Brevet FR2844397A1 — publié le 20040312

La présente invention concerne une unité à faible dilatation, et en particulier une unité à faible dilatation qui est utilisée comme diffuseur thermique destiné à être utilisé dans un appareil à semi- conducteur. La présente 5 invention concerne également un procédé de fabrication de cette unité à faible dilatation et un appareil à semi-conducteur doté de l'unité à faible dilatation. Un appareil à semi-conducteur de la technique antérieure est représenté sur la figure 4. Dans la structure de la 10 technique antérieure, une couche isolée 2 est formée sur une surface d'un substrat 1 constitué d'aluminium. Un dispositif à semiconducteur 4 est relié à une couche de connexion, qui est formée sur une surface de la couche isolée 2 et n'est pas représentée, par l'intermédiaire d'une brasure tendre 3. La chaleur générée par le dispositif à semi-conducteur 4 est transmise au substrat 1 par l'intermédiaire de la couche isolée 2. Etant donné que le substrat 1 est constitué d'aluminium dont la conductivité thermique est relativement élevée, la chaleur est efficacement rayonnée du substrat 1 vers l'extérieur de celui-ci. Dans la structure ci-dessus, tandis que le matériau semi-conducteur tel que le silicium utilisé dans le dispositif à semi-conducteur 4 présente un coefficient de dilatation thermique relativement faible, l'aluminium qui est utilisé dans le substrat 1 présente un coefficient de 10 dilatation thermique relativement élevé. En conséquence, une contrainte thermique est générée entre le substrat 1 et le dispositif à semi- conducteur 4 en raison d'une variation de température. Cette contrainte thermique peut entraîner le gauchissement du dispositif à semi-conducteur 4 et le 15 craquèlement de la brasure tendre 3, qui est utilisée pour relier le dispositif à semi-conducteur 4 à la couche isolée 2. Afin d'atténuer la contrainte thermique, par exemple, dans un appareil à semi-conducteur destiné à être utilisé dans un 20 véhicule o l'écart de température est extrêmement important, un diffuseur thermique 5 est installé entre le dispositif à semi-conducteur 4 et la couche isolée (voir figure 5). Tel que représenté sur la figure 6, le diffuseur thermique 5 25 est un matériau composite dans lequel au moins un matériau de cuivre 7 intercale une plaque 6 réalisée en invar sur les deux surfaces de la plaque 6. Les publications du modèle d'utilité japonaises non examinées NO 63-20448 et 63-20449 divulguent ces diffuseurs thermiques. L'invar est un alliage 30 dont le coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible. En conséquence, la plaque 6 est peu dilatée sous l'effet de la chaleur à une température normale. En conséquence, la contrainte thermique est atténuée en installant le dispositif à semi-conducteur 4 sur le diffuseur thermique 5. En faisant encore référence à la figure 6, dans le diffuseur 5 thermique 5, la plaque 6 réalisée en invar présente une conductivité thermique relativement faible d'environ 10 W/mK. En conséquence, tandis que le matériau de cuivre 7 présente une conductivité thermique relativement élevée, la conductivité thermique dans la direction de l'épaisseur du 10 diffuseur thermique 5, qui est formé en intercalant la plaque 6 dans le matériau de cuivre 7, devient relativement faible. Dans ce cas, la conductivité thermique est d'environ 30 W/mK. En raison de la conductivité thermique relativement faible, les performances en termes de rayonnement du 15 diffuseur thermique 5 sont réduites. En outre, le matériau composite destiné à être utilisé dans le diffuseur thermique est relativement onéreux. La présente invention concerne une unité à faible dilatation dont la conductivité thermique est relativement élevée et 20 dont le cot est relativement faible. La présente invention concerne également un procédé de fabrication de l'unité à faible dilatation et un appareil à semi-conducteur doté de l'unité à faible dilatation. La présente invention a la première caractéristique 25 suivante. Une unité à faible dilatation inclut un élément de plaque et une couche en fer / nickel. L'élément de plaque est réalisé dans un matériau de la catégorie du fer et présente une couche superficielle. La couche en fer / nickel est formée sur et / ou dans la couche superficielle. La présente invention a également la deuxième