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La présente invention est relative à des appareil* semi-conducteurs, en particulier, à des appareils à conductivité uni-directionnelle du type à jonction, qui ont de.larges possi- bilité pour supporter des courante, tels que décrits et revendi- quées dans le brevet principal déposé le 25-1-1963 soue le N 502013. Un redresseur de courant fort constitue un appareil à conductivité uni-directionnelle.
Un des problèmes les plus difficiles qui accompagnent la fabrication d'appareils ou diapo- sitifs de ce genre est de maintenir assemblée les éléments ou piè- ces de l'appareil, de façon que l'appareil reste assemblé et main- tenu dans un état de bon fonctionnement quand on l'utilise* Tel est l'objectif de la présente invention.
Dans lea appareils du type envisagé le courant est redressé au soin de la matière semi-conductrice (par exemple du silicium ou du germanium) qui est littéralement aussi cassante que du verre. Pour obtenir les caractéristiques voulues de fonctionnement, il faut disposer la matière semi-conductrice en couche très mince (pastille).
Etant donné que la pastille semi- conductrice est à la fois mince et fragile, elle est très cas- sante. En outre, elle dégage ou dissipe une chaleur considéra- ble pendant le processus de redressement des courants forts* Pour éliminer la chaleur de la pastille semi-conductrice et pour soutenir l'appareil ou dispositif fragile, afin d'en empêcher la fracture, la pastille est insérée en sandwich entre des pla- que* de support conductrice* de l'électricité et de la chaleur.
La série de couchée qui en résulte est décrite et désignée comme étant le 'sandwich redresseur. En pratique, le sandwich redresseur est monte sur un corps d'absorption de-chaleur et
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enfermé dans un logement ou boîtier scellé hermétiquement.
En raison du fonctionnement de l'entourage de tels appareils, et aussi en raison du fait que la pastille semi- conductrice agit comme un générateur de chaleur, l'appareil peut être soumis à des variations extrêmes de chaleur (par exemple de -65 C à + 225*0). De telles variations créent des effort* au sein de la structure assemblée, par cuite de la différence d'ex- panalon entre les différentes matières utilisées pour constituer l'appareil. Les efforts et les fatigues ainsi produits tendent à briser la fragile matière semi-conductrice. Les efforts ne sont pas seulement produite par le* différentes matières au sein du sandwich redresseur ; le montage auquel est fixé le sandwich redresseur peut y contribuer grandement.
La présente invention a pour objet une matière et un procédé pour maintenir assemblés les éléments ou pièces du dispositif ou appareil aemi-conducteur,
De la considération et l'agencement des conditions opératoires dans lesquelles l'appareil doit fonctionner, ainsi que du procédé d'assemblage des éléments ou pièces constitutives se dégagent les propriétés que doit avoir une matière ai elle doit être utilisée avec succès pour assembler les éléments du redresseur. Une telle matière doit, par exemple avoir une bonne conductivité électrique et thermique pour ne pas introduire de résistance dans le circuit et pour ne pas éliminer de la cha- ; leur du dispositif.
Elle doit également avoir un point de fusion qui soit compatible avec la température de fonctionnement de l'appareil, (c'est-à-dire plus élevé que la température la plus élevée de fonctionnement)de façon que l'appareil ne se divise pas en feuilles ou lamelles et que la conductivité thermique et électrique de la matière de soudure ne s'altère point en cours de fonctionnement. La matière en question doit avoir un point de fusion tel que lorsqu'on l'utilise pour former un joint, lea autres joints formés précédemment dans l'appareil ne s'altèrent pas le joint composé de la matière en question ne pouvant pas
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non plue s'altérer lorsqu'on forme d'autres Jointe par après.
La matière à souder doit pouvoir résister à la fatigue thermique, de façon que les propriétés du sandwich redresseur ne soient pas altérées par des variations thermiques répétées censé*' cutives au fonctionnement de l'appareil, La matière servant à souder doit être à même de "mouiller" les surfaces métalliques du joint qu'elle constitue, de façon qu'elle puisse former un joint exempt de bulles. Le coefficient d'expansion thermique de la matière dot être tel qu'il n'introduise aucune tension,ou effort ou fatigue,dans une partie quelconque du sandwich. La matière doit, en outre, être exempte de substances à tension de vapeur élevée, c'est-à-dire, substances qui s'évaporent lorsqu'elles sont soumises aux températures et pressions dues au fonctionne- ment de leur entourage.
