Brevet FR2844097A1 — publié le 20040305

Contexte de l'invention Domaine de l'invention La présente invention concerne une plaque à faible dilatation, en particulier, une plaque à faible dilatation 5 utilisée en tant que dissipateur de chaleur d'un dispositif à semi-conducteur ou similaire. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de la plaque à faible dilatation mentionnée cidessus et un dispositif à semiconducteur utilisant la 10 plaque à faible dilatation mentionnée cidessus. Description de l'art antérieur Une structure d'un dispositif à semi-conducteur conventionnel est représentée sur la figure 6. Sur une surface d'un substrat 1 fait de A1, une couche isolante 2 5 est formée. Un élément semi-conducteur 4 est fixé par brasure 3 sur une couche de connexions (non représentée) formée sur la surface de la couche isolante 2. Avec le substrat 1 fait de Al qui a une excellente conductivité thermique, la chaleur générée dans l'élément 10 semi-conducteur 4 est transmise par l'intermédiaire de la couche isolante 2 au substrat 1 et est ensuite efficacement diffusée du substrat 1 vers l'extérieur. Cependant, un matériau semi-conducteur tel que Si qui est utilisé dans l'élément semi-conducteur 4 a un faible 15 coefficient de dilatation thermique, tandis que Al constituant le substrat 1 a un coefficient de dilatation thermique élevé. Il est connu que la différence de coefficient de dilatation thermique provoque une contrainte thermique entre le substrat 1 et l'élément semi-conducteur 4 20 après une variation de température. Lorsque la contrainte thermique devient importante, il apparaît un risque que l'élément semi-conducteur 4 soit voilé et que la brasure 3 pour fixer l'élément semi-conducteur 4 soit fissuré. Comme décrit sur la figure 7, dans une tentative de soulager 25 cette contrainte thermique, les dispositifs à semiconducteur utilisés dans un environnement avec une large plage de température, par exemple, dans les automobiles, ont un dissipateur de chaleur 5 installé entre l'élément semiconducteur 4 et la couche isolante 2. Comme décrit sur la figure 8, par exemple, un élément composite est utilisé en tant que dissipateur de chaleur 5, dans lequel les deux surfaces d'une plaque perforée 6 faite d'Invar et ayant une pluralité de trous de passage H sont entourées par un élément de Cu 7. L'Invar constituant la plaque perforée 6 est un alliage ayant un coefficient de 5 dilatation thermique extrêmement faible, qui ne présente pratiquement pas de dilatation thermique autour de la température ambiante. Par conséquent, l'élément semiconducteur 4 est monté sur le dissipateur de chaleur 5 pour réduire ainsi la contrainte thermique. De plus, l'élément de 10 Cu 7 supérieur en terme de conductivité thermique pénètre dans chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6, de telle manière que la propriété de rayonnement thermique soit assurée par l'utilisation de l'élément de Cu 7. Cependant, comme décrit sur la figure 8, l'élément de Cu 7 15 dans une partie A dans laquelle le trou de passage H est formé dans la plaque perforée 6 est formé avec une épaisseur supérieure correspondant à l'épaisseur de la plaque perforée 6 par rapport à l'élément de Cu 7 dans une partie B dans laquelle l'Invar constituant la plaque perforée est présent. En conséquence, lorsque l'élément de Cu 7 subit une dilatation thermique lors d'une augmentation de température, comme décrit sur la figure 9, le degré de déformation thermique de la partie A dans laquelle le trou de passage H de la plaque perforée 6 est formé devient plus élevé que 25 celui de la partie restante B dans la direction de l'épaisseur. En conséquence, une contrainte de cisaillement se développe dans la direction de l'épaisseur, ce qui crée un risque que la brasure 3 utilisée pour la fixation des deux surfaces au dissipateur de chaleur 5 soit fissurée. Résumé de l'invention La présente invention a été réalisée pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, et un objectif de la présente