caractéristique suivante. Un procédé de fabrication d'une unité à faible dilatation inclut les étapes consistant à préparer un élément de plaque réalisé dans un matériau de la catégorie du fer, à former une couche en nickel sur une surface de l'élément de plaque, et à former une couche en fer / nickel sur et / ou dans une couche superficielle de 5 l'élément de plaque en diffusant du nickel dans la couche en nickel à l'intérieur de l'élément de plaque par voie de traitement thermique après l'étape de formation de la couche en nickel. La présente invention a également la troisième 10 caractéristique suivante. Un procédé de fabrication d'une unité à faible dilatation inclut les étapes consistant à préparer un élément de plaque réalisé dans un matériau de la catégorie du nickel, et à former une couche en fer / nickel sur et / ou dans une couche superficielle de l'élément de 15 plaque en déposant simultanément par projection du fer et du nickel sur une surface de l'élément de plaque. La présente invention a également la quatrième caractéristique suivante. Un appareil à semi-conducteur inclut une unité à faible dilatation et un dispositif à 20 semi-conducteur. L'unité à faible dilatation inclut en outre un élément de plaque et une couche en fer / nickel. L'élément de plaque est réalisé dans un matériau de la catégorie du fer et présente une couche superficielle. La couche en fer / nickel est formée sur et / ou dans la couche 25 superficielle. Le dispositif à semiconducteur est relié à une surface de l'unité à faible dilatation. La présente invention a également la cinquième caractéristique suivante. Un appareil à semi-conducteur inclut une unité à faible dilatation, un dispositif à 30 semi-conducteur, une couche isolée et un substrat. L'unité à faible dilatation inclut en outre un élément de plaque, une première couche en fer / nickel et une deuxième couche en fer / nickel. L'élément de plaque est réalisé dans un. matériau de la catégorie du fer et présente une première couche superficielle et une deuxième couche superficielle qui sont situées au niveau de ses côtés opposés. La première 5 couche en fer / nickel est formée sur et / ou dans la première couche superficielle. La deuxième couche en fer / nickel est formée sur et / ou dans la deuxième couche superficielle. Le dispositif à semi-conducteur est relié à la première couche en fer / nickel par l'intermédiaire d'une 10 brasure tendre. La couche isolée est reliée à la deuxième couche en fer / nickel par l'intermédiaire d'une brasure tendre. Le substrat est formé sur la couche isolée. L'invention, prise conjointement avec ses objectifs et avantages, sera mieux comprise en faisant référence à la 15 description suivante des modes de réalisation actuellement préférés conjointement avec les dessins joints, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale illustrant une unité à faible dilatation selon un premier mode de 20 réalisation préféré de la présente invention; les figures 2A et 2B sont des vues en coupe transversale illustrant des processus d'un procédé de fabrication d'une unité à faible dilatation selon un deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe transversale illustrant un appareil à semi-conducteur doté d'une unité à faible dilatation selon un troisième mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe transversale illustrant un 30 appareil à semi-conducteur de la technique antérieure; la figure 5 est une vue en coupe transversale illustrant un appareil à semi-conducteur de la technique antérieure; et la figure 6 est une vue en coupe transversale agrandie illustrant l'appareil à semi-conducteur de la technique antérieure de la figure 5. Une unité à faible dilatation selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention va maintenant être décrite en faisant référence à la figure 1. La figure 1 représente une vue en coupe transversale d'une unité à 10 faible dilatation 8 qui inclut un élément de plaque 9 et une couche en fer / nickel 10. Les couches superficielles supérieure et inférieure de l'élément de plaque 9 présentent chacune la couche en fer / nickel 10 au-dessus ou à l'intérieur de celles-ci. Dans le premier mode de réalisation préféré, tandis que l'élément de plaque 9 présente un coefficient de dilatation thermique relativement élevé, les couches en fer / nickel 10, qui