La présente invention a pour objet une matière possédant les caractéristiques susdécrites ainsi qu'ub appareil semi-conducteur dont les joints sont constitués par une matière de ce genre.
Il existe de nombreuses soudures qui ne sont pas sujet* tes à la fatigue thermique (dénommées communément soudures "dures") et qui satisfont aux critères susmentionnés. Fréquem- ment, ces soudures sont à base d'argent et ont un point de fu- sion égal ou supérieur à 500*C, En raison de leur point de fu- sion (et de solidification) élevé, de telles soudures créent des tensions, ou efforts,trop élevées au sein de la matière Semi- conductrice. Cela peut être compris de la meilleure façon en considérant la situation dans laquelle un assemblage de pièces est soudé par au moins un joint constitué par une soudure "durew.
Pour faire la soudure il faut chauffer les pièces au-dessus du point de fusion de la soudure (soit 500*C). Quand la température est descendue en dessous du point de fusion, la soudure "se soit ! difie" ou durcit et tient rigidement ensemble les pièces adjacen- tes. Quand la température descend encore plus bas pour atteindre la température ambiante, les pièces deviennent sujettes a des
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efforts ou tensions, croissante.
Des efforts sont transmis dans toutes les pièces de l'assemblage. Ces efforts sont allégé@ chat- que ici* que la matière à souder est travaillée à un degré tel qu'elle passe par un état de fluage ou écoulement plastique ; lorsque la matière en question panne trop souvent dans cet état, elle *'altère ou se fatigue et rend l'appareil inutilisable. Par définition, les soudures "dures" ne sont ,en substance, pas sujet- tes à la fatigue ;
c'est pourquoi les assemblages qui font inter- venir des soudures "dures" présentent d'habitude des efforts dans les pièces, ou éléments, constitutives (y compris dans la matière semi-conductrice relativement fragile).
La présente invention prévoit une matière à souder des- tinée à des appareils du type susdécrit, laquelle matière a un point de fusion inférieur à celui des soudures "dures" communes, tout en ayant les propriétés d'immunisation contre la fatigue, propriétés propres aux soudures "dures". On a également prévu des appareils de ce genre dont les jointe soudés sont essentiel- lement à l'abri des problèmes exposée ci-dessus*
Une forme d'exécution de l'invention concerne un appa- reil semi-conducteur composé de plusieurs éléments, ou pièces, différents, appareil dans lequel un des joints au moins est fabriquera l'aide d'une matière constituée d'or et de germanium.
Cependant, L'invention ainsi que l'organisation et le procédé pour la.réaliser, peuvent être compris de la meilleure façon en se référant à la description suivante prise conjointement aux dessine annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe centrale, verticale, dans le sens de la longueur, prise à travers un semi-conducteur redres- saur de courant tort, construit suivant la présente invention ; - la figure 2 est, à plus grande échelle, une vue en élévation et partiellement en coups. des éléments actifs du redresseur de la figure 1; et
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- la figure 3 est, 1 plue grande échelle, une vue en élévation et partiellement en coupe des éléments de la figure 2 détachée les une des autres.
A la figure 1 on a représenté un semi-conducteur du type A jonction, fonctionnant comme redresseur monté dans un ap- pareil scellé autonome, désigné, d'une manière générale, par la notation de référence 10. L'invention est montrée et décrite dans cette forme-ci de montage, parce qu'elle s'applique grande- ment à ces appareils, et sert en particulier à l'appareil décrit*
Le fonctionnement du redresseur illustré, contrôlé au silicium n'est pas décrit en détail dans le présent mémoire, parce qu'une compréhension du fonctionnement de l'appareil n'a pas une impor- tance essentielle pour une compréhension de l'invention ;
en outre, le fonctionnement de tels appareils a été discuté dans plu- coeurs autres mémoires qui sont facilement accessibles. Le par- cours ou trajet principal de conduction de l'appareil redresseur
10 se trouve entre une borne supérieure plate 11 du conducteur, sur le conducteur principal ou anodique 12, et une borne conduc- trice inférieure, filetée comme un boulon,fonctionnant comme corps d'absorption de chaleur 13 à travers le corps de l'appareil.
