WO2000015578A1 - Assemblage metal-nitrure d'aluminium, avec presence de nitrure de terre(s) rare(s) a l'interface pour assurer le transfert thermique - Google Patents

Assemblage metal-nitrure d'aluminium, avec presence de nitrure de terre(s) rare(s) a l'interface pour assurer le transfert thermique Download PDF

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François Saint-Antonin
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Definitions

  • METAL-NITRU E ASSEMBLY OF ALUMINUM, WITH PRESENCE OF RARE EARTH (S) NITRIDE (S) AT THE INTERFACE TO ENSURE
  • the present invention relates to an assembly between a first element comprising aluminum nitride and a second element of metal or metal alloy, which ensures good heat transfer between the two elements.
  • Such an assembly the particularity of which is to conduct heat well between the two materials, can be used in various fields where high heat transfer is necessary. It can be used for example in
  • Document JP-A-05 171 317 [4] also illustrates the metallization of an aluminum nitride substrate by means of a copper alloy, with 5 to 25% by weight of rare earth and 0.5% to 10% by weight of another metal chosen from Fe, Co and Ni. A strong bond is thus obtained between the aluminum nitride substrate and the metallization layer with a high resistance to oxidation and to heat. As before, this document is not concerned with ensuring good thermal transfer at the interface between a ceramic element and a metallic element.
  • the previous documents and the literature relating to the metal-ceramic assembly do not address the problem of heat transfer at the interface between the ceramic and the metal or the metal alloy.
  • these assemblies must allow significant heat dissipation. This is particularly the case for electronic applications for which alumina is the most widely used ceramic to date.
  • Alumina has a thermal conductivity of 25 W / mK while aluminum nitride has a thermal conductivity of 170 to 200 W / mK
  • the gain provided by aluminum nitride on alumina is much lower than expected, due to the poor thermal conduction of the metal-aluminum nitride interface. This can be explained by the presence at the interface of compounds poor thermal conductors and many faults.
  • titanium and zirconium nitrides are TiN ! _ x with x varying from 0 to 0.49 and ZrN ! _ x with x varying from 0 to 0.2.
  • the existing data from references [6] and [7] on the thermal conductivities of titanium and zirconium nitrides show that these vary significantly depending on the nature of the nitride formed.
  • the thermal conductivity is 12.5 W / mK; for TiN 0.9 , it is 30.5 W / mK and for TiN of
  • the thermal conductivity increases with the nitrogen content of the nitride.
  • the present invention specifically relates to an assembly between aluminum nitride and metal or metal alloy, in which the composition of the interface can be controlled to obtain a high thermal transfer between the aluminum nitride element and the element. metallic or metallic alloy.
  • the subject of the invention is an assembly of a first element comprising aluminum nitride and a second element of metal or metal alloy, in which the interface between the two elements comprises at least one simple or complex nitride.
  • rare earth scandium and / or yttrium.
  • the interface is made of a simple or complex nitride of rare earth, scandium and / or yttrium, which has a high and controllable thermal conductivity because the composition of the rare earth nitrides cannot vary in proportions important.
  • the first element based on aluminum nitride can be made of a material chosen from polycrystalline aluminum nitride, monocrystalline aluminum nitride, an aluminum nitride-metal composite material or aluminum nitride-ceramic comprising at least 40% by volume of aluminum nitride.
  • the metal can be, for example, molybdenum
  • the ceramic can be, for example, titanium diboride TiB 2 .
  • the first element When the first element is made of monocrystalline or polycrystalline aluminum nitride, it may be a solid part or a deposit made on another support such as silicon.
  • the deposition is advantageously carried out by vapor deposition.
  • the second element is made of metal or a metal alloy which is a good conductor of heat.
  • This second element can advantageously be made of copper or a copper alloy, for example a copper alloy containing at least one precious metal chosen from Ag, Pt, Pd and Au.
