FR2528657A1

FR2528657A1 - Ensemble electrique comprenant un motif de conducteurs lie a un substrat non metallique et procede de fabrication de cet ensemble

Info

Publication number: FR2528657A1
Application number: FR8309412A
Authority: FR
Inventors: Alexander John Yerman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1983-06-07
Publication date: 1983-12-16
Anticipated expiration: 2003-06-07
Also published as: JPS6349398B2; US4500029A; JPS593994A; FR2528657B1

Abstract

LE PROCEDE DE L'INVENTION CONSISTE A SOUMETTRE DES ZONES DONNEES 21; 28 D'UNE FACE D'UNE FEUILLE METALLIQUE 24 A UN REACTIF CHIMIQUE A L'ETAT HUMIDE POUR PROVOQUER UNE ATTAQUE PARTIELLE DE L'EPAISSEUR DE LA FEUILLE. ON LIE ENSUITE LA FEUILLE A UN SUBSTRAT NON METALLIQUE 14 PAR FORMATION A UNE TEMPERATURE ELEVEE D'UN ALLIAGE EUTECTIQUE A L'ETAT FONDU ENTRE LA FEUILLE ET LE SUBSTRAT, ALLIAGE QUI MOUILLE LE SUBSTRAT ET CREE EN SE REFROIDISSANT UN LIEN SOLIDE ET STABLE. ON A CONSTATE QUE LE METAL NON ATTAQUE DE LA FEUILLE DANS CHAQUE ZONE CHOISIE N'EPOUSE PAS PLASTIQUEMENT LA FORME DU SUBSTRAT ET NE S'Y LIE DONC PAS, BIEN QU'IL Y AIT JONCTION DES AUTRES PARTIES DE LA FEUILLE ET DU SUBSTRAT. APPLICATION A LA FABRICATION D'ENSEMBLES ELECTRIQUES COMPORTANT DES MOTIFS DE CONDUCTEURS SUR LESQUELS ON MONTE DES TRANSISTORS DE PUISSANCE, ETC.

Description

i

ENSEMBLE ELECTRIQUE COMPRENANT UN MOTIF DE CONDUCTEURS

LIE A UN SUBSTRAT NON METALLIQUE ET PROCEDE

DE FABRICATION DE CET ENSEMBLE

La présente invention concerne un ensemble électrique

comprenant un motif de conducteurs,lié à un substrat non métal-

lique dans certaines zones mais qui ne l'est pas dans d'autres, ainsi qu'un procédé de fabrication de cet ensemble-et, plus particulièrement, un ensemble et un procédé de cette nature o

l'on forme un motif de conducteurs à partir d'une feuille mé-

tallique qui est liée à un substrat non métallique par un

processus eutectique.

Il existe dans l'art diverses techniques permettant de lier une feuille métallique à un substrat non métallique Ces techniques présentent toutes la même caractéristique, à savoir

la formation à température élevée entre la feuille et le subs-

trat d'un alliage eutectique à l'état fondu, ayant typiquement en partie pour origine la feuille métallique Cette température est voisine, mais en en étant quelque peu inférieure, du point de fusion de la feuille métallique L'alliage eutectique à l'état fondu mouille le substrat non métallique et assure ainsi

une jonction solide entre feuille et substrat.

On sait qu'une feuille métallique, portée à une tempé-

rature élevée pendant sa liaison à un substrat lors d'un pro-

cessus de jonction eutectique, est susceptible d'épouser

plastiquement la forme du substrat Cette propriété est inté-

ressante car elle permet d'obtenir une jonction uniforme entre la feuille métallique et le substrat Cependant, il existe des cas o il serait avantageux que des zones définies d'une feuille métallique n'épousent pas plastiquement la forme du substrat et soient donc liées à la feuille Par exemple, dans le cas o la feuille métallique doit comporter un motif de conducteurs sur lequel on monte généralement des dispositifs électriques dégageant de la chaleur, tels que des transistors de puissance, et qui comprend un élément d'interconnexion électrique, il serait avantageux cque cet élément forme un pont au-dessus d'une partie de la surface supérieure du substrat non métallique Cela permettrait au motif de conducteurs de supporter une tension plus élevée par suite de l'augmentation de la distance séparant, le long de la surface du substrat, l'élément d'interconnexion et un radiateur métallique à la

masse qui supporte typiquement le substrat.

