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Procédé de fabrication d'un élément semi-conducteur en forme de pastille. r
Des éléments semi-conducteurs en forme de pastilles, @ par exemple des redresseurs et des thyristors, sont constitués @ généralement par un corps semi-conducteur en forme de pastille, dans les faces planes duquel sont introduites par alliage des feuilles métalliques formant des électrodes à grande surface, Une plaque de support en métal dont le coefficient de dilatation , thermique est sensiblement égal à celui du corps semi-conducteur,': est assemblée par alliage à l'électrode métallique sur au moins une face plane.
De la sorte, l'élément précité peut être formé par une pastille de silicium, sur la face plane duquel une feuille
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d'aluminium formant électrode métallique est introduite par alliage, tandis que sur l'autre face plane se trouve une élec- trode à grande surface en or contenant de l'antimoine, dans le cas d'un redresseur et, dans le cas d'un thyristor, la même électrode est, en outre, accompagnée par une petite électrode supplémentaire de commande en or contenant du bore, qui est introduite par alliage.
Une plaque de support en molybdène est, en outre, assemblée par alliage à l'électrode d'aluminium tandis que des éléments semi-conducteurs disposés dans certains boîtiers peuvent présenter également une plaque de moybdère assemblée par alliage avec une électrode d'or à surface importante et présentant, le cas échéant, un évidement isolant face à une électrode de commande. Dans le cas d'autres types de boîtiers, par exemple, dans celui d'un dispositif semi-conducteur, décrit par le brevet autrichien n 232.131 et comportant un contact glissant de pression exempt de soudure, une plaque de molybdène, dont une face plane, plaquée en argent,' est appliquée contre une électrode d'or à surface importante.
La plaque de molybdène assemblée par alliage avec l'électrode d'aluminium à l'autre face plane du corps semi-conducteur repose sur un support réalisé en un métal bon conducteur électrique et thermique. L'élément semi-conducteur en forme de pastille est appliqué contre un support au moyen d'un élément de pression qui s'appuie sur le corps de molybdène adjacent à l'électrode en or. Pour conserver les propriétés électriques de l'élément semi-conducteur obtenues par l'intro- duction de la matière de dopage, il importe que la chaleur engendrée pendant le fonctionnement de cet élément soit évacuée le mieux possible, surtout par le support précité.
Il- est donc essentiel que la résistance themique entre le corps de silicium et le support soit la plus faible possible.
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Pour obtenir une résistance thermique la,plus faible possible entre le corps de silicium et le support, il est avantageux de choisir une épaisseur la plus petite possible de la plaque de molybdène assemblée par alliage avec l'électrode d'aluminium à l'une des faces planes du corps semi-conducteur.
La présente invention est basée sur le fait acquis par des essais pratiques, qu'une plaque de molybdène, assemblée par alliage avec une électrode d'aluminium, et présentant une épaisseur déterminée, provoque une résistance thermique supérieure à celle d'un autre corps de molybdène assemblé par alliage avec une électrode d'aluminium et ramené à la même épaisseur après l'alliage par enlèvement d'ure couche de molybdène de sa face plane libre.
L'invention concerne par conséquent, un procédé de fabrication d'un élément semi-conducteur en forme de pastille se composant d'une pastille semi-conductrice, en particulier en silicium avec des électrodes métalliques introduites par alliage dans les faces planes de cet élément avec au moins un support en forme de plaque, assemblé par alliage sur une face plane avec une électrode métallique et réalisé en un métal dont le coefficient de dilatation thermique est adapté à celui du corps semi-conducteur, en particulier en molybdène. L'inven- tion est caractérisée par le fait que l'épaisseur du support est considérablement réduite après l'alliage par enlèvement d'une couche partielle de la face plane libre de ce support.
Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention on va en décrire, à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, un mode de réalisation pris pour exemple et représenté schématiquement sur le dessin annexé.
Sur ce dessin : - la fig. 1 représente une coupe du support avec l'élément semi-conducteur en forme de pastille disposé sur celui-ci :
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- la fig. 2 représente la coupe d'un dispositif semi-conducteur constitué par un thyristor.