  • the rare earth nitride included in the interface between the two elements can be a nitride of one or more of the rare earths belonging to the series La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu. It is also possible to use scandium nitride and / or yttrium nitride.
  • the assembly between the two elements can be carried out: by simple brazing, reactive or using hydrides, or
  • the invention also relates to a method of assembling a first element comprising aluminum nitride and a second element of metal or metal alloy.
  • the brazing technique is used, and the method comprises the following steps: a) placing between the two elements to be assembled a sheet of brazing of a metal alloy comprising at least one metal chosen from rare earths, scandium and yttrium, and b) brazing the assembly thus obtained at a temperature of 700 to 1500 ° C or at a temperature between 20 and 100 ° C above the melting temperature of the alloy of the solder sheet, possibly in a nitrogen atmosphere.
  • the metal alloy of the sheet is preferably a metal alloy compatible with the second element, to which the metal or metals chosen from rare earths, scandium and yttrium are added.
  • the metal alloy of the sheet is preferably a copper alloy comprising at least one metal chosen from rare earths, scandium and yttrium, and optionally a metal or several precious metals chosen from Ag, Au, Pt and Pd, and which may contain up to 15% by weight of indium.
  • the metal alloy brazing sheet comprises up to 37% by weight of the metal belonging to the rare earth family, scandium and yttrium, and preferably 0.7 to 17% by weight.
  • the precious metal content may vary from
  • the presence of oxygen in the interface is prohibitive because it inevitably leads to a decrease in the thermal conductivity of the assembly by the formation of rare earth oxides and / or aluminum which have low thermal conductivities.
  • the metals used must be very pure and the aluminum nitride element can be polished or chemically treated before assembly to remove any layer of alumina on the surface.
  • the brazing sheet used in this first embodiment of the process of the invention can be prepared from metals by melting the desired brazing alloy which is then cold rolled in the form of a sheet.
  • the brazing alloy can be produced by induction melting in a cold crucible under a very good vacuum and cooled quickly. One can also use other techniques such as roll quenching to make these alloys.
  • the thickness of the solder sheet is generally 20 to 200 ⁇ m. It is also possible to produce the assembly according to the invention using a technique of depositing the rare earth or the rare earth nitride on the first element of the assembly. Also, according to a second embodiment of the method of the invention, it comprises the following steps: a) depositing on the first element at least one metal or metallic nitride chosen from rare earths, scandium, yttrium and their nitrides, under a nitrogen-based atmosphere, b) subjecting the first element thus coated to a heat treatment at a temperature of 1000 to 1900 ° C.
  • a third embodiment of the process of the invention comprises the following steps: a) depositing on the first element at least one metallic nitride chosen from the rare earth, yttrium and scandium nitrides, b) placing the second element to be assembled in contact with the deposit thus formed, and c) optionally subjecting the assembly thus obtained to a heat treatment, at a temperature of 700 to 1500 ° C.
  • a deposition technique is used to form the solder and the last step corresponds to soldering.
  • the assembly interface is formed in two stages, the temperature of the first step being chosen as a function of the melting temperature of the rare earth used to react the deposit with aluminum nitride.
  • the rare earth nitride is applied directly to the interface in a single step.
  • the deposition and any thermal treatment (s) are carried out under an oxygen-free atmosphere to avoid the formation of oxide which would adversely affect the thermal conductivity of the interface. .
  • the presence of oxygen on the elements to be assembled is also avoided.
  • the deposition of metals belonging to the rare earth family, of yttrium and scandium and / or of their nitrides can be carried out by conventional techniques such as chemical or physical vapor deposition.
  • the second element can be placed above the deposit, either in solid form, or by directly forming this element above the deposit by depositing the metal or the metal alloy forming this second element.
  • the deposition technique can be a conventional technique such as vapor deposition.
  • the interface formed between the first element and the second element of the assembly allows thermal transfer from one to the other with a minimum of losses, ensuring a strong transmission and minimal heat reflection.
