'invention, un substrat d'alumine 10 est réalisé par projection d'une fine couche d'alumine directement sur une semelle métallique 12 formant un radiateur thermique pour le circuit de puissance. La semelle métallique 12 est rigide et relativement épaisse, en un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et présentant un coefficient de dilatation pas trop différent de celui de l'alumine. Dans un mode de réalisation préférentiel, la semelle est en cuivre. Cependant une telle semelle est relativement lourde et il peut être préférable d'utiliser un autre métal plus léger, par exemple l'aluminium. L'alumine, sous forme de poudre, peut être projetée sur la semelle métallique au moyen d'un canon à détonation ou au moyen d'une torche à plasma. L'épaisseur du substrat d'alumine est déterminée en fonction de la tenue diélectrique désirée. Sa réalisation par projection directement sur la semelle métallique permet de réduire notablement l'épaisseur nécessaire pour le substrat, et en conséquence de réduire sa résistance thermique. A titre d'exemple, nullement limitatif, on notera que tandis que les substrats d'alumine connus plaqués de part et d'autre avaient typiquement une épaisseur voisine de 635 microns, l'épaisseur du substrat d'alumine selon l'invention peut être voisine de 200 microns, et même inférieure à cette valeur en tenant compte de la tension électrique de claquage désirée sans que cette faible épaisseur ne pose de problèmes de fragilité, l'alumine étant toujours supportée par la semelle métallique. Les plages conductrices du circuit sont ensuite formées par dépôt d'une couche de cuivre 14 sur le substrat 10. Cette couche, obtenue par métallisation, c'est à dire par un procédé additif, comporte de préférence plusieurs plages distinctes, isolées les unes des autres par le substrat d'alumine, ainsi que cela est représenté plus en détail sur la figure 3. La configuration particulière de la couche 14 d'un circuit donné est obtenue au moyen de caches disposés sur le substrat lors de sa métallisation. Les pastilles semi-conductrices 16 constituant les éléments actifs de puissance de circuit ainsi que les éléments de connexion en cuivre 18 sont ensuite soudés sur la couche de cuivre 14. La soudure est réalisée de préférence par brasure à l'aide d'une soudure tendre 20 à base de plomb, d'étain, d'argent et d'indium. Il est possible de braser une couche de molybdène entre la pastille semi-conductrice et le cuivre afin de limiter les contraintes mécaniques dues à la différence entre les coefficients de dilatation des matériaux (silicium et cuivre). Le cablage des pastilles semi-conductrices, généralement en silicium, est réalisé en reliant les plages de sortie de chaque pastille aux plages correspondantes prévues dans la couche de cuivre 14 au moyen de fils métalliques 22, de préférence en aluminium ou au moyen de pontets en cuivre (24). REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un circuit de puissance comportant une semelle métallique (12) formant un radiateur thermique, un substrat (10) à base d'alumine et au moins un élément actif de puissance (16) porté par ledit substrat, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à projeter sur la semelle métallique (12) une couche très fine d'alumine, de manière à former ledit substrat (10), à déposer par métallisation une couche (14) de cuivre sur le substrat, puis à souder sur la couche de cuivre (14) au moins une pastille semi-conductrice (16) constituant ledit élément actif de puissance. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt par métallisation de la couche de cuivre (14) est réalisée au moyen d'un cache de manière à constituer plusieurs plages distinctes isolées les unes des autres par le substrat d'alumine '(10). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'alumine, sous forme de poudre, est projetée au moyen d'une torche à plasma 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'alumine, sous forme de poudre, est projetée au moyen d'un canon à détonation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pastilles semi-conductrices (16) sont soudées par brasure sur la couche de cuivre (14). 6. procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des éléments de connexion (18) sont soudés par brasure sur la couche de cuivre (14). 7. Circuit de puissance fabriqué par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une semelle métallique (12), un substrat constitué par une fine couche d'alumine (10) déposée sur ladite semelle, une couche de cuivre (1 4) déposée sur ledit substrat, et au moins une pastille semi-conductrice (16), constituant un élément actif de puissance, soudée sur la couche de cuivre. 8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat d'alumine a une épaisseur voisine de 200 microns.