Brevet FR2689315A1 — publié le 19931001

Procédé de fabrication d'un substrat pour l'électronique de puissance et substrat obtenu par ce procédé La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un substrat pour l'électronique de puissance et un substrat obtenu par ce procédé, c'est-à-dire un substrat à base d'une céramique électriquement isolante, mais conductrice de la chaleur, telle que par exemple BeO, BN, A1203, A1N etc.... Un tel substrat a notamment pour fonction de dissiper la chaleur provenant des composants électroniques qu'il supporte. On connait plusieurs procédés de réalisation d'un tel substrat. Selon un premier procédé connu, on part d'une poudre de céramique, que l'on met en forme, que l'on fritte, que l'on usine et que l'on solidarise à une plaque en métal bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre. Cette solidarisation se fait par brasage, ou par la technique dite "DBC" (Direct Bonding Copper). Les articles suivants divulguent un tel procédé: - " Aluminium nitride : a versatile but challenging material" par L. M. SHEPPARD. Ceramic bulletin, vol. 69, 1990, 11 (p. 1801 à 1812) - " A1N substrates with high thermal conductivity" par Y. Kurokawa et al ; IEEE transactions on components, hybrids, and manufacturing technology, vol. CHMT -8, 1985, 2 (p. 247 à 252). - " High thermal conductivity aluminium nitride ceramic substrates and packages" par F. Miyashiro et al; IEEE transactions on components, hybrids, and technology, vol. 13, 1990, 2 (p. 313 à 319). Les substrats ainsi réalisés comprennent une couche de céramique en nitrure d'aluminium dont l'épaisseur est supérieure à 0,5 mm. Cette épaisseur étant importante et le cuivre étant meilleur conducteur thermique que la céramique, c'est cette dernière qui limite la dissipation de la chaleur. Un autre inconvénient de tels substrats réside dans le fait qu'il est très difficile d'obtenir des conductivités thermiques reproductibles et proches des valeurs théoriques car la conductivité thermique de la céramique est très dépendante de son mode de fabrication, en particulier de son frittage. Un second procédé connu, et a priori plus prometteur, consiste à déposer sur une feuille de cuivre une couche mince en verre d'épaisseur comprise entre 50 tcm et 300 clam. I1 est décrit dans l'article "The high thermal conductive ceramic coated substrate" par H. Okamura et al.; Proceedings of the 1987 international symposium on micorelectronics (Mineapolis), (p. 386 à 391). Le dépôt du verre est effectué par fusion, et présente donc l'inconvénient de nécessiter une température de l'ordre de 900"C. Il est alors indispensable, pour éviter l'oxydation de cuivre de mettre en oeuvre une couche intermédiaire en nickel. Du fait de la faible conductivité thermique du verre, un substrat selon ce second procédé ne permet pas de dissiper la chaleur de manière plus efficace que le substrat à couche de céramique épaisse obtenu avec le premier procédé. La présente invention a pour but de mettre en oeuvre un procédé simple et reproductible permettant de réaliser un substrat ayant de meilleures performances thermiques que les substrats connus. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un substrat pour l'électronique de puissance comprenant une couche de céramique électriquement isolante et conductrice de la chaleur, solidarisée à une couche en un métal bon conducteur de la chaleur, caractérisé par le fait que l'on part d'une plaque en ledit métal bon conducteur de la chaleur et que l'on dépose sur cette plaque, par ablation laser à partir d'une cible, ladite céramique électriquement isolante et conductrice de la chaleur sur une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 50 ym. De préférence l'épaisseur de ladite couche de céramique est comprise entre 2 zm et 10 zm; ladite plaque peut présenter une épaisseur de plusieurs millimètres. Ce procédé permet d'opérer avec des céramiques réfractaires à des températures inférieures ou égales à 6000 C, c'est-à-dire très inférieures à celles du premier procédé connu précité; il n'est donc pas nécessaire de protéger la plaque de cuivre. Le procédé selon l'invention permet par ailleurs d'éviter la brasure existant dans les substrats antérieurs, ce qui améliore encore la dissipation de la chaleur. Les qualités de la couche de céramique déposée sont reproductibles et la surface de cette couche présente un état de finition tel qu'aucune étape supplémentaire d'usinage n'est nécessaire. Selon une variante, et préalablement au dépôt de ladite céramique, on réalise par ablation laser à partir d'une cible métallique une sous-couche métallique d'accrochage dont l'épaisseur est comprise entre 0,25 zm et 5 tcm et dont le matériau est choisi parmi l'aluminium, le béryllium et le bore. Dans le cas d'une couche en nitrure d'aluminium, il peut s'agir par exemple d'une sous-couche d'accrochage en aluminium dont l'épaisseur est de l'ordre de 1 clam. Le procédé selon l'invention permet, sans aucune étape supplémentaire et par simple interposition de masques, de réaliser facilement ladite couche de céramique de manière localisée sur ladite plaque métallique. Si cela est nécessaire, le procédé selon l'invention peut être complété par les dépôts successifs de couches par ablation laser, couches conductrices ou isolantes selon l'application envisagée; on choisira alors les masques appropriés et les cibles correspondantes. La présente invention a également pour objet un substrat comprenant une plaque métallique épaisse et une couche en céramique réfractaire dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 m et 50 ym, et de préférence comprise entre 2 m et 10 zm. La céramique peut être A1203, BeO, BN, AlN; le métal de ladite plaque est de préférence le cuivre. Par sa structure, et en particulier grâce à la finesse de sa couche en céramique, un tel substrat améliore notablement la dissipation de la chaleur émise par les composants qu'il supporte; ceci entraîne vis-à-vis des substrats connus, soit une diminution de volume avec un gain au niveau de la quantité de matière première, soit un accroissement de la quantité des composants électroniques qu'il peut supporter. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé - La figure 1 montre très schématiquement un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. - La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un substrat selon l'invention. On voit dans la figure 1 un bâti 9 pour ablation laser associé à un groupe de pompage 6 permettant un vide de 10-7 torr. Un dispositif mécanique 4 supporte une cible 3 en céramique frittée, par exemple en nitrure d'aluminium; le dispositif mécanique 4 est susceptible d'entraîner en rotation et en translation la cible 3 vis-à-vis d'un faisceau laser 5 de manière à ce qu'elle soit irradiée de manière homogène. Le faisceau 5 peut être focalisé ou non sur la cible. Son angle d'incidence moyen sur cette dernière est de préférence compris entre 40 et 90 On peut utiliser un laser ultra-violet émettant des impulsions de longueur d'onde comprise par exemple entre 157 nm et 353 nm et présentant une énergie comprise entre 0,06 joule et 2 joules. La cible 3 doit être dense avec une porosité, résiduelle comprise entre 0,5% et 5%, afin d'éviter toute dégradation mécanique sous le faisceau 5. En outre, cette cible doit être homogène en microstructure et en composition chimique. Le panache de nitrure d'aluminium enlevé de la cible 3 est référencé 7. Parallèlement à la cible 3, et à une distance comprise entre 5 et 30 cm, est disposée une plaque de cuivre 1 d'épaisseur 8 mm environ. Sa surface 10 destinée à recevoir la couche de nitrure d'aluminium doit être particulièrement propre et avoir la rugosité la plus faible possible (inférieure à 0,05 ym). La préparation de la surface 10 peut être obtenue mécaniquement ou chimiquement. Elle peut être aussi obtenue directement dans le bâti d'ablation 9 par irradiation directe par le faisceau laser 5. La plaque 1 est chauffée par un dispositif 2 à une température inférieure ou égale à 600ex pendant toute la phase de dépôt, de manière à faciliter et à contrôler la croissance de la couche de céramique sur la surface 10. A titre d'exemple, cette couche présente une épaisseur de l'ordre de 10 ym. On a représenté en outre très schématiquement dans le bâti d'ablation 9 deux cibles auxiliaires 8 et 8', par exemple métalliques, susceptibles d'être irradiées par le faisceau 5 correctement orienté sur elles. Elles peuvent être utilisées pour déposer une sous-couche métallique d'accrochage sur la surface 10 avant l'application de la couche de nitrure d'aluminium, ou pour déposer des couches supplémentaires sur la couche de nitrure d'aluminium (en or par exemple). Divers masques adaptés peuvent être interposés entre le panache et la surface réceptrice en vue de la formation de structures multicouches. Un substrat 20 selon l'invention, visible dans la figure 2, comprend la plaque 1, une sous-couche d'accrochage 12 en aluminium d'épaisseur 1 tcm environ, et une couche 13 de nitrure d'aluminium d'épaisseur 10 m environ. Ce substrat 20 porte un transistor de puissance schématisé par la boîte 15 et solidarisé par une brasure 14 au substrat 20. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication d'un substrat pour l'électronique de puissance comprenant une couche de céramique électriquement isolante et conductrice de la chaleur, solidarisée à une couche en un métal bon conducteur de la chaleur, caractérisé par le fait que l'on part d'une plaque en ledit métal bon conducteur de la chaleur et que l'on dépose sur cette plaque, par ablation laser à partir d'une cible, ladite céramique électriquement isolante et conductrice de la chaleur sur une épaisseur comprise entre 0,5 ym et 50 ym. 2/ Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'épaisseur de ladite couche de céramique est comprise entre 2 m et 10 ym. -3/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite plaque présente une épaisseur de plusieurs millimètres. 4/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que, pendant le dépôt de ladite céramique ladite plaque métallique est chauffée à une température inférieure ou égale à 6000 C. 5/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que, préalablement au dépôt de ladite céramique, on réalise par ablation laser à partir d'une cible métallique une sous-couche métallique d'accrochage dont l'épaisseur est comprise entre 0,25 m et 5 m et dont le matériau est choisi parmi l'aluminium, le bore et le béryllium. 6/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que, postérieurement au dépôt de ladite couche en céramique, on dépose sur cette dernière par ablation laser à partir d'au moins une autre cible, au moins une autre couche. 7/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un masque est interposé entre ladite cible et ledit substrat. 8/ Substrat pour l'électronique de puissance obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 9/ Substrat pour l'électronique de puissance selon la revendication 8, comprenant une plaque de cuivre d'épaisseur égale à plusieurs millimètres et une couche d'épaisseur comprise entre 0,5 m et 50 m en une céramique réfractaire choisie parmie Al203, BeO, BN, AlN.