  • the interface generally has the following structure: by moving from the second element to the first element, there is successively copper or its alloy, possibly a zone composed mainly copper and copper / rare earth intermetallic, a layer of rare earth nitride and aluminum nitride.
  • This assembly has the advantage of conducting heat well, which allows good thermal conduction of the metal such as copper to aluminum nitride. This is achieved first by the crystallographic compatibility of the materials which have small differences in lattice parameters, which allows good accommodation of the mechanical stresses due to the difference in coefficient of thermal expansion of the copper or the copper alloy. and rare earth nitride, on the one hand, and rare earth nitride and aluminum nitride, on the other hand.
  • Copper has a thermal conductivity of 400 W / mK and that of AIN is in practice from 170 to 200 W / mK
  • a copper plate is assembled with a polycrystalline aluminum nitride substrate.
  • the brazing process is used by placing between the aluminum nitride substrate and the copper plate a sheet of copper-yttrium alloy of approximately 150 ⁇ m in thickness comprising 5.5% by atom ( 7.5% by weight) of yttrium.
  • the copper plate is placed above the assembly and a molybdenum weight is placed above this plate which ensures mechanical contact between the substrate, the solder sheet and the copper plate.
  • the assembly is then introduced into a secondary vacuum oven, which has been swept beforehand by an inert gas in order to remove all traces of oxygen and water, and the assembly is heated to 1000 ° C. for 30 minutes.
  • a polycrystalline aluminum nitride substrate and a copper plate are assembled following the same procedure as in Example 1, but a sheet of copper alloy and dysprosium comprising 4 is used for the brazing. , 1% by atom (9.84% by weight) of dysprosium.
  • the alloy is pre-prepared by quenching on a roller and is in the form of a sheet 40 ⁇ m thick. This sheet is cleaned in an ultrasonic bath with alcohol, then with acetone.
  • the aluminum nitride substrate was polished to the micron and cleaned in an alcohol and acetone ultrasonic bath just before the assembly was carried out. Likewise, the copper plate is mechanically etched to overcome any layer of surface oxide.
  • Example 2 As in Example 1, the aluminum nitride substrate, the Cu-Dy alloy sheet and the copper plate are stacked, then the assembly is brazed in a secondary vacuum oven at a temperature at 1000 ° C for 30 minutes. An assembly is thus obtained with a high thermal conductivity.
  • an aluminum nitride substrate obtained by vapor deposition and a copper plate are assembled using a copper-silver-dysprosium alloy sheet comprising 57.5% of silver and 4.1% dysprosium atom.
  • the sheet alloy is pre-prepared in a cold crucible, then a part is rolled to make a sheet about 150 ⁇ m thick.
  • the copper-silver-dysprosium alloy sheet with a thickness of approximately 150 ⁇ m and the copper plate are placed above the aluminum nitride substrate, and a weight of molybdenum is placed over it to ensure mechanical contact between the elements. Brazing is carried out at 1000 ° C for 30 minutes, in a secondary vacuum oven as in the previous examples. The assembly obtained has good heat transfer properties.

Abstract

L'invention concerne l'assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, dans lequel l'interface entre les deux éléments comprend au moins un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium. Cet assemblage peut être obtenu par brasage en disposant entre les éléments une feuille de brasure en alliage comprenant au moins une terre rare, du scandium et/ou de l'yttrium, par exemple un alliage Cu-Y, Cu-Dy ou Cu-Ag-Dy.

Description

ASSEMBLAGE METAL-NITRU E D'ALUMINIUM, AVEC PRESENCE DE NITRURE DE TERRE (S) RARE (S) A L'INTERFACE POUR ASSURER
LE TRANSFERT THERMIQUE
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention a pour objet un assemblage entre un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et un second élément en métal ou alliage métallique, qui permet d'assurer un bon transfert thermique entre les deux éléments.
