BE628840A - - Google Patents

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Description


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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.  

Claims (1)

  1. 1.- Appareil semi-conducteur suivant la revendication 1 du brevet principal susmentionné comportant un corps constitué d'une matière semi-conductrice, un organe de contact sur un côté au moins de ladite matière semi-conductrice, une pièce conductrice à cote dudit organe de contact, ainsi qu'une pièce formant joint, <Desc/Clms Page number 12> ou soudure de connexion entre ledit organe de contact et ladite pièce conductrice, caractérisé en ce que ladite matière formant soudure est essentiellement composée d'environ 88% d'or et 12% de germanium* 2.- Appareil semi-conducteur suivant la revendication 1,
    caractérisé en ce qu'il comporte une paire de pièces condue- trices ainsi qu'une matière formant joint de connexion entre ledit organe de contact et une desdites pièces conductrices, et entre ledit corps et l'autre dois-dites pièces condustrices, tandis que la matière formant un joint .au voisinage d'au moine une des piètes conductrices est essentiellement composée d'un mélange eutechtique d'or et de germanium.
    3.- Appareil suivant la revendication 2. caractérisé en ce qu'il comporte un corps mono cristallin constitué d'une matière semi-conductrice, des pièces conductrices de support aur les côtés opposée dudit corps et des pièces conductrices pour le dispositif de contrôle sur des côtés opposés desdites pièces conductrices de support, lesdites pièces étant assemblées à l'aide de joints soudés entre les pièces adjacentes, tandis qu'un joint au moins dudit assemblage est fait à l'aide d'une matière composée essentiellement de 88% d'or et 12 de germa nium.
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