Par conséquent, la présente invention a pour objet un ensemble électrique comportant un motif de conducteurs lié à un substrat non métallique par mise en oeuvre d'une technique de jonction eutectique, o le motif comprend des éléments non liés en regard du substrat mais à une certaine distance de celui-ci. La présente invention a pour autre objet un procédé de fabrication d'un ensemble électrique comportant un motif de conducteurs lié à un substrat non métallique par mise en oeuvre d'une technique de jonction eutectique, le motif comprenant des

éléments qui sont en regard du substrat sans être liés à celui-

ci. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble électrique comportant un motif de conducteurs lié à un substrat non métallique par mise en oeuvre d'une technique de jonction eutectique, dont certains

éléments non-liés sont en regard du substrat en en étant sépa-

résd'unecertaine distance, ce procédé ne nécessitant aucune

étape supplémentaire pour la réalisation des éléments non liés.

En résumé, selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, on soumet des zones données d'une face d'une feuille métallique à un réactif chimique à l'état humide pour provoquer une attaque partielle de la feuille sur son épaisseur Ensuite, on lie la feuille métallique à un substrat non métallique par formation à une température élevée d'un alliage eutectique à l'état fondu entre la feuille et le

substrat, alliage qui mouille le substrat et crée en se refroi-

dissant une jonction solide, stable On a constaté, tout au

moins pour une catégorie de cas utiles comme on le décrira ci-

après, que le métal non attaqué de la feuille dans chaque zone choisie n'épouse pas plastiquement la forme du substrat et ne s'y lie donc pas,bien qu'il y ait jonction entre les autres

parties de la feuille métallique et le substrat.

La description qui va suivre se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en perspective d'une partie d'un ensemble électrique comportant un motif de conducteurs lié à un substrat selon la présente invention; Figures 2 à 4, des vues semblables à celle de la figure

1 illustrant diverses étapes de fabrication de l'ensemble élec-

trique de la figure 1; Figure 5, une vue détaillée à grande échelle prise suivant la flèche 5 de la figure 1; Figure 6, une vue semblable à celle de la figure 1, illustrant une variante d'ensemble électrique construit selon la présente invention; et Figuré 7, une vue semblable à celle de la figure 1, mais en coupe, illustrant une nouvelle variante d'ensemble électrique

construit selon la présente invention.

En liaison avec la figure 1, un ensemble électrique 10 selon la présente invention comprend unimotif de conducteurs 12, construit à partir d'une feuille en métal tel que le cuivre, et

un substrat non métallique 14, tel qu'une céramique (par exem-

ple, en alumine ou en glucine) (oxyde de béryllium) Le motif de conducteurs 12 a été lié au substrat 14 en faisant appel à une

technique de jonction eutectique.

Le motif de conducteurs 12 comporte un élément d'inter-

connexion électrique 16, qui n'est pas lié au substrat 14 De plus, le motif comprend une partie caractéristique 18 telle

qu'on en rencontre typiquement dans un motif complet de con-

ducteurs.

On procèdera maintenant à la description, en li aison

avec les figures 2 à 4, d'un procédé particulier de fabrica-

tion de l'ensemble 10.

Comme représenté en figure 2, on forme des motifs 20 et 22 en matériau de protection (réserve) sur les surfaces

supérieure et inférieure, respectivement, d'une feuille métal-

l O lique 24, en employant des techniques connues de photolithogra-

phie Les motifs 20 et 22 en matériau de-protection peuvent être constitués, par exemple, du polymère pour film sec dit Laminar, vendu par la Société dite Dynachem Corp, Santa Anna, Californie Les motifs 20 et 22 protègent les parties de la feuille métallique 24 qu'ils recouvrent contre l'attaque d'un

réactif, utilisé d'une façon qui sera décrite ci-dessous.

Plus particulièrement, on recouvre selon la présente

invention la face supérieure d'une zone 26 de la feuille métal-

lique 24, qui est destinée à devenir l'élément d'interconnexion 16 (figure 1)>,avec la partie 21 du motif 20 en matériau de protection, mais on ne procède pas au revêtement de la face inférieure avec le motif 22 du matériau de protection Quant aux autres parties de la feuille métallique 24 représentées dans les figures, elles sont soit revêtues tant sur leur face supérieure que sur leur face inférieure de protection des motifs 20 et 22, respectivement, soit laissées exemptes de revêtement comme cela est, par exemple, le cas de la zone 28 La réalisation de la partie 21 du motif 20 en vue de l'obtention de l'élément d'interconnexion 16 (Figure 1) peut constituer une partie des

étapes du processus de formation de ce motif.