sont formées sur et / ou dans les couches superficielles supérieure et inférieure de l'élément de 20 plaque 9, présentent un coefficient de dilatation thermique relativement faible. En conséquence, le coefficient de dilatation thermique de l'unité à faible dilatation 8 est globalement limité à une valeur relativement réduite. De même, l'élément de plaque 9 inclut du fer pur dont la 25 conductivité thermique est relativement élevée. Dans le présent mode de réalisation, la conductivité thermique est d'environ 80 W/mK. Parallèlement, les couches en fer / nickel, qui sont formées sur l'élément de plaque 9, sont relativement minces. En conséquence, l'unité à faible 30 dilatation 8 présente une conductivité thermique relativement importante dans la direction de son épaisseur. Maintenant, un procédé de fabrication de l'unité à faible dilatation 8 selon un deuxième mode de réalisation préféré va être décrit en faisant référence aux figures 2A et 2B. Dans le deuxième mode de réalisation préféré, des numéros de 5 référence identiques à ceux du premier mode de réalisation sont appliqués aux éléments identiques ou correspondants dans le deuxième mode de réalisation préféré et une description redondante est omise. En faisant référence à la figure 2A, les surfaces supérieure et inférieure de 10 l'élément de plaque 9 réalisés en fer pur sont revêtus de nickel. Ainsi, une couche en nickel 11 est formée sur et / ou dans chacune des surfaces supérieure et inférieure de l'élément de plaque 9. Ensuite, tel que représenté sur la figure 2B, du nickel dans 15 la couche en nickel 11 est diffusé à l'intérieur de l'élément de plaque 9 par traitement thermique. Ainsi, une couche en fer / nickel est formée sur et / ou dans une couche superficielle de l'élément de plaque 9. Ainsi, tel que représenté sur la figure 1, l'unité à faible dilatation 20 8, qui présente une couche en fer / nickel 10 sur et / ou dans chacune de ses couches supérieure et inférieure, est fabriquée. Dans le deuxième mode de réalisation, le fer pur, qui est utilisé en tant que matière première principale de l'unité à 25 faible dilatation 8, est relativement peu onéreux. En outre, l'unité à faible dilatation 8 est facilement fabriquée en traitant par voie thermique l'élément de plaque 9 revêtu de nickel. En conséquence, l'unité à faible dilatation 8 est obtenue à un prix extrêmement bas. De même, étant donné que la densité du nickel est relativement élevée à proximité de la surface de l'unité à faible dilatation 8, la possibilité d'humidification de la brasure tendre est améliorée. En outre, étant donné que la surface de l'unité à faible dilatation 8 est recouverte de nickel, l'oxydation de l'élément de plaque 9 est empêchée. Un appareil à semi-conducteur selon un troisième mode de 5 réalisation préféré va être décrit en faisant référence à la figure 3. Dans le troisième mode de réalisation préféré, des numéros de référence identiques à ceux du premier mode de réalisation sont appliqués aux éléments identiques ou correspondants dans le troisième mode de réalisation préféré 10 et une description redondante est omise. En faisant référence à la figure 3, l'appareil à semi-conducteur présente une unité à faible dilatation 8 qui est utilisée comme diffuseur thermique. Une couche isolée 2 est formée sur la surface d'un substrat 1 réalisé en aluminium. La 15 couche inférieure en fer / nickel 10 de l'unité à faible dilatation 8 est reliée à une couche de connexion, qui est formée sur la surface de la couche isolée 2 et n'est pas représentée sur la figure 3, par l'intermédiaire de la brasure tendre. En outre, le dispositif à semiconducteur 4 20 est relié à la couche supérieure en fer / nickel 10 de l'unité à faible dilatation 8 par l'intermédiaire de la brasure tendre 3. Dans le troisième mode de réalisation préféré, l'élément de plaque 9 de l'unité à faible dilatation 8 présente une 25 conductivité thermique relativement élevée. La chaleur générée par le dispositif à semiconducteur 4 est transmise à la couche supérieure en fer / nickel 10 de l'unité à faible dilatation 8, qui est reliée au dispositif à semiconducteur 4 par l'intermédiaire de la brasure tendre 30 3. Ensuite, la chaleur est transmise à la couche inférieure en fer / nickel 10 de l'unité à faible dilatation inférieure 8 par l'intermédiaire de l'élément de plaque 9 placé au milieu de l'unité à faible dilatation 8. En outre, la chaleur est alors transmise au substrat 1 par l'intermédiaire de la couche isolée 2, qui est reliée à la couche inférieure en fer / nickel 10 de l'unité à faible dilatation 8 par l'intermédiaire de la brasure tendre 3. 