Le trajet principal est décrit en détail dans les lignes qui lui vent. La conduction ne se fait pas en direction opposée et la conduction qui se fait est contrôlée suivant les caractéris- tiques de l'appareil par un courant (dit courant de commande) fourni au redresseur par un conducteur de commande 14 qui se pro- longe au-dessus du sommet du logement ou bottier 10, à coté du conducteur cathodique 12. Le conducteur de commande 14 possède également une borne conductrice plate 15 à son extrémité supé- rieure.
Etant donné que l'écoulement du courant à travers l'ap- pareil se fait a partir du goujon inférieur 13 en passant par le corps de l'appareil, pour aboutir au conducteur supérieur 12, celui-ci est fréquemment considéré comme {tant la cathode du
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redresseur, tandis que le goujon inférieur 13 est considéré comme étant l'anode du dispositif.
La pastille semi-conductrice 16 (vue aux figures 2 et 3) qui est un élément dans le parcours ou trajet principal de conduc- tion constitue la pièce active de contrôle dans l'appareil, c'est- à-dire, la pièce qui assure l'action de recressement et de con- trôle. La pastille semi-conductrice 16 consiste en une matière semi-conductrice monocristalline (en l'occurence du silicium), comportant trois jonctions redresseuses entre quatre couches de types différents de conduction. Cela signifie que les quatre cou- ches ont alternativement un excès d'électrons libres (caractéris- tique du type N de conduction) et un excès de trous positifs (caractéristique du type P de conduction ou conduction positive).
Un tel appareil est décrit comme étant un commutateur P-N-P-N, Cette pièce de matière semi-conductrice constitue l'élément cen- tral du sandwich 17. Dans l'appareil redresseur illustré en particulier, la pastille semi-conductrice 16 a un diamètre de 2,032 cm et une épaisseur de 0,02 cm environ. L'épaisseur peut être visualisée en considérant qu'elle est quelque peu inférieure à celle des pièces qui seraient formées en découpant suivant son bord une pièce de monnaie en 4 tranches de même épaisseur, Il est évident qu'une pièce aussi mince est fragile a l'extrême et requiert un support. Dès lors, la pastille semi-conductrice 16 est insérée dans un assemblage protecteur en sandwich.
Le restant du sandwich ou assemblage à diode 17 comporte une paire de plaques d'appui ou de support dispcoïdes 18 et 19 qui soutiennent la fragile pastille serai-conductrice, fonctionnent comme contacta conducteurs et constituent les couches extérieures du sandwich 17. De préférence, les plaques d'appui 18 et 19 sont construites en une matière de bonne conductibilité électrique et thermique ou calorifique dont le coefficient d'expansion est exactement égale à celui de la matière semi-conductrice. A cet égardle tungstème se révèle aussi satisfaisant que le molybdène.
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Dans la forme d'exécution représentée, le diamètre et l'épais- cour des plaques d'appui ou de support 18 et 19 sont proportion- néa, de façon que l'effort transmis à la pastille semi-conduc- trice 16, par cuite des variations thermiques, soit diminu por atteindre un niveau acceptable. Ce résultat est Atteint en rendant la plaque inférieure 19 plus épaisse et d'un diamètre plue grand que la plaque supérieure. Dans l'appareil représente, la plaque inférieure de support 19 a, par exemple, un diamètre de 2,032 cm (le môme que la pastille 16) et une épaisseur de 0,203 cm (environ deux fois autant qu'une pièce de monnaie), tandis que la plaque supérieure de support 18 a un diamètre de 1,447 cm et une épaisseur de 0,025 cm.
On forme la pastille 16 en prenant du silicium dont lee caractéristiques de conduction sont du type N(présentant un excès d'électrons) et en le diffusant à l'aide d'un accepteur (pour l'appareil représenté, on utilise du gallium) pour former des couches de matière ayant des caractéristiques de conduction positive sur des tacon opposées de la couche centrale de matière du type N; sur le dos de la pastille 16 on dépose une mince cou- che d'aluminium en phase vapeur pour des opérations subséquente* de montage.
