Brevet FR2783185A1 — publié le 20000317

ASSEMBLAGE METAL-NITRURE D'ALUMINIUM, AVEC PRESENCE DE NITRURE DE TERRE(S) RARE(S) A L'INTERFACE POUR ASSURER LE TRANSFERT THERMIQUE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un assemblage entre un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et un second élément en métal ou alliage métallique, qui permet d'assurer un bon transfert thermique entre les deux éléments. Un tel assemblage, dont la particularité est de bien conduire la chaleur entre les deux matériaux, peut être utilisé dans divers domaines o un transfert thermique élevé est nécessaire. Il peut être utilisé par exemple dans l'industrie de la micro-électronique et de l'électronique de puissance, ou encore dans tout système nécessitant une évacuation de chaleur entre un élément métallique et une céramique en nitrure d'aluminium. En effet, l'augmentation croissante de la densité des composants, en particulier de puissance, sur les circuits, génère des flux de chaleur de plus en plus importants. Les interfaces existant à l'heure actuelle entre éléments métalliques et céramiques ne permettent pas une évacuation suffisante de cette chaleur car l'interface entre les éléments constitue encore une barrière thermique. De ce fait, des systèmes complexes de refroidissement sont nécessaires. Etat de la technique antérieure On connaît des procédés d'assemblage entre éléments métalliques et éléments en nitrure d'aluminium au moyen de nitrure de titane ou de zirconium. Ainsi, le document: TOMSIA A.P. et ai, Reactions and Microstructure at Selected Ceramic/Metal Interfaces - Mater. Manuf. Process. 9, (3), 547-561, 1994 [1], illustre la réalisation d'une brasure entre des alliages argent-cuivre et un substrat céramique à base de nitrure d'aluminium, dans lequel on forme à l'interface entre la céramique et le métal un nitrure de titane ou de zirconium. Dans ce document, on étudie surtout le mouillage de la céramique par l'alliage argent-cuivre contenant du titane et non le transfert thermique à l'interface. Le document NICHOLAS M. G. et al, Some Observations on the Wetting and Bonding of Nitride Ceramics, J. Mater. Sci. 25, (6), 2679-2689, 1990 [2], montre également que des alliages de brasure à base d'argent, de cuivre et de titane mouillent des céramiques à base de nitrure d'aluminium et que la liaison obtenue qui contient du nitrure de titane est bonne. Comme précédemment, ce document ne se préoccupe pas du transfert thermique au niveau de l'interface. Le document JP-A-05 271 828 [3] illustre la métallisation d'un substrat en nitrure d'aluminium au moyen d'une composition comprenant du cuivre et 5 à % en poids de terres rares, ce qui permet d'obtenir une bonne liaison entre la couche de métallisation et le substrat de nitrure d'aluminium. Dans ce document, la couche de métallisation est formée à partir de poudres de cuivre et d'une terre rare, ce qui lors de l'application à l'air conduit inévitablement à la formation d'oxyde de terre rare ayant une conductibilité thermique très faible. Une telle liaison ne peut donc assurer un bon transfert thermique à l'interface. Le document JP-A-05 171 317 [4] illustre également la métallisation d'un substrat de nitrure d'aluminium au moyen d'un alliage de cuivre, avec 5 à % en poids de terre rare et 0,5 % à 10 % en poids d'un autre métal choisi parmi Fe, Co et Ni. On obtient ainsi une liaison forte entre le substrat de nitrure d'aluminium et la couche de métallisation avec une résistance élevée à l'oxydation et à la chaleur. Comme précédemment, ce document ne se préoccupe pas d'assurer un bon transfert thermique à l'interface entre un élément en céramique et un élément métallique. Ainsi, les documents précédents et la littérature relative à l'assemblage métal-céramique n'abordent pas le problème du transfert thermique à l'interface entre la céramique et le métal ou l'alliage métallique. Or, dans de nombreuses applications, ces assemblages doivent permettre une évacuation importante de chaleur. C'est le cas en particulier des applications électroniques pour lesquelles l'alumine est la céramique la plus largement utilisée à ce jour. L'alumine présente une conductibilité thermique de W/m.K alors que le nitrure d'aluminium présente une conductibilité thermique de 170 à 200 W/m.K. Cependant, jusqu'à présent le gain apporté par le nitrure d'aluminium sur l'alumine est très inférieur à ce que l'on pouvait espérer, en raison de la faible conduction thermique de l'interface métal-nitrure d'aluminium. Ceci peut s'expliquer par la présence à l'interface de composés mauvais conducteurs