invention est donc de proposer une plaque à faible dilatation capable d'éviter qu'une contrainte de cisaillement se développe dans la direction de l'épaisseur de celle-ci. De plus, un autre objectif de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une plaque à faible dilatation pour obtenir la plaque à faible dilatation mentionnée ci-dessus, et un dispositif à semiconducteur utilisant la plaque à faible dilatation. Une plaque à faible dilatation selon la présente invention comprend: une plaque perforée plane de matériau à faible dilatation dans laquelle une pluralité de trous de passage sont formés; et un élément métallique remplissant l'intérieur des trous de passage respectifs de la plaque perforée et entourant les deux surfaces de la plaque perforée, sur au moins l'une des deux surfaces de l'élément métallique, l'une parmi une partie concave et une partie 20 convexe étant formée dans chaque partie correspondant à chacun des trous de passage de la plaque perforée, tandis que l'autre parmi la partie concave et la partie convexe étant formée dans chaque partie correspondant à une zone autre que les trous de passage de la plaque perforée, toutes 25 les parties convexes étant identiques en terme de coefficient de dilatation thermique dans la direction de l'épaisseur de la plaque. De plus, un procédé de fabrication d'une plaque à faible dilatation selon la présente invention comprend: l'agencement d'une plaque métallique plane sur chacune des deux surfaces d'une plaque perforée plane faite de matériau à faible dilatation dans laquelle une pluralité de trous de passage sont formés; l'agencement d'un élément protecteur sur chaque surface des plaques métalliques faisant face à la plaque perforée; la pressurisation des éléments protecteurs depuis chaque surface de ceux-ci faisant face aux plaques métalliques pour déformer les plaques métalliques vers l'intérieur des trous 10 de passage respectifs de la plaque perforée et pour fixer les plaques métalliques sur les deux surfaces de la plaque perforée; et le retrait des éléments protecteurs depuis les surfaces extérieures des plaques métalliques. De plus, un dispositif à semi-conducteur selon la présente invention comprend: une plaque à faible dilatation; et un élément semi-conducteur disposé sur la partie concave et la partie convexe formées sur la surface de l'élément 20 métallique de la plaque à faible dilatation. Brève description des dessins La figure 1 est une vue en coupe représentant une structure d'une plaque à faible dilatation selon le mode de réalisation 1 de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe représentant une structure d'un dispositif à semi-conducteur utilisant la plaque à faible dilatation selon le mode de réalisation 1; les figures 3a et 3b sont des vues en coupe illustrant un procédé de fabrication de la plaque à faible dilatation selon le mode de réalisation 1; la figure 4 est une vue en coupe représentant une 5 d'une plaque à faible dilatation selon le réalisation 2 de la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe représentant une d'un dispositif à semi-conducteur utilisant la faible dilatation selon le mode de réalisation 2; la figure 6 est une vue en coupe représentant une d'un dispositif à semi-conducteur conventionnel; structure mode de structure plaque à structure la figure 7 est une vue en coupe représentant une structure d'un autre dispositif à semi-conducteur conventionnel; la figure 8 est une vue en coupe représentant une structure 15 d'un dissipateur de chaleur du dispositif à semi-conducteur de la figure 7; et la figure 9 est une vue en coupe représentant un état du dissipateur de chaleur lors d'une augmentation de température dans le dispositif à semiconducteur de la 20 figure 7. Description des modes de réalisation préférés Mode de réalisation 1 La section d'une plaque à faible dilatation 10 selon le mode de réalisation 1 est représentée sur la figure 1. Une plaque 25 perforée plane 6 faite d'Invar et ayant une pluralité de trous de