5 Etant donné que le substrat 1 est réalisé en aluminium, dont la conductivité thermique est relativement élevée, la chaleur est efficacement rayonnée du substrat 1 vers l'extérieur de celui-ci. Dans la présente invention, on met également en oeuvre les 10 autres modes de réalisation suivants. Dans le deuxième mode de réalisation préféré ci-dessus, la couche en nickel 11 de l'unité à faible dilatation 8 est formée en revêtant l'unité à faible dilatation 8 de nickel. Dans les autres modes de réalisation par rapport au deuxième 15 mode de réalisation, la couche en nickel 11 de l'unité à faible dilatation 8 est formée à l'aide de l'un quelconque des procédés que sont la pulvérisation thermique, la coulée et le dépôt par projection au lieu de revêtir l'unité à faible dilatation 8 de nickel. En outre, dans des autres modes de réalisation par rapport au deuxième mode de réalisation, la couche en fer / nickel 10 est formée sur et / ou dans une couche superficielle de l'élément de plaque 9 en déposant simultanément par projection du fer et du nickel sur la surface de l'élément 25 de plaque 9. Ainsi, l'unité à faible dilatation 8 est fabriquée tel que représenté sur la figure 1. Dans le troisième mode de réalisation préféré décrit ci-dessus, l'unité à faible dilatation 8 est utilisée comme diffuseur thermique pour l'appareil à semi-conducteur. Dans 30 un autre mode de réalisation par rapport au troisième mode de réalisation, l'unité à faible dilatation 8 est utilisée comme substrat pour l'appareil à semi-conducteur au lieu d'être utilisée comme un diffuseur thermique pour l'appareil à semi-conducteur. Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, pour le fer pur qui constitue l'élément de plaque 9, on utilise 5 du fer électrolytique ou du fer doux électromagnétique. Au vu de sa disponibilité, l'utilisation du fer doux électromagnétique est préférable. Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'élément de plaque 9 est réalisé en fer pur. Dans les 10 autres modes de réalisation par rapport à tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, l'élément de plaque 9 n'est pas limité à l'élément de plaque 9 réalisé en fer pur. Dans les autres modes de réalisation par rapport aux modes de réalisation décrits ci-dessus, un élément de plaque 9 est 15 réalisé dans un matériau de la catégorie du fer tel que de l'acier calmé ou de l'acier doux. Il est à noter que la conductivité thermique du matériau de la catégorie du fer se trouve de préférence dans une place comprise entre environ 60 W / mK et environ 80 W/mK. Notamment au vu de la 20 conductivité thermique, l'utilisation du fer pur dont la conductivité thermique est 80 W/mK est préférable. En conséquence, les présents exemples et modes de réalisation doivent être considérés comme illustratifs et non limitatifs et l'invention ne doit pas être limitée aux 25 détails mentionnés dans les présentes, mais peut être modifiée dans la portée des revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Unité à faible dilatation (8), caractérisée en ce que l'unité à faible dilatation (8) inclut un élément de plaque (9) et une couche en fer / nickel (10), en ce que l'élément 5 de plaque (9) est réalisé dans un matériau de la catégorie du fer et présente une couche superficielle, et en ce que la couche en fer / nickel (10) est formée sur et / ou dans la couche superficielle. 2. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 1, 10 dans laquelle le matériau de la catégorie du fer est du fer pur. 3. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 2, dans laquelle le fer pur est du fer électrolytique. 4. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 2, 15 dans laquelle le fer pur est du fer doux électromagnétique. 5. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de la catégorie du fer est de l'acier calmé. 6. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 1, 20 dans laquelle le matériau de la catégorie du fer est de l'acier doux. 7. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 1, dans laquelle le matériau de la catégorie du fer présente une conductivité thermique comprise entre environ 60 W/mK et 25 environ 80 W/mK. 8. Unité à faible dilatation (8) selon la revendication 7, dans laquelle la conductivité thermique est d'environ W/mK. 9. Procédé de fabrication d'une unité à faible dilatation (8), caractérisée par les étapes consistant à a préparer un élément de plaque (9) réalisé dans un matériau de la catégorie du fer; former une couche en nickel (11) sur une surface de l'élément de plaque (9); et former une couche en fer / nickel (10) sur et / ou dans une couche superficielle de l'élément de plaque (9) en diffusant du nickel dans la couche en nickel (11) à l'intérieur de 10 l'élément de plaque (9) par traitement thermique après l'étape de formation de la couche en nickel (11). 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la couche en nickel (11) est formée par l'un quelconque des procédés constitués du revêtement, pulvérisation thermique et dépôt 15 par projection. 11. Procédé de fabrication d'une unité à faible dilatation (8), caractérisée par les étapes consistant à: préparer un élément de plaque (9) réalisé dans un matériau de la catégorie du fer; et former une couche en fer / nickel (10) sur et / ou dans une couche superficielle de l'élément de plaque (9) en déposant simultanément par projection du fer et du nickel sur une surface de l'élément de plaque (9). 12. Appareil à semi-conducteur, caractérisé en ce que 25 l'appareil à semi-conducteur inclut une unité à faible dilatation (8) et un dispositif à semi-conducteur, en ce que l'unité à faible dilatation (8) présente un élément de plaque (9) et une couche en fer / nickel (10), en ce que l'élément de plaque (9) est réalisé dans un matériau de la catégorie du fer et présente une couche superficielle, en ce que la couche en fer / nickel (10) est formée sur et / ou dans la couche superficielle, et en ce que le dispositif à semi-conducteur (4)est relié à une surface de l'unité à faible dilatation (8). 13. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel le matériau de la catégorie du fer est du fer pur. 14. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 13, 10 dans lequel le fer pur est du fer électrolytique. 15. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 13, dans lequel le fer pur est du fer doux électromagnétique. 16. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel le matériau de la catégorie du fer est de 15 l'acier calmé. 17. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel le matériau de la catégorie du fer est de l'acier doux. 18. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, 20 dans lequel le matériau de la catégorie du fer présente une conductivité thermique comprise entre environ 60 W/mK et environ 80 W/mK. 19. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 18, dans lequel la conductivité thermique est d'environ 80 W/mK. 20. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel l'unité à faible dilatation (8) est un diffuseur thermique (5). 21. Appareil à semi-conducteur selon la revendication 12, dans lequel l'unité à faible dilatation (8) est utilisée comme substrat. 22. Appareil à semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il 5 inclut une unité à faible dilatation (8), un substrat (1), une couche isolée (2) et un dispositif à semi-conducteur, en ce que l'unité à faible dilatation (8) présente un élément de plaque (9), une première couche en fer / nickel (10) et une deuxième couche en fer / nickel (10), en ce que 10 l'élément de plaque (9) est réalisé dans un matériau de la catégorie du fer et présente une première couche superficielle et une deuxième couche superficielle qui sont situées sur ses côtés opposés, en ce que la première couche en fer / nickel (10) est formée sur et / ou dans la première 15 couche superficielle, en ce que la deuxième couche en fer / nickel (10) est formée sur / dans la deuxième couche superficielle, en ce que le substrat (1) est placé au niveau du premier côté de la couche en fer / nickel (10), en ce que la couche isolée est formée sur le substrat (1), et est 20 reliée à la première couche en fer / nickel (10) par l'intermédiaire d'une brasure tendre (3), et en ce que le dispositif à semi-conducteur (4)est relié à la deuxième couche en fer / nickel (10) par l'intermédiaire d'une brasure tendre (3).