L'élément semi-conducteur 2 en forme de pastille de la fig. 1 se compose d'une pastille 3 de silicium présentant un diamètre de 24 mm et une épaisseur de 300 microns et comportant une couche médiane n-conductrice logée entre deux couches p-conductrices de diffusion contenant dû gallium ou de l'aluminium et se trouvant au-dessous des faces planes de la pastille 3. Une feuille annulaire d'or, contenant de l'antimoine et présentant une épaisseur de 42 microns, est assemblée par alliage avec la face plane supérieure de la pastille 3, en formant une zone n-conductrice de recristallisation et une jonction pn dans la couche sapérieurs de diffusion de ladite pastille. Le diamètre extérieur de la feuille précitée s'élève à 20 mm.
A son centre est assemblée par alliage une rondelle d'or, contenant du bore et présentant une épaisseur d'environ 42 microns avec un écartemer.t du bord intérieur de ladite feuille. Une feuille d'aluminium de 65 microns d'épaisseur et d'un diamètre de 25 mm est assemblée par alliage avec la face plane inférieure de la pastille 3 en formant une électrode émettrice 5 sans couche d'arrêt. Un support 6 de molybdène, présentant un diamètre de 26 mm et une épaisseur de 1,5 mm, est fixé sur l'électrode 5.
L'élément semi-conducteur 2 en forme de pastille est fabriqué de telle sorte que la feuille d'aluminium, la pastille 3 de silicium et la feuille d'or contenant l'antimoine ainsi que la rondelle d'or contenant du bore sont superposées sur un support 6 de molybdène en forme de pastille de3 mm d'épaisseur. Cette pile est ensuite chauffée dans un four d'alliage pendant 10 à 15 minutes à une température d'environ 700 C. Il se forme alors l'électrode émettrice 4 et l'électro- de 4a de commande qui sont constituées par un mélange eutectique or-silicium, ainsi qu'une électrode émettriez 5
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avec le support 6 qui est assemblé par alliage avec cette électrode.
Après l'opération d'alliage, une couche de molyb- dène présentant sensiblement une épaisseur de 1,5 mm est enlevée au tour à partir de la face plane libre du support 6, laquelle est ensuite aplanie par rodage.
La pastille semi-conductrice 2 repose, dans le boîtier du dispositif semi-conducteur représenté sur la fig.2, sur un élément 7 de fixation de la fig. 1 contre lequel il est poussé avec une pression d'environ 100 kp/cm'. Une feuille 6a d'argent, présentant une épaisseur d'environ 0,1 à 0,2 mm, est interposée avantageusement entre le support 6 et l'élément 7 de fixation. L'élément 7 est formé par une plaque 9 en cuivre d'un diamètre de 40 mm et 7 mm de hauteur. Sur une des faces planes de cette plaque 9 se trouve un socle 8 présen- tant une hauteur de 3 mm et un diamètre de 28 mm, tandis que sur l'autre face plane est disposé un socle fileté 10 dont le diamètre s'élèvs à 23 mm et la hauteur à 13 mm.
On a constaté, à l'aide de mesures, que pour une pression de la plaque semi-conductrice 2 contre l'élément7 Jie fixation égale à environ 100 kp/cm , la résistance thermique entre le corps 3 en silicium et un corps 11 de refroidissement indiqué sur la fig. 1 s'élève à 0124¯0,04 C par watt pour un support 6 de molybdène de 1,5 mm d'épaisseur qui était initialement égale à 3 mm et d'où on a enlevé au tour une couche de 1,5 mm après les opérations d'alliage. Lorsqu'on utilise un support 6 de molybdène d'une épaisseur de 3 mm, la résistance thermique est égale à 0,154¯0,015 C par watt.