thermiques et de nombreux défauts. Dans le cas des interfaces comportant du nitrure de titane ou du nitrure de zirconium tels que ceux des références [1] et [2], ces nitrures ne permettent pas de contrôler le transfert thermique entre les deux éléments. En effet, ces nitrures ont un domaine d'existence en composition très large, comme il apparait dans le document: MASSALSKI T. B., Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd Edition, Vol. 1, pages 1084, 2714, 2707 et 2717, 1990, [5]. D'après le document: KOSOLAPOVA T. Ya, Handbook of High Temperature Compounds: Properties, Production, Application, Hemisphere Publishing Corporation, New York, p.179-180 et p. 383, 1990 [6], les formules de ces nitrures de titane et de zirconium sont TiNi-x avec x variant de 0 à 0,49 et ZrNl-x avec x variant de 0 à 0,2. Les données existantes des références [6] et [7] sur les conductibilités thermiques des nitrures de titane et de zirconium montrent que celles-ci varient notablement en fonction de la nature du nitrure formé. Ainsi, pour, TiN0,83 à 27 C, la conductibilité thermique est de 12,5 W/m.K.; pour TiN0,9, elle est de 30,5 W/m. K. et pour TiN de 41,8 W/m.K. Ainsi, la conductibilité thermique augmente avec la teneur en azote du nitrure. Dans le cas du zirconium, comme il ressort du document: Samsonov G.V. et VINITSKI I.M. Handbook of Refractory Compounds, Plenum Press, New York, p. 195, 1980, [7], la conductibilité thermique du nitrure ZrN0,92 est de 28,2 W/m.K à 27 C. Le problème posé par un interface réalisé à partir de ces nitrures est donc qu'il ne permet pas un contrôle de la conductibilité thermique en raison de la possibilité de former un nitrure à stoechiométrie variable. La présente invention a précisément pour objet un assemblage entre nitrure d'aluminium et métal ou alliage métallique, dans lequel on peut contrôler la composition de l'interface pour obtenir un transfert thermique élevé entre l'élément en nitrure d'aluminium et l'élément métallique ou en alliage métallique. Exposé de l'invention Aussi, l'invention a pour objet un assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, dans lequel l'interface entre les deux éléments comprend au moins un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium. Dans cet assemblage, l'interface est réalisé en un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium, qui présente une conductibilité thermique élevée et contrôlable car la composition des nitrures de terres rares ne peut varier dans des proportions importantes. En effet, classiquement, les nitrures de terre rare sont définis par la formule TrNl-x avec x = 0 à 0,1. Dans cet assemblage, le premier élément à base de nitrure d'aluminium peut être réalisé en un matériau choisi parmi le nitrure d'aluminium polycristallin, le nitrure d'aluminium monocristallin, un matériau composite nitrure d'aluminium-métal ou nitrure d'aluminium- céramique comportant au moins 40 % en volume de nitrure d'aluminium. Dans ces composites, le métal peut être par exemple le molybdène, et la céramique peut être par exemple le diborure de titane TiB2. Lorsque le premier élément est en nitrure d'aluminium monocristallin ou polycristallin, il peut s'agir d'une pièce massive ou d'un dépôt réalisé sur un autre support tel que le silicium. Le dépôt est avantageusement réalisé par dépôt en phase vapeur. Dans l'assemblage de l'invention, le second élément est en métal ou en alliage métallique bon conducteur de la chaleur. Ce second élément peut être réalisé avantageusement en cuivre ou en alliage de cuivre, par exemple en alliage de cuivre contenant au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt, Pd et Au. Le nitrure de terre rare inclus dans l'interface entre les deux éléments peut être un nitrure d'une ou plusieurs des terres rares appartenant à la série La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu. On peut aussi utiliser le nitrure de scandium et/ou le nitrure d'yttrium. L'assemblage entre les deux éléments peut être effectué: - par brasage simple, réactif ou utilisant des hydrures, ou - par métallisation (dépôt chimique ou physique en phase vapeur). Aussi, l'invention a également pour objet un procédé d'assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique. Selon un premier mode de réalisation, on utilise la technique de brasage, et le procédé comprend les étapes suivantes: a) disposer entre les deux éléments à assembler une feuille de brasure en alliage métallique comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium, et b) réaliser le brasage de l'ensemble ainsi obtenu à une température