Un tel assemblage, dont la particularité est de bien conduire la chaleur entre les deux matériaux, peut être utilisé dans divers domaines où un transfert thermique élevé est nécessaire. II peut être utilisé par exemple dans
1 ' industrie de la micro-électronique et de l'électronique de puissance, ou encore dans tout système nécessitant une évacuation de chaleur entre un élément métallique et une céramique en nitrure d'aluminium.
En effet, l'augmentation croissante de la densité des composants, en particulier de puissance, sur les circuits, génère des flux de chaleur de plus en plus importants. Les interfaces existant à l'heure actuelle entre éléments métalliques et céramiques ne permettent pas une évacuation suffisante de cette chaleur car l'interface entre les éléments constitue encore une barrière thermique. De ce fait, des systèmes complexes de refroidissement sont nécessaires. État de la technique antérieure
On connaît des procédés d'assemblage entre éléments métalliques et éléments en nitrure d'aluminium au moyen de nitrure de titane ou de zirconium. Ainsi, le document : TOMSIA A. P. et al,
Reactions and Microstructure at Selected Ceramic/Metal Interfaces - Mater. Manuf . Process. 9, (3), 547-561, 1994 [1], illustre la réalisation d'une brasure entre des alliages argent-cuivre et un substrat céramique à base de nitrure d'aluminium, dans lequel on forme à l'interface entre la céramique et le métal un nitrure de titane ou de zirconium. Dans ce document, on étudie surtout le mouillage de la céramique par l'alliage argent-cuivre contenant du titane et non le transfert thermique à l'interface.
Le document NICHOLAS M. G. et al , Some Observations on the Wetting and Bonding of Nitride Ceramics, J. Mater. Sci. 25, (6), 2679-2689, 1990 [2], montre également que des alliages de brasure à base d'argent, de cuivre et de titane mouillent des céramiques à base de nitrure d'aluminium et que la liaison obtenue qui contient du nitrure de titane est bonne. Comme précédemment, ce document ne se préoccupe pas du transfert thermique au niveau de l'interface. Le document JP-A-05 271 828 [3] illustre la métallisation d'un substrat en nitrure d'aluminium au moyen d'une composition comprenant du cuivre et 5 à 25 % en poids de terres rares, ce qui permet d'obtenir une bonne liaison entre la couche de métallisation et le substrat de nitrure d'aluminium. Dans ce document, la couche de métallisation est formée à partir de poudres de cuivre et d'une terre rare, ce qui lors de l'application à l'air conduit inévitablement à la formation d'oxyde de terre rare ayant une conductibilité thermique très faible. Une telle liaison ne peut donc assurer un bon transfert thermique à l'interface.
Le document JP-A-05 171 317 [4] illustre également la métallisation d'un substrat de nitrure d'aluminium au moyen d'un alliage de cuivre, avec 5 à 25 % en poids de terre rare et 0,5 % à 10 % en poids d'un autre métal choisi parmi Fe, Co et Ni. On obtient ainsi une liaison forte entre le substrat de nitrure d'aluminium et la couche de métallisation avec une résistance élevée à l'oxydation et à la chaleur. Comme précédemment, ce document ne se préoccupe pas d'assurer un bon transfert thermique à l'interface entre un élément en céramique et un élément métallique.
Ainsi, les documents précédents et la littérature relative à l'assemblage métal-céramique n'abordent pas le problème du transfert thermique à l'interface entre la céramique et le métal ou l'alliage métallique. Or, dans de nombreuses applications, ces assemblages doivent permettre une évacuation importante de chaleur. C'est le cas en particulier des applications électroniques pour lesquelles l'alumine est la céramique la plus largement utilisée à ce jour. L'alumine présente une conductibilité thermique de 25 W/m.K alors que le nitrure d'aluminium présente une conductibilité thermique de 170 à 200 W/m.K. Cependant, jusqu'à présent le gain apporté par le nitrure d'aluminium sur l'alumine est très inférieur à ce que l'on pouvait espérer, en raison de la faible conduction thermique de l'interface métal-nitrure d'aluminium. Ceci peut s'expliquer par la présence à l'interface de composés mauvais conducteurs thermiques et de nombreux défauts .