Par contre, si l'on assemble directement un support 6 en molybdène d'une épaisseur de 1,5 mm avec l'électrode émettrice
5 en aluminium, la résistance thermique n'est réduite qu'à
0,153¯0,017 C/watt. Il est pour le moment impossible de fournir une explication exacte de ce phénomène, mais on peut supposer que lors de l'alliage d'un support 6 de 1,5 mm avec
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l'électrode émettrice 5 des déformations empêchant le flux thermique apparaissent par exemple aux surfaces de contact entre l'électrode 5 d'aluminium et le support 6 ou dans le corps 3 de silicium, qui sont inférieures à celles correspondant au cas où l'on part d'un support 6 de 3 mm d'épaisseur et on en enlève 1,5 mm aiu tour après les opérations d'alliage.
Une autre explication consiste dans le fait qu'à la surface libre du support 6 de molybdène, des perturbations de la structure cristalline du molybdène apparaissent pendant les opérations d'alliage, car la chaleur est évacuée plus rapidement de cette face plane que de la zone chaude d'alliage. De telles perturbations pourraient également augmenter la résistance thermique du support 6. Lors de l'alliage du support 6 de 3 mm d'épaisseur, auquel on a enlevé au tour 1,5 mm après les opérations d'alliage, les déformations de l'élément semi-conduc- teur 2, ainsi que la structure cristalline perturbée, peuvent être éloignées des faces planes libres du support 6.
La fig. 2 représente un.dispositif semi-conducteur consistant en un thyristor qui comporte un élément semi- conducteur 2 de la fig. 1, disposé sur un élément 7 de fixation.
L'élément semi-conducteur 2 est entouré d'un boîtier 12 d'acier en forme de godet , assemblé par soudage avec une bague 24 d'acier brasée sur l'élément 7 précité. Au fond de ce godet 12 est disposée une pièce scellée 13 en verre comprimé, munie d'une traversée 14, par exemple en acier,.pour un conducteur interne 15, en cuivre. Ce conducteur 15 est fixé par compression dans une douille métallique 16 disposée dans la traversée 14 de la pièce 13.
Sur l'électrode en or placée à la face plane supérieure de la pastille conductrice 2, reposent par superposition : une feuille 17 d'argent, une bague 18 en molybdène ainsi qu'une bague 18a de cuivre qui sont pressées contre l'élément semi-conducteur 2, par l'inter- médiaire d'une bague 19 d'acier d'un disque 20 en mica. et des
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ressorts.coniques, 21, appliqués contre une saillie dans la paroi interne du boîtier 12 et contre un disque 21a d'acier.
Les conducteurs 15 sont composés de deux parties 15a et 15b ainsi que d'un organe élastique.intermédiaire 22 qui presse la partie 15a contre la bague 18 de molybdène. La connexion d'un contact 25 est disposée dans une gaine isolante 26 du conducteur 15, ce contact étant poussé par un ressort non représenté contre l'électrode de commande de l'élément semi-conducteur 2.
L'extrémité supérieure de la connexion précitée se trouve dans un tube métallique 28 fixé dans une pièce scellée 27 en verre comprimé, disposée dans la douille métallique 16. Le tube métallique 28 est comprimé au point 29 et fermé de façon étanche au vide grâce à un chauffage par résistance. A la paroi extérieure de la douille métallique 16 se trouve un filetage 23, grâce auquel une pièce termanale d'un câble non représentée peut être fixée par vissage.
Les caractéristiques, procédés et les indications décrits ci-dessus constituent des améliorations avantageuses, quand ils sont utilisés comme moyens isolés ou combinés nouveaux par rapport à la technique antérieure.
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A method of manufacturing a semiconductor element in the form of a pellet. r
Semiconductor elements in the form of pellets, @ for example rectifiers and thyristors, are generally constituted @ by a semiconductor body in the form of a pellet, in the planar faces of which are introduced by alloying metal sheets forming electrodes to. large area, A metal support plate whose thermal expansion coefficient is substantially equal to that of the semiconductor body, ': is alloyed to the metal electrode on at least one flat face.
In this way, the aforementioned element can be formed by a silicon wafer, on the planar face of which a sheet
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aluminum forming a metal electrode is alloyed in, while on the other plane face there is a large surface gold electrode containing antimony, in the case of a rectifier and, in the case of a thyristor, the same electrode is, moreover, accompanied by an additional small gold control electrode containing boron, which is introduced by alloy.