On place la pastille 16 sur la plaque inférieure d'ap- pui ou de support 19 et au sommet de la pastille on place une charge or-antimoine* Cet assemblage est chauffé de façon que l'aluminium sur la face inférieure de la pastille coude ou fixe la pastille 16 à la plaque inférieure d'appui ou de support 19 en tungstène, en môme temps, la charge préparée or-antimoine est fusionnée dans la région centrale du sommet de la pastille 16 pour constituer une région de recroissance du type N + . Ainei, la pastille 16 comporte quatre couches conductrices dont les ca- ractératiques de type de conduction alternent, les couches étant séparées par trois jonctions.
Après cette opération, la partie supérieure de la charge préparée or-antimoine, comporte un
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organe de contact 9 qui est un mélange ternaire d'or, d'antimo- ne et de silice,
La partie du conducteur cathodique 12 qui se trouve l'intérieur du boîtier 10 comporte une pièce, ou organe, 17 conducteur en forme de godet qui entoure son extrémité inférieu- re et qui est fixée a la surface supérieure de la plaque supé- rieurs de support 18 par une soudure or-germanium, composée, de préférence, d'environ 12 % de germanium et de 88 % d'or (euteo- tique or-germanium).
Cet assemblage est alors placé sur la pas- tille semi-conductrice 16 en mime temps qu'une charge préparée de la soudure or-germanium qui a été décrite ci-dessus et qui est insérée entre l'organe de contact 9 de la pastille 16 et la plaque supérieure de support 18. Sur la tête élargie 23 du goujon en cuivre 13, on place la pastille 16 et la plaque inférieure de support 19, tandis qu'une charge d'une soudure or-étain est placée entre la plaque inférieure d'appui et la tête 23 du goujon en cuivre 13. Tout l'assemblage est alors chauffé à une température située entre 356 et 370 C, eton le laisse refroidir.
Ainsi, sont formés en même temps les joints entre la plaque supérieure d'appui 18 et la pastille 16 et entre la plaque in- férieure d'appui 19 et la tête 23 du goujon, ou boulon, en cui- vre 13. L'appareil qui en résulte peut être considéré comme un assemblage de feuilles de matériaux différents.
Si on considère la très grande complexité du problème de transfert de chaleur, le processus de montage a réellement une importance critique. Par exemple, le sandwich étant monté directement sur le corps d'absorption de chaleur, il faut ajou- ter suffisament d'énergie calorifique pour chauffer le joint
A la température de fusion égale à 280 C de la soudure or-étain sans démolir les autres soudures ou les caractéristiques de la pastille 16.
En même temps, il faut suppléer suffisaient d'énergie
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calorifique pour formor la soudure entre la pastille 16 et la plaque supérieure de supports ou d'appui 18, qui n'est peut re- liée à un corps d'absorption de chaleur particulièrement bon,
Cependant, la température entre la plaque supérieur* 18 et la pastille 16 ne doit pas s'élever assez haut que pour causer une fusion nouvelle du mélange or-antimoine utilisé dans la couche supérieure du dispositif de semi-conducteur monooristallin com- posé de plusieurs couches Le mélange eutectique or-germanium aeat révélé la réponse au problème.
Sa température de fusion de 356*C est atteinte avec fusion de la soudure or-étain (point de fusion 280 C) et sans fusion du mélange or-antimoine (point de fusion 370'C).
Outre le fait qu'elle tond. une température qui per- met la formation dea soudures sans détruire d'autrea soudures et sans détruire les jonctions de la pastille, la soudure or- germanium est essentiellement à l'abri de la fatigue, Ainsi tout en ayant un point de fusion compatible avec la construction du dispositif, la soudure or-germanium possède les propriétés voulues des soudures de point de fusion élevé (supérieur à 500 C) et contenant de l'argent, du cuivre et de l'étain, résistant à la fatigue.