Dans le cas des interfaces comportant du nitrure de titane ou du nitrure de zirconium tels que ceux des références [1] et [2], ces nitrures ne permettent pas de contrôler le transfert thermique entre les deux éléments. En effet, ces nitrures ont un domaine d'existence en composition très large, comme il apparaît dans le document : MASSALSKI T.B. , Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd Edition, Vol. 1, pages 1084,
2714, 2707 et 2717, 1990, [5]. D'après le document :
KOSOLAPOVA T. Ya, Handbook of High Température
Compounds : Properties, Production, Application,
Hémisphère Publishing Corporation, New York, p.179-180 et p. 383, 1990 [6], les formules de ces nitrures de titane et de zirconium sont TiN!_x avec x variant de 0 à 0,49 et ZrN!_x avec x variant de 0 à 0,2. Les données existantes des références [6] et [7] sur les conductibilités thermiques des nitrures de titane et de zirconium montrent que celles-ci varient notablement en fonction de la nature du nitrure formé .
Ainsi, pour TiN0,83 à 27°C, la conductibilité thermique est de 12,5 W/m.K. ; pour TiN0,9, elle est de 30,5 W/m.K. et pour TiN de
41,8 W/m.K. Ainsi, la conductibilité thermique augmente avec la teneur en azote du nitrure.
Dans le cas du zirconium, comme il ressort du document : Samsonov G.V. et VINITSKI I.M. Handbook of Refractory Compounds, Plénum Press, New York, p. 195, 1980, [7], la conductibilité thermique du nitrure ZrN0 , 92 est de 28 , 2 W/m . K à 27 °C . Le problème posé par un interface réalisé à partir de ces nitrures est donc qu'il ne permet pas un contrôle de la conductibilité thermique en raison de la possibilité de former un nitrure à stoechiometrie variable.
La présente invention a précisément pour objet un assemblage entre nitrure d'aluminium et métal ou alliage métallique, dans lequel on peut contrôler la composition de l'interface pour obtenir un transfert thermique élevé entre l'élément en nitrure d'aluminium et l'élément métallique ou en alliage métallique.
Exposé de l'invention
Aussi, l'invention a pour objet un assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, dans lequel l'interface entre les deux éléments comprend au moins un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium.
Dans cet assemblage, l'interface est réalisé en un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium, qui présente une conductibilité thermique élevée et contrôlable car la composition des nitrures de terres rares ne peut varier dans des proportions importantes. En effet, classiquement, les nitrures de terre rare sont définis par la formule rNi_x avec x = 0 à 0,1.
Dans cet assemblage, le premier élément à base de nitrure d'aluminium peut être réalisé en un matériau choisi parmi le nitrure d'aluminium polycristallin, le nitrure d'aluminium monocristallin, un matériau composite nitrure d'aluminium-métal ou nitrure d'aluminium-céramique comportant au moins 40 % en volume de nitrure d'aluminium.
Dans ces composites, le métal peut être par exemple le molybdène, et la céramique peut être par exemple le diborure de titane TiB2.
Lorsque le premier élément est en nitrure d'aluminium monocristallin ou polycristallin, il peut s'agir d'une pièce massive ou d'un dépôt réalisé sur un autre support tel que le silicium. Le dépôt est avantageusement réalisé par dépôt en phase vapeur.
Dans l'assemblage de l'invention, le second élément est en métal ou en alliage métallique bon conducteur de la chaleur. Ce second élément peut être réalisé avantageusement en cuivre ou en alliage de cuivre, par exemple en alliage de cuivre contenant au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt , Pd et Au.
Le nitrure de terre rare inclus dans l'interface entre les