de 800 à 1050 C, éventuellement dans une atmosphère d'azote. Dans ce procédé, l'alliage métallique de la feuille est de préférence un alliage métallique compatible avec le second élément, auquel on ajoute le ou les métaux choisis parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium. Lorsque le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre, l'alliage métallique de la feuille est de préférence un alliage de cuivre comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium, et éventuellement un métal ou plusieurs métaux précieux choisis parmi Ag, Au, Pt et Pd. Généralement, la feuille de brasure en alliage métallique comprend jusqu'à 35 % en poids du métal appartenant à la famille des terres rares, du scandium et de l'yttrium, et de préférence 0,7 à 17 % en poids. La teneur en métal précieux peut varier de 0 à 72 % en poids. Dans ce procédé, on évite la formation d'oxydes de terres rares et d'aluminium en effectuant le brasage dans une atmosphère exempte d'oxygène. En effet, la présence d'oxygène dans l'interface est rédhibitoire car elle entraine inévitablement une baisse de la conductibilité thermique de l'assemblage par formation d'oxydes de terres rares et/ou d'aluminium qui ont des conductibilités thermiques faibles. Pour éviter la présence d'oxygène, il est important de réaliser les éléments à assembler, la feuille de brasure et le brasage en atmosphère exempte d'oxygène afin d'avoir des interfaces propres. Les métaux utilisés doivent être très purs et l'élément en nitrure d'aluminium peut être poli ou traité chimiquement avant assemblage pour s'affranchir de toute couche d'alumine en surface. La feuille de brasure utilisée dans ce premier mode de réalisation du procédé de l'invention peut être préparée à partir des métaux en élaborant par fusion l'alliage de brasage voulu qui est ensuite laminé à froid sous forme d'une feuille. L'alliage de brasage peut être élaboré par fusion par induction en creuset froid sous un très bon vide et refroidi rapidement. On peut aussi utiliser d'autres techniques telles que la trempe sur rouleau pour réaliser ces alliages. L'épaisseur de la feuille de brasure est généralement de 20 à 200 pm. On peut aussi réaliser l'assemblage conforme à l'invention en utilisant une technique de dépôt de la terre rare ou du nitrure de terre rare sur le premier élément de l'assemblage. Aussi, selon un second mode de réalisation du procédé de l'invention, celui-ci comprend les étapes suivantes: a) déposer sur le premier élément au moins un métal ou nitrure métallique choisi parmi les terres rares, le scandium, l'yttrium et leurs nitrures, sous une atmosphère à base d'azote, b) soumettre le premier élément ainsi revêtu à un traitement thermique à une température de 1000 à 1900 C pour faire réagir le dépôt avec le nitrure d'aluminium, éventuellement dans une atmosphère d'azote, c) disposer au-dessus de l'élément ainsi traité le second élément de façon qu'il soit en contact avec le dépôt, et d) soumettre l'ensemble à un second traitement thermique à une température de 800 à 1050 C. Selon un troisième mode de réalisation du procédé de l'invention, celuici comprend les étapes suivantes: a) déposer sur le premier élément au moins un nitrure métallique choisi parmi les nitrures de terres rares, d'yttrium et de scandium, b) disposer au contact du dépôt ainsi formé le second élément à assembler, et c) soumettre l'ensemble ainsi obtenu à un traitement thermique, à une température de 800 à 1050 C. Dans ces deux derniers modes de réalisation, on utilise une technique de dépôt pour former la brasure et la dernière étape correspond à un brasage. Dans le second mode de réalisation, on forme l'interface de l'assemblage en deux étapes, la température de la première étape étant choisie en fonction de la température de fusion de la terre rare utilisée pour faire réagir le dépôt avec le nitrure d'aluminium. Dans le troisième mode de réalisation, on applique directement le nitrure de terre rare à l'interface en une seule étape. Dans ces deux derniers modes de réalisation, on réalise le dépôt et le(s) traitement(s) thermique(s)sous une atmosphère exempte d'oxygène pour éviter la formation d'oxyde qui nuirait à la conductibilité thermique de l'interface. Comme précédemment, on évite aussi la présence d'oxygène sur les éléments à assembler. Le dépôt des métaux appartenant à la famille des terres rares, de l'yttrium et du scandium et/ou de leurs nitrures peut être effectué par des techniques classiques telles que le dépôt chimique ou physique en phase vapeur. Dans les deux derniers modes de réalisation