A molybdenum backing plate is further alloy assembled to the aluminum electrode while semiconductor elements disposed in some packages may also have an alloy assembled hub plate with a gold surface electrode. large and having, where appropriate, an insulating recess facing a control electrode. In the case of other types of packages, for example, in that of a semiconductor device, described by Austrian Patent No. 232,131 and comprising a sliding pressure contact free of solder, a molybdenum plate, one of which is planar , plated in silver, is applied against a gold electrode with a large surface area.
The molybdenum plate assembled by alloying with the aluminum electrode on the other flat face of the semiconductor body rests on a support made of a metal which is a good electrical and thermal conductor. The pellet-shaped semiconductor element is applied against a support by means of a pressure element which rests on the molybdenum body adjacent to the gold electrode. In order to preserve the electrical properties of the semiconductor element obtained by the introduction of the doping material, it is important that the heat generated during the operation of this element is removed as best as possible, especially by the aforementioned support.
It is therefore essential that the thermal resistance between the silicon body and the support is as low as possible.
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To obtain the lowest possible thermal resistance between the silicon body and the support, it is advantageous to choose the smallest possible thickness of the molybdenum plate assembled by alloying with the aluminum electrode at one of the flat faces of the semiconductor body.
The present invention is based on the fact, acquired by practical tests, that a molybdenum plate, assembled by alloying with an aluminum electrode, and having a determined thickness, causes a thermal resistance greater than that of another body of molybdenum assembled by alloy with an aluminum electrode and brought back to the same thickness after the alloy by removing the layer of molybdenum from its free flat face.
The invention therefore relates to a method of manufacturing a semiconductor element in the form of a wafer consisting of a semiconductor wafer, in particular made of silicon with metal electrodes introduced by alloy into the flat faces of this element. with at least one support in the form of a plate, assembled by alloy on a flat face with a metal electrode and made of a metal whose coefficient of thermal expansion is matched to that of the semiconductor body, in particular molybdenum. The invention is characterized by the fact that the thickness of the support is considerably reduced after alloying by removing a partial layer of the free flat face of this support.
To better understand the object of the invention, a description will be given, by way of illustration and without any limiting nature, of an embodiment taken as an example and shown schematically in the accompanying drawing.
In this drawing: - fig. 1 shows a section of the support with the semiconductor element in the form of a pellet disposed thereon:
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- fig. 2 shows the section of a semiconductor device consisting of a thyristor.
The semiconductor element 2 in the form of a pellet of FIG. 1 consists of a silicon wafer 3 having a diameter of 24 mm and a thickness of 300 microns and comprising an n-conductive middle layer housed between two diffusion p-conductive layers containing gallium or aluminum and lying below the flat faces of the pellet 3. An annular gold foil, containing antimony and having a thickness of 42 microns, is alloyed with the upper flat face of the pellet 3, forming a zone n -recrystallization conductor and a pn junction in the diffusion layer sapiors of said pellet. The outer diameter of the aforementioned sheet is 20 mm.
At its center is assembled by alloy a gold washer, containing boron and having a thickness of about 42 microns with a spacing of the inner edge of said sheet. An aluminum foil 65 microns thick and with a diameter of 25 mm is alloyed with the lower flat face of the pellet 3, forming an emitting electrode 5 without a barrier layer. A molybdenum support 6, having a diameter of 26 mm and a thickness of 1.5 mm, is fixed on the electrode 5.
The pellet-shaped semiconductor element 2 is made such that the aluminum foil, silicon pellet 3 and gold foil containing antimony as well as gold washer containing boron are superimposed on a molybdenum support 6 in the form of a 3 mm thick pellet. This cell is then heated in an alloy furnace for 10 to 15 minutes at a temperature of approximately 700 C. The emitting electrode 4 and the control electrode 4a are then formed, which are constituted by a eutectic mixture. gold-silicon, as well as an electrode would emit 5
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with the support 6 which is assembled by alloy with this electrode.
After the alloying operation, a layer of molybdenum having a thickness substantially of 1.5 mm is removed in turn from the free planar face of the support 6, which is then flattened by lapping.