Par pulvérisation d'un réactif chimique à l'état humide (non représenté), tel que du chlorure ferrique, ou immersion

dans ce réactif, on procède à l'attaque de la feuille métalli-

que 24, protégée par les motifs 20 et 22, l'attaque se produi-

sant au moins aux endroits o la feuille est en cuivre Le

réactif attaque les parties de la surface de la feuille métalli-

que 24 qui ne sont pas protégées par les motifs 20 et 22 En particulier, l'attaque commence sur les deux faces de la feuille 24 etpar exemple dans la zone 28 de la feuille, l'attaque est complète, et il y a pénétration du réactif dans toute l'épais- seur de la feuille 24 Lorsque la zone 28 a été pénétrée sur toute son épaisseur, la partie 26 ne l'a été que partiellement car le réactif chimique ne peut venir en contact avec sa face supérieure, celle-ci étant recouverte par la portion 21 du motif 20 en matériau de protection A ce stade, le processus

d'attaque de la partie 26 de la feuille 24 n'est approximative-

ment qu'à mi-chemin On préfère alors cesser l'attaque de la

feuille métallique et, par conséquent, la réalisation de l'élé-

ment d'interconnexion 16 (Figure 1) dans la partie 26 de la

feuille 24 ne nécessite aucune modification de l'étape d'attaque.

L'aspect de la feuille métallique 24, dont le dessin correspond maintenant à celui du motif de conducteurs 12 (Figure 1), fait

l'objet de la Figure 3.

L'opération suivante consiste à enlever de la feuille 24 les motifs 20 et 22 en matériau de protection, représentés en Figure 3, avec un décapant, tel que le produit vendu par la Société dite Inland Chemical Corp d'Oneida, New York, sous le nom de Code AP-612 Comme représenté en Figure 4, on place ensuite sur le substrat 14 la feuille métallique 24 découpée suivant les motifs Pour lier alors la feuille au substrat 14 on fait appel à une technique de jonction eutectique Il est recommandé d'employer des techniques de jonction eutectique du type décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nos 3 766 634 et 3 994 430 Ces techniques impliquent toutes la formation à une température-élevée d'un alliage eutectique constitué essentiellement d'un métal provenant d'une feuille métallique, par exemple de cuivre, que l'on veut lier à un substrat, et d'une substance entrant en réaction à la chaleur, par exemple l'oxygène, au moins dans les cas o la feuille métallique renferme du cuivre Une autre technique de jonction eutectique fait, par exemple, l'objet du brevet des Etats-Unis

d'Amérique N O 2 857 663 et comprend la formation à une tempé-

rature élevée d'un alliage eutectique entre une feuille métal-

lique et un substrat par interposition d'un voile métallique entre la feuille et le substrat On supposera ici connus les

brevets cités précédemment.

Pendant que s'effectue la jonction de la feuille métal-

lique 24 et du substrat 14, il est utile de soutenir la partie 26 de la feuille, qui formera l'élément d'interconnexion 16 (Figure 1), avec un support auxiliaire 30 lorsque cet élément doit avoir une grande longueur Le support est constitué d'un matériau avec lequel la partie 26 ne se liera pas Au moins dans les cas o la feuille 24 est en cuivre et la substance

(de l'alliage eutectique) entrant en réaction à la chaleur com-

prend de l'oxygène, le support auxiliaire 30 peut être constitué de l'un des matériaux suivants: molybdène, tungstène, brique

réfractaire, et d'une céramique telle que l'alumine ou la glu-

cine revêtue de graphite sur sa surface supérieure Après avoir été liée au substrat 14, la feuille métallique 24 a l'aspect

du motif de conducteurs 12 de l'ensemble 10 (Figure 1) L'uti-

lisation du support 30 ne constitue qu'une opération mineure

dans le processus de fabrication de l'ensemble 10.

En liaison maintenant avec la Figure 5, on a représenté à grande échelle une partie de l'ensemble 10 de manière à faire ressortir les dimensions de l'élément d'interconnexion 16 que la présente invention permet d'obtenir Le motif de conducteurs 12 étant en cuivre, et la température élevée à laquelle se forme l'alliage eutectique à l'état fondu de cuivre et d'oxyde de cuivre que l'on recommande étant d'environ 10650 C, ou dans une plage d'environ 500 C autour du point de fusion du motif en cuivre 12, à savoir une température de 10830 C, on a fabriqué à de nombreuses reprises un élément d'interconnexion 16 ayant une longueur sans jonction Lde 0,18 cm et une épaisseur T de

0,013 cm, l'épaisseur du motif 12 étant de 0,025 cm Ces résul-

tats ont pu être obtenus sans utilisation du support auxiliaire (Figure 4) pendant l'étape de jonction Il semble que la largeur W de l'élément 16 ne joue pas de rôle important sur la

valeur de la longueur L pouvant être atteinte.