décrits ci-dessus, le second élément peut être disposé au dessus du dépôt, soit sous forme massive, soit en formant directement cet élément au-dessus du dépôt par dépôt du métal ou de l'alliage métallique formant ce second élément. Dans le cas du cuivre ou des alliages de cuivre, la technique de dépôt peut être une technique classique telle que le dépôt en phase vapeur. Avec les procédés d'assemblage décrits ci- dessus, l'interface constitué entre le premier élément et le second élément de l'assemblage permet de réaliser un transfert thermique de l'un vers l'autre avec un minimum de pertes, en assurant une forte transmission et une réflexion minimale de la chaleur. Dans le cas o le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre, l'interface possède généralement la structure suivante: en se déplaçant du second élément vers le premier élément, on trouve successivement du cuivre ou son alliage, éventuellement une zone composée majoritairement de cuivre et d'intermétalliques cuivre/terre rare, une couche de nitrure de terre rare et du nitrure d'aluminium. Cet assemblage présente l'avantage de bien conduire la chaleur, ce qui permet une bonne conduction thermique du métal tel que le cuivre vers le nitrure d'aluminium. Ceci est réalisé d'abord par la compatibilité cristallographique des matériaux qui possèdent de faibles différences de paramètres de maille, ce qui permet une bonne accommodation des contraintes mécaniques dues à la différence de coefficient d'expansion thermique du cuivre ou de l'alliage de cuivre et du nitrure de terre rare, d'une part, et du nitrure de terre rare et du nitrure d'aluminium, d'autre part. Le cuivre a une conductibilité thermique de 400 W/m.K et celle de AlN est en pratique de 170 à 200 W/m.K. Le fait que le nitrure de terre rare formé à l'interface soit à stoechiométrie fixe, c'est-à-dire qu'il existe sur un domaine de composition très étroit contrairement au nitrure de titane et au nitrure de zirconium, contribue à la bonne conductibilité thermique de l'assemblage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif. Exposé détaillé des modes de réalisation Exemple 1 Dans cet exemple, on assemble une plaque de cuivre avec un substrat de nitrure d'aluminium polycristallin. Pour cet assemblage, on utilise le procédé de brasage en disposant entre le substrat de nitrure d'aluminium et la plaque de cuivre une feuille d'alliage de cuivre-yttrium d'environ 150 pm d'épaisseur comprenant 5,5 % en atome (7,5 % en poids) d'yttrium. On dispose la plaque de cuivre au- dessus de l'assemblage et on place au-dessus de cette plaque un poids en molybdène permettant d'assurer le contact mécanique entre le substrat, la feuille de brasure et la plaque de cuivre. On introduit alors l'ensemble dans un four sous-vide secondaire, qui a été balayé au préalable par un gaz inerte afin d'éliminer toute trace d'oxygène et d'eau, et on chauffe l'ensemble à 1000 C pendant 30 minutes. On obtient ainsi un assemblage de la plaque de cuivre et du substrat de nitrure d'aluminium qui présente une conductibilité thermique élevée. Exemple 2 Dans cet exemple, on assemble un substrat en nitrure d'aluminium polycristallin et une plaque de cuivre en suivant le même mode opératoire que dans l'exemple 1, mais on utilise pour la brasure une feuille d'alliage de cuivre et de dysprosium comprenant 4,1 % en atome (9,84 % en poids) de dysprosium. L'alliage est pré-élaboré par trempe sur rouleau et il se présente sous la forme d'une feuille de 40 pm d'épaisseur. On nettoie cette feuille dans un bain d'ultrasons à l'alcool, puis à l'acétone. Le substrat de nitrure d'aluminium a été poli au micron et nettoyé dans un bain d'ultrasons à l'alcool et à l'acétone juste avant la réalisation de l'assemblage. De même, la plaque de cuivre est décapée mécaniquement pour s'affranchir de toute couche d'oxyde de surface. Comme dans l'exemple 1, on empile le substrat en nitrure d'aluminium, la feuille d'alliage Cu-Dy et la plaque de cuivre, puis on réalise le brasage de l'ensemble dans un four sous-vide secondaire à une température de 1000 C, pendant 30 minutes. On obtient ainsi un assemblage avec une conductibilité thermique élevée. Exemple 3 Dans cet exemple, on réalise l'assemblage d'un substrat en nitrure d'aluminium obtenu par dépôt en phase vapeur et d'une plaque de cuivre en utilisant une feuille d'alliage cuivre-argent-dysprosium comprenant 5,75 % d'argent et 4,1 % en atome de dysprosium. L'alliage de la feuille est pré-élaboré en creuset froid, puis une partie est laminée pour fabriquer une feuille d'environ 150 pm d'épaisseur. On dispose successivement au-dessus du substrat de nitrure d'aluminium la feuille d'alliage cuivre-argent-dysprosium d'une épaisseur d'environ pm et la plaque de cuivre, et on place au-dessus un poids en molybdène pour assurer le contact mécanique entre les éléments. On réalise le brasage à 1000 C pendant 30 minutes, dans un four sous-vide secondaire comme dans les exemples précédents. L'assemblage obtenu présente de bonnes propriétés de transfert thermique. Références citées [1]: TOMSIA A.P. et al, Reactions and Microstructure at Selected Ceramic/Metal Interfaces - Mater. Manuf. Process. 