Par le procédé susdécrit on fixe le sandwich redres- seur 17 entre le conducteur de courant principal 12 (le conduc- teur cathodique) et le conducteur anodique qui comprend le bou- lon, ou goujon en cuivre 13* Le courant conduit par le trajet de conduction principal en direction de la pastille en silicium 16 est contrôlé à l'aide du conducteur de commande 14 relié à la matière du type p qui constitue la aeconde couche à partir de la couche supérieure de la pastille 16.
Le corps d'absorption de chaleur qui est en même tempe la borne anodique électrique 13 consiste en un boulon ou goujon fileté A tête discoïde élargie Le filet du goujon de la borne ancdique 13 est prévu de façon
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que tout l'appareil puisse être fixé aisément à une plaquette de connexion ou à un autre dispositif pour dissiper ou consommer la chaleur. En outre, pour aider à la fixation de l'appareil à une pièce d'absorption ou de dissipation de la chaleur, on a donné à la tête élargie 23 du goujon conducteur 13 un contour extérieur hexagonal pour recevoir une clef ou un autre outil appliquant un couple de torsion.
Le sandwich redresseur 17 est scellé hermétiquement dans le logement, ou boîtier, 10, qui utilise comme base de loge- ment le goujon conducteur 13. La paroi du boîtier 10 est consti- tuée par un cylindre en céramique 24 qui isole la connexion électrique supérieure (cathode 12) du goujon anodique 13. La paroi du logement est scellée à la tête 23 du goujon au moyen d'un anneau métallique soudé 25 et d'une chemise métallique cylindrique 26. L'anneau métallique soudé est brasé dans une rainure annulaire 27 ménagée coaxialemont au sommet de la tête 23 du goujon ou boulon. Un flasque inférieur s'étendant vers l'extérieur sur la chemise cylindrique 26 est soudé au sommet de l'anneau soudé 25, le long de sa surface supérieure pour constituer un scellement hermétique.
La périphérie intérieure de la chemise 26 entoure la surface extérieure de la partie basse de la paroi en céramique 24 et un joint est formé à l'aide , de n'importe quelle soudure d'un métal à de la céramique. La chemise métallique jouit d'une certaine flexibilité pour compenser les différences d'expansion entre les parties soumises à des variations de températures.
Le sommet du logement est constitué par un chapeau métallique 29 qui a plus ou moins la forme d'un disque muni d'une chemise 30 qui s'étend vers le bas et entoure sa périphérie extérieure .La chemise 30 se prolonge vers le bas/entoure le sommet de la paroi en céramique 24 et y est soudée par une tech- nique conventionnelle de aoudure d'un métal à de la céramique.
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Le chapeau possède une paire d'ouvertures 31 et 32 pour,recevoir le conducteur cathodique ou principal 12 et le conducteur de commande 14. Le passage prévu pour le conducteur cathodique ou principal 12 comporte un bouchage cylindrique en cuivre 33 .ou.' dans l'ouverture 31. Le bouchage 33 possède des ouvertures cylindriques 34 et 35/respectivement dans son extrémité supérieu. re et dans son extrémité inférieure/ pour recevoir l'extrémité inférieure de la partie extérieure du conducteur cathodique 12 et la partie supérieure de la pièce intérieure 36 du conducteur cathodique.
Comme représenté,l'ouverture 32 pour le conducteur de commande ae trouve près du coté droit sur le dessin et un bouchage en céramique 37 cylindrique estbsoudé à l'intérieure de l'ouverture d'une manière similaire à celle d'un bouchon dans le col d'une bouteille. Les parties intérieure,, et exté- rieur. du conducteur de commande 13 sont connectées en les sou- dant à l'intérieur et à l'extérieur de l'extrémité supérieure d'un conducteur passant à travers l'ouverture 32, le conducteur en question étant soudé à l'intérieur du bouchage isolant en céramique. Outre les connexions électriques décrites jusqu'à présent, un autre conducteur 38 muni d'une borne plate conduc- triée 39 est fixé au chapeau conducteur supérieur 29 et sert à établir un voltage, ou tension, de référence pour la cathode.
Il faut noter que le bouchage 37 pour le conducteur de commande 14 est composé d'une matière isolante et qu'ainsi, un court-cir- cuit ne peut se produire entre le conducteur de commande 14 et le conducteur cathodique 12.
REVENDICATIONS.