Les résultats précédents ne concernent que la seule réalisation de l'élément d'interconnexion 16 Sur la base de ces résultats, la théorie des poutres élastiques laisse prévoir qu'on pourrait obtenir un élément 16 ayant une longueur sans

jonction L de 0,470 cm en utilisant, pendant l'étape de jonc-

tion, le support auxiliaire 30 (Figure 4), avec les mêmes conditions de type et d'épaisseur de métal que précédemment pour le motif de conducteurs 12/et de température de l'alliage eutectique Dans le cas o le motif est en cuivre et a une épaisseur de 0,013 cm et l'élément 16 a une épaisseur moitié de la valeur précédente (c'est-à-dire 0,006 cm), la théorie des poutres élastiques laisse entrevoir que la longueur sans jonction L'de l'élément 16 pourrait atteindre 0,107 cm sans

utilisation du support auxiliaire 30, et 0,28 cm avec utilisa-

tion du support En outre, pour un élément 16 d'épaisseur donnée, plus il est placé haut au-dessus du substrat 14 pendant l'opération de jonction, plus sa longueur L peut être grande tout en ne restant pas lié au substrat, car il est alors des plus invraisemblables qu'il épouse plastiquement la forme du

substrat pour se lier à celui-ci.

De nouveau en liaison avec la Figure 5, la présente invention permet au motif de conducteurs 12, sur lequel sont généralement montés des dispositifs électriques dégageant de la chaleur (non représentés), de fonctionner normalement à de hautes tensions par rapport à un radiateur métallique (non représenté) sur lequel est classiquement fixé le substrat 14 La raison en est que l'élément 16, fabriqué selon le procédé de la présente invention, surplombe une partie de la surface supérieure du substrat Cette disposition qui s'écarte des

enseignements de l'art antérieur se traduit par une augmenta-

tion de la longueur de la ligne de fuite électrique 32 sur la surface du substrat 14 entre le motif de conducteurs 12 et le radiateur de chaleur monté au-dessous du substrat Avec une longueur L de l'élément d'interconnexion 16 de 0,180 cm, le motif de conducteurs 12 peut fonctionner à une tension par rapport au radiateur métallique supérieure à 600 volts sans amorçage accidentel le long de la ligne de fuite 32 Comme l'élément 16 n'est pas lié au substrat, on peut avantageusement

le cambrer vers le haut jusqu'à la position 16 ' afin de s'assu-

rer qu'en service il ne viendra pas accidentellement en contact

avec le substrat.

La Figure 6 représente une variante d'ensemble électri-

que 40 pouvant être fabriqué selon la procédé de la présente invention L'ensemble 40 comprend un motif de conducteurs 42 lié à un substrat 44, la jonction entre motif et substrat étant

réalisée par un alliage eutectique Avant de procéder à la jonc-

tion, il faut placer le motif 42 sur le substrat 44 Afin d'enp-

cher que les parties par ailleurs non reliées 46 et 48 du motif 42 ne se trouvent hors d'alignement, on fait appel, selon la présente invention, à un élément d'interconnexion mécanique 50 semblable à l'élément d'interconnexion électrique 16 On peut

alors facilement sectionner cet élément avec un instrument tran-

chant, par exemple, après jonction du motif 42 et du substrat

44 Une procédure appropriée de fabrication du motif 42 incor-

portant l'élément 50 comprend fondamentalement les mêmes étapes que la procédure décrite précédemment pour la construction du

motif de conducteurs 12 (Figure 1) comportant l'élément d'inter-

connexion électrique 16, la longueur obtenue pour l'élément 50 étant semblable à celle de l'élément 16 lorsqu'on utilise le

support auxiliaire 30 (Figure 4).

La Figure 7 représente un autre ensemble électrique 60

pouvant être fabriqué selon le procédé de la présente invention.

L'ensemble 60 comprend des motifs de conducteurs 62 et 64, qui sont tous deux liés à un substrat 66, la jonction étant réalisée

avec un alliage eutectique L'épaisseur du motif 62 est infé-

rieure à la moitié de celle du motif 64 Le motif 64 de plus

grande épaisseur comporte un élément d'interconnexion 68 (re-

présenté partiellement enlevé), fabriqué selon le procédé de la présente invention, qui forme un pont au-dessus du motif 62

sans être en contact avec lui Dans la fabrication de l'ensem-

ble 60, on procède d'abord à la jonction du motif 62 et du substrat 66 Puis l'élément 68 est lié au substrat Dans la mesure o cet élément est semblable à l'élément d'interconnexion mécanique 50 (Figure 6), un procédé approprié de fabrication du motif de conducteurs 64 avec son pont 68 comporte les mêmes

étapes que le procédé décrit antérieurement.