9, (3), 547-561, 1994. [2]: NICHOLAS M. G. et al, Some Observations on the Wetting and Bonding of Nitride Ceramics, J. Mater. Sci. , (6), 2679-2689, 1990. [3]: JP-A-05 271 828. [4]: JP-A-05 171 317 [5]: MASSALSKI T.B., Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd Edition, Vol. 1, 2 and 33, p. 1084, 2707, 2714 et 2717, 1990. [6]: KOSOLAPOVA T. Ya, Handbook of High Temperature Compounds: Properties, Production, Application, Hemisphere Publishing Corporation, New York, p.179-180 et p. 383, 1990. [7]: Samsonov G.V. et VINITSKI I.M. Handbook of Refractory Compounds, Plenum Press, New York, p. 195, 1980. REVENDICATIONS 1. Assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, dans lequel l'interface entre les deux éléments comprend au moins un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium. 2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le premier élément est en un matériau choisi parmi le nitrure d'aluminium polycristallin, le nitrure d'aluminium monocristallin, un matériau composite métal-nitrure d'aluminium ou céramique- nitrure d'aluminium comportant au moins 40 % en volume de nitrure d'aluminium. 3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre contenant au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt, Pd et Au. 4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le nitrure de terre rare est le nitrure d'yttrium ou de dysprosium. 5. Procédé d'assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes: a) disposer entre les deux éléments à assembler une feuille de brasure en alliage métallique comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium, et b) réaliser le brasage de l'ensemble ainsi obtenu à une température de 800 à 1050 C. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise le brasage dans une atmosphère d'azote. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'alliage métallique de la feuille est un alliage de cuivre comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium. 8. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'alliage métallique de la feuille est un alliage de cuivre, d'au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Au, Pt et Pd, et d'au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l'yttrium. 9. Procédé pour assembler un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium à un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes: a) déposer sur le premier élément au moins un métal ou nitrure métallique choisi parmi les terres rares, le scandium, l'yttrium et leurs nitrures, sous une atmosphère à base d'azote, b) soumettre le premier élément ainsi revêtu à un premier traitement thermique à une température de 1000 à 1900 C pour faire réaqir le dépôt avec le nitrure d'aluminium, c) disposer au- dessus de l'élément ainsi traité le second élément de façon qu'il soit en contact avec le dépôt, et d) soumettre l'ensemble à un second traitement thermique à une température de 800 à 1050 C. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on réalise le premier traitement thermique dans une atmosphère d'azote. 11. Procédé pour assembler un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium à un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes: a) déposer sur le premier élément au moins un nitrure métallique choisi parmi les nitrures de terres rares, d'yttrium et de scandium, b) disposer au contact du dépôt ainsi formé le second élément à assembler, et c) soumettre l'ensemble ainsi obtenu à un traitement thermique, à une température de 800 à 1050 C. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel on dispose le second élément à assembler sur le premier élément muni dudit dépôt, en formant directement ce second élément au- dessus dudit dépôt par dépôt du métal ou de l'alliage métallique destiné à former ce second élément. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, dans lequel le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre et d'au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt, Pd et Au.