passage H dans celle-ci est entourée par un élément de Cu 7. L'élément de Cu 7 remplit l'intérieur des trous de passage respectifs H de la plaque perforée 6 et entoure les deux surfaces de la plaque perforée 6. L'élément de Cu 7 a une partie concave 8 formée dans chaque partie A correspondant à chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6 et une partie convexe 9 formée dans chaque partie B dans laquelle l'Invar constituant la plaque perforée 6 est présent sur les deux surfaces de celle-ci. La figure 2 représente la structure d'un dispositif à semiconducteur dans lequel la plaque à faible dilatation 10 ayant la structure mentionnée ci-dessus est utilisée en tant que dissipateur de chaleur. Une couche isolante 2 est formée 10 sur la surface d'un substrat 1 fait de Al. La surface inférieure de l'élément de Cu 7 de la plaque à faible dilatation 10 est fixée par une brasure 3 sur une couche de connexions (non représentée) formée sur la surface supérieure de la couche isolante 2. De plus, un élément semi-conducteur 4 est fixé par une autre brasure 3 sur la surface supérieure de l'élément de Cu 7 de la plaque à faible dilatation 10. Dans le présent contexte, l'élément de Cu 7 de la plaque à faible dilatation 10 comprend les parties concaves 8 et les 20 parties convexes 9 formées sur les deux surfaces de celui-ci. Par conséquent, seules les parties convexes 9 sont en contact avec la brasure 3, et les parties concaves 8 sont en étanchéité avec la surface de la brasure 3 pour former des parties de vide 11. C'est-à-dire que chaque partie de 25 l'élément de Cu 7 fixée à la brasure 3 correspond à la partie B dans laquelle l'Invar constituant la plaque perforée 6 est présent, et a un coefficient de dilatation thermique identique dans la direction de l'épaisseur. En conséquence, même lorsque la dilatation thermique est 30 provoquée dans l'élément de Cu 7 de la plaque à faible dilatation 10 lors d'une augmentation de température, les degrés de déformation thermique des parties fixées à la brasure 3 dans la direction de l'épaisseur sont égaux les uns aux autres, de telle manière qu'aucune contrainte de cisaillement dans la direction de l'épaisseur ne soit générée. Par conséquent, la fissuration de la brasure 3 utilisée pour la fixation des deux surfaces de la plaque à faible dilatation 10 peut être évitée. De plus, l'élément de Cu 7 de la plaque à faible dilatation 10 a une conductivité thermique supérieure. Par conséquent, 10 la chaleur générée dans l'élément semi-conducteur 4 se propage à l'élément de Cu 7 dans la partie B fixée à l'élément semi-conducteur 4 avec la brasure 3. Et la chaleur traverse l'élément de Cu 7 dans la partie A contiguÙ, puis se propage à nouveau à l'élément de Cu 7 dans la partie B. 15 Après cela, la chaleur traverse la couche isolante 2 fixée à l'élément de Cu 7 dans la partie B avec la brasure 3, puis se propage au substrat 1. Etant donné que le substrat 1 est fait de Al qui est supérieur en terme de conductivité thermique, la chaleur est efficacement diffusée depuis le 20 substrat 1 vers l'extérieur. Ci-après, un procédé de fabrication de la plaque à faible dilatation 10 mentionnée ci-dessus est décrit. Comme décrit sur la figure 3a, une plaque de Cu 12 est agencée sur chacune des surfaces de la plaque perforée 6 ayant une 25 pluralité de trous de passage formés dans celle- ci. De plus un élément protecteur plane 13 est agencé sur chacune des surfaces extérieures des plaques de Cu 12, c'est-à-dire, sur chaque surface faisant face à la plaque perforée 6. A ce stade, pour le matériau de l'élément protecteur 13, il est 30 préférable d'utiliser, par exemple, Fe ou Al pur ayant un module de Young inférieur à celui de l'Invar constituant la plaque perforée 6 et celle de Cu qui est le matériau de la plaque de Cu 12. Ensuite, les plaques de Cu 12 sont déformées par la pressurisation depuis les surfaces des éléments protecteurs 5 13 faisant face aux plaques de Cu 12. Comme décrit sur la figure 3b, les plaques de Cu 12 sont déformées de manière à pénétrer dans les trous de passage H de la plaque perforée 6, de telle manière que l'élément de Cu 7 fixé aux deux surfaces de la plaque perforée 6 soit formé. Après cela, les 10 éléments protecteurs 13 sont détachés et retirés des surfaces extérieures de l'élément de Cu 7. En conséquence, comme décrit sur la figure 1, la plaque à faible dilatation 10 est fabriquée, dans laquelle les parties concaves 8 et les parties convexes 9 sont formées sur les surfaces de 15 celle-ci. L'épaisseur de la plaque à faible dilatation 10 est, de préférence, de 0,1 à 5 mm. Mode de réalisation 2 Sur la figure 4, la section d'une plaque à faible dilatation 14 selon le mode de réalisation 2 est représentée. De 20 manière similaire à la plaque à faible dilatation 10 selon le mode de réalisation représentée sur la figure 1, la plaque à faible dilatation 14 comprend: la plaque perforée plane 6 faite d'Invar et ayant une pluralité de trous de passage H formés dans celle-ci; et l'élément de Cu 7 25 recouvrant les deux surfaces de la plaque perforée 6 tout en remplissant l'intérieur des trous de passage H respectifs de la plaque perforée 6. Dans le présent contexte, la plaque à faible dilatation 10 selon le mode de réalisation 1, sur les deux surfaces de l'élément de Cu 7, la partie concave 8 est 30 formée dans chaque partie A correspondant à chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6, et la partie convexe 9 est formée dans chaque partie B dans laquelle l'Invar constituant la plaque perforée 6 est présent. Par contre, dans la plaque à faible dilatation 14 selon le mode de réalisation 2, sur les deux surfaces de l'élément de Cu 7, la partie convexe 9 est formée dans chaque partie A 5 correspondant à chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6, et la partie concave 8 est formée dans chaque partie B dans laquelle l'Invar constituant la plaque perforée 6 est présent. En utilisant la plaque à faible dilatation 14 selon le mode 10 de réalisation 2 en tant que dissipateur de chaleur, un dispositif à semiconducteur similaire à celui représenté sur la figure 2 est fabriqué. Comme décrit sur la figure 5, seules les parties convexes 9 sont en contact avec la brasure 3, et les parties concaves 8 sont en étanchéité avec 15 la surface de la brasure 3 pour former les parties de vide 11. Par conséquent, chaque partie de l'élément de Cu 7 fixée à la brasure 3 est la partie A correspondant à chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6, et a un coefficient de dilatation thermique identique dans la 20 direction de l'épaisseur. En conséquence, même lorsque la dilatation thermique est provoquée dans l'élément de Cu 7 lors d'une augmentation de température, aucune contrainte de cisaillement dans la direction de l'épaisseur n'est générée. Par conséquent, la 25 fissuration de la brasure 3 utilisée pour la fixation des deux surfaces de la plaque à faible dilatation 14 peut être évitée. La chaleur générée par l'élément semi-conducteur 4 lors du fonctionnement du dispositif à semi-conducteur se propage à 30 l'élément de Cu 7 dans la partie A fixée à l'élément semi-conducteur 4 avec la brasure 3. Après cela, la chaleur traverse la couche isolante 2 et se propage au substrat 1. Ensuite, la chaleur est efficacement diffusée depuis le substrat 1 vers l'extérieur. Par exemple, la plaque à faible dilatation 14 selon le mode de réalisation 2 peut être fabriquée en extrudant Cu dans 5 chacun des trous de passage H de la plaque perforée 6 faite d'Invar. Il doit être noté que la différence de hauteur entre les parties concaves 8 et les parties convexes 9 peut être faible dans la mesure o les parties concaves 8 ne sont pas 10 fixées avec la brasure 3 dans le cas o les parties convexes 9 sur chaque surface de l'élément de Cu 7 sont fixées à l'élément semi-conducteur 4 ou similaire par l'intermédiaire de la brasure 3. En tenant compte de la mouillabilité de la brasure 3, la différence de hauteur peut être d'environ 5 à 15 10 bm ou plus, par exemple. Cependant, si les parties concaves 8 sont susceptibles d'être fixées avec la brasure 3, il est préférable qu'une épargne de brasure ou similaire soit appliquée sur les parties concaves 8 afin d'éviter la fixation avec la brasure 3. La plaque à faible dilatation selon la présente invention peut être utilisée en tant que substrat d'un dispositif à semi-conducteur. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de former les parties concaves 8 et les parties convexes 9 sur les deux surfaces de l'élément de Cu 7, les parties concaves 25 8 et les parties convexes 9 peuvent être formées sur une des surfaces, qui est fixée à l'élément semi-conducteur. Le matériau pour la plaque perforée 6 n'est pas limité à l'Invar. Il est également possible d'utiliser Mo, un alliage à base de Fe-Ni, ou d'autres matériaux à faible dilatation. 30 De plus, le matériau métallique entourant la plaque perforée 6 n'est pas limité à Cu. Mais, dans le cas o la plaque à faible dilatation est utilisée en tant que dissipateur de chaleur ou de substrat du dispositif à semi-conducteur, un élément métallique tel qu'un élément de Al ayant une conductivité thermique supérieure est préférable. Comme décrit ci-dessus, dans la plaque à faible dilatation 5 selon la présente invention, sur la surface de l'élément métallique remplissant l'intérieur des trous de passage respectifs de la plaque perforée faite du matériau à faible dilatation et recouvrant les deux surfaces de la plaque perforée, l'une parmi la partie concave et la partie convexe 10 est formée dans la partie correspondant à chacun des trous de passage de la plaque perforée tandis que l'autre parmi la partie concave et la partie convexe est formée dans la partie correspondant à une zone autre que les trous de passage de la plaque perforée. Par conséquent, la génération 15 d'une contrainte de cisaillement dans la direction de l'épaisseur due à la dilatation thermique peut être évitée, même lorsque les surfaces sont fixées par la brasure ou similaire. Une telle plaque à faible dilatation peut être fabriquée 20 par: agencement de la plaque métallique plane sur chacune des deux surfaces de la plaque perforée plane faite du matériau à faible dilatation; agencement d'un élément protecteur sur chaque surface des plaques métalliques faisant face à la plaque perforée; pressurisation des 25 éléments protecteurs depuis chaque surface des éléments protecteurs faisant face aux plaques métalliques pour déformer les plaques métalliques vers l'intérieur des trous de passage respectifs de la plaque perforée et pour fixer les plaques métalliques aux deux surfaces de la plaque 30 perforée; et ensuite, retrait des éléments protecteurs des surfaces extérieures des plaques métalliques. De plus, dans le dispositif à semi-conducteur selon la présente invention, l'élément semi-conducteur est fixé sur les parties concaves et les parties convexes formées sur la surface de l'élément métallique de la plaque à faible 5 dilatation mentionnée ci-dessus. Par conséquent, aucune contrainte de cisaillement due à la dilatation thermique dans la direction de l'épaisseur n'est générée. En conséquence, un effet est obtenu dans lequel le risque de fissuration de la brasure, ou similaire, utilisée pour la 10 fixation peut être éliminé. REVEND I CATIONS 1. Plaque à faible dilatation (10, 14) comprenant: une plaque perforée plane (6) faite d'un matériau à faible dilatation dans laquelle une pluralité de trous de passage (H) sont formés; et un élément métallique (7) remplissant l'intérieur des trous de passage (H) respectifs de la plaque perforée (6) et entourant les deux surfaces de la plaque perforée (6), sur au moins l'une des deux surfaces de l'élément métallique 10 (7), l'une parmi une partie concave (8) et une partie convexe (9) étant formée dans chaque partie correspondant à chacun des trous de passage (H) de la plaque perforée (6), tandis que l'autre parmi la partie concave (8) et la partie convexe (9) étant formée dans chaque partie correspondant à 15 une zone autre que les trous de passage (H) de la plaque perforée (6), toutes les parties convexes (9) étant identiques en terme de coefficient de dilatation thermique dans la direction de l'épaisseur de la plaque (10, 14). 2. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la 20 revendication 1, dans laquelle la partie concave (8) est formée dans la partie (A) correspondant à chacun des trous de passage (H) de la plaque perforée (6) tandis que la partie convexe (9) est formée dans la partie (B) correspondant à une zone autre que les trous de passage (H) 25 de la plaque perforée (6) sur au moins une des deux surfaces de l'élément métallique (7). 3. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la revendication 1, dans laquelle la partie convexe (9) est formée dans la partie correspondant à chacun des trous de 30 passage (H) de la plaque perforée (6) tandis que la partie concave (8) est formée dans la partie (B) correspondant à une zone autre que les trous de passage (H) de la plaque perforée (6) sur au moins une des deux surfaces de l'élément métallique (7). 4. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la 5 revendication 1, dans laquelle la partie concave (8) et la partie convexe (9) sont formées sur chacune des deux surfaces de l'élément métallique (7). 5. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément métallique (7) est 10 fait de Cu. 6. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément métallique (7) est fait de Al. 7. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la 15 revendication 1, dans laquelle le matériau à faible dilatation constituant la plaque perforée (6) est l'Invar. 8. Plaque à faible dilatation (10, 14) selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur de la plaque (10, 14) est de 0,1 à 5 mm. 9. Procédé de fabrication d'une plaque à faible dilatation (10, 14) comprenant les étapes consistant à: agencer une plaque métallique plane (12) sur chacune des deux surfaces d'une plaque perforée plane (6) faite de matériau à faible dilatation dans laquelle une pluralité de 25 trous de passage (H) sont formés; agencer un élément protecteur (13) sur chacune des deux surfaces des plaques métalliques (12) faisant face à la plaque perforée (6); comprimer les éléments protecteurs (13) depuis chaque surface de ceux-ci faisant face aux plaques métalliques (12) pour déformer les plaques métalliques (12) vers l'intérieur des trous de passage (H) respectifs de la plaque perforée 5 (6) et pour fixer les plaques métalliques (12) aux deux surfaces de la plaque perforée (6); et retirer les éléments protecteurs (13) des surfaces extérieures des plaques métalliques (12). 10. Procédé de fabrication d'une plaque à faible dilatation 10 (10, 14) selon la revendication 9, dans laquelle les éléments protecteurs (13) sont faits d'un matériau ayant un module de Young inférieur à celui du matériau à faible dilatation constituant la plaque perforée (6) et celui du matériau constituant les plaques métalliques (12). 11. Dispositif à semi-conducteur comprenant: La plaque à faible dilatation (10, 14) selon la revendication 1; et un élément semi- conducteur (4) agencé sur la partie concave (8) et la partie convexe (9) formées sur la surface de 20 l'élément métallique (7) de la plaque à faible dilatation (10, 14). 12. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 11, dans lequel l'élément semi-conducteur (4) est fixé uniquement à la partie convexe (9) formée sur la surface de 25 l'élément métallique (7) de la plaque à faible dilatation (10, 14). 13. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel une différence de hauteur entre la partie concave (8) et la partie convexe (9) formées sur la surface 30 de l'élément métallique (7) est d'environ 5 à 10 Mm ou plus. 14. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel l'élément semi-conducteur (4) est fixé sur la partie convexe (9) formée sur la surface de l'élément métallique (7) de la plaque à faible dilatation (10, 14) à l'aide d'une brasure (3).