D'après ce qui précède, on remarquera que la présente invention permet de fabriquer des ensembles électriques divers, comprenant chacun un motif de conducteurs lié à un substrat non métallique et présentant des zones qui ne sont pas liées au substrat On notera également que la réalisation des zones qui ne sont pas liées au substrat ne nécessite qu'une opération mineure.

L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisa-

tion décrits ci-dessus à titre d'exemples, et l'homme de l'art

pourra y apporter toutes modifications sans sortir de son cadre.

Par exemple, on pourrait utiliser des métaux autres que le cuivre mentionné ci-dessus pour la réalisation des motifs de conducteurs, entre autres les métaux conducteurs dont il est question dans les brevets cités précédemment De plus, à la place d'une céramique, on pourrait employer d'autres types de substrats non métalliques tels que, par exemple, une pastille de matériau semi-conducteur en silicium, qui est réfractaire et peut contenir des dispositifs

électroniques intégrés.

En outre, on pourrait extraire le métal d'une feuille métallique en faisant appel à un procédé autre que l'attaque chimique, par exemple par usinage sur une fraiseuse ou avec un laser.

Claims

REVENDICATIONS

1 Procédé de fabrication d'un ensemble ( 10; 40; 60) comportant un motif de conducteurs ( 12; 42; 62; 64) lié à un substrat non métallique ( 14; 44; 66) o il y a jonction d'une feuille métallique ( 24) présentant un motif ( 20; 22) et du

substrat en formant à une température élevée un alliage eutec-

tique à l'état fondu entré la feuille et le substrat, caracté-

risé en ce qu'il comprend la réalisation d'un élément non lié ( 16; 50; 68) dans le motif de conducteurs, celle-ci consistant, 1 o avant l'opération de jonction, à procéder à une pénétration

partielle d'une zone choisie de la face de la feuille métalli-

que devant être liée au substrat, d'o il résulte que le métal restant de la feuille métallique dans cette zone constitue un

élément ( 16; 50; 68) qui ne se lie pas au substrat.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage eutectique à l'état fondu est essentiellement constitué d'un métal sensiblement identique à celui de la feuille métallique et d'une substance entrant en réaction à la chaleur. 3 Procécé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la substance entrant en réaction à la chaleur comprend de l'oxygène. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage eutectique à l'état fondu est essentiellement

constitué de cuivre et d'oxyde de cuivre.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce

que la feuille métallique ( 24) comprend du cuivre.

6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce

que le substrat non métallique ( 14; 44; 66) comprend une cérami-

que.

7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le substrat en céramique est constitué de l'un des groupes

comprenant l'alumine et l'oxyde béryllium.

8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé-en ce que le substrat non métallique est constitué d'une pastille de

matériau semi-conducteur.

9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de pénétration partielle de la face de la feuille métallique ( 24) consiste à enlever du métal de la feuille avec un réactif chimique. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à lier la feuille métallique ( 24) au substrat ( 14; 44; 66) comprend l'opération de soutien de la zone de la feuille métallique dont la pénétration a été partielle

avec un support auxiliaire ( 30).

11 Ensemble électrique ( 10; 40; 60) comportant une feuil-

le métallique ( 24), un substrat non métallique ( 14; 44; 66), et un alliage eutectique placé entre le substrat et au moins une

partie de la feuille métallique qu'il lie l'un à l'autre, carac-

térisé en ce qu'au moins une zone donnée ( 26; 50; 68) de la feuille métallique comprend une surface en regard d'une surface

du substrat, mais à une certaine distance de celle-ci.

12 Ensemble selon larevendication 11, caractérisé en ce que l'alliage eutectique est essentiellement constitué d'un

métal identique à celui de la feuille métallique et d'une subs-

tance entrant en réaction à la chaleur.

13 Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce que la substance entrant en réaction à la chaleur comporte

de l'oxygène.

14 Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'alliage eutectique est essentiellement constitué de

cuivre et d'oxyde de cuivre.

Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en

ce que la feuille métallique ( 24) est une feuille en cuivre.

16 Ensemble selon la revendication 15, caractérisé en

ce que le substrat non métallique ( 14; 44; 66) est en céramique.

17 Ensemble selon la revendication 16, caractérisé en

ce que le substrat en céramique est constitué de l'un des grou-

pes comprenant l'alumine et l'oxyde de bérillium.

18 Ensemble selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat non métallique est une pastille de matériau semi-conducteur.