The semiconductor chip 2 rests, in the housing of the semiconductor device shown in FIG. 2, on a fixing element 7 of FIG. 1 against which it is pushed with a pressure of about 100 kp / cm '. A silver sheet 6a, having a thickness of approximately 0.1 to 0.2 mm, is advantageously interposed between the support 6 and the fixing element 7. Element 7 is formed by a copper plate 9 with a diameter of 40 mm and 7 mm in height. On one of the flat faces of this plate 9 there is a base 8 having a height of 3 mm and a diameter of 28 mm, while on the other flat face is disposed a threaded base 10, the diameter of which amounts to 23 mm and the height at 13 mm.
It was found, using measurements, that for a pressure of the semiconductor wafer 2 against the fixing element 7 Jie equal to about 100 kp / cm, the thermal resistance between the body 3 in silicon and a body 11 of cooling indicated in fig. 1 amounts to 0124¯0.04 C per watt for a 1.5 mm thick molybdenum support 6 which was initially equal to 3 mm and from which a 1.5 mm layer was removed in the lathe after alloying operations. When using a molybdenum support 6 with a thickness of 3 mm, the thermal resistance is equal to 0.154¯0.015 C per watt.
On the other hand, if we directly assemble a molybdenum support 6 with a thickness of 1.5 mm with the emitting electrode
5 aluminum, thermal resistance is only reduced
0.153¯0.017 C / watt. It is for the moment impossible to provide an exact explanation of this phenomenon, but it can be assumed that when alloying a support 6 of 1.5 mm with
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the emitting electrode 5 deformations preventing the heat flow appear for example at the contact surfaces between the aluminum electrode 5 and the support 6 or in the body 3 of silicon, which are less than those corresponding to the case where one starts with a support 6 3 mm thick and 1.5 mm in turn is removed after the alloying operations.
Another explanation consists in the fact that at the free surface of the molybdenum support 6, disturbances of the crystal structure of the molybdenum appear during the alloying operations, because the heat is removed more quickly from this flat face than from the zone. hot alloy. Such disturbances could also increase the thermal resistance of the support 6. When alloying the 3 mm thick support 6, from which 1.5 mm has been removed in turn after the alloying operations, the deformations of the semiconductor element 2, as well as the disturbed crystal structure, can be moved away from the free plane faces of the support 6.
Fig. 2 shows a semiconductor device consisting of a thyristor which comprises a semiconductor element 2 of FIG. 1, arranged on a fixing element 7.
The semiconductor element 2 is surrounded by a steel housing 12 in the form of a cup, assembled by welding with a steel ring 24 brazed to the aforementioned element 7. At the bottom of this cup 12 is placed a sealed piece 13 of compressed glass, provided with a feedthrough 14, for example of steel, for an internal conductor 15, of copper. This conductor 15 is fixed by compression in a metal sleeve 16 arranged in the passage 14 of the part 13.
On the gold electrode placed on the upper plane face of the conductive pad 2, rest by superposition: a silver sheet 17, a molybdenum ring 18 as well as a copper ring 18a which are pressed against the semi element. -conductor 2, by means of a steel ring 19 of a mica disc 20. and
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Springs.conic, 21, applied against a projection in the internal wall of the housing 12 and against a steel disc 21a.
The conductors 15 are composed of two parts 15a and 15b as well as of an elastic.intermediate member 22 which presses the part 15a against the molybdenum ring 18. The connection of a contact 25 is arranged in an insulating sheath 26 of the conductor 15, this contact being urged by a spring not shown against the control electrode of the semiconductor element 2.
The upper end of the aforementioned connection is in a metal tube 28 fixed in a sealed piece 27 of compressed glass, arranged in the metal sleeve 16. The metal tube 28 is compressed at point 29 and closed in a vacuum-tight manner by means of resistance heating. At the outer wall of the metal sleeve 16 there is a thread 23, thanks to which a terminal part of a cable not shown can be fixed by screwing.
The characteristics, methods and indications described above constitute advantageous improvements, when used as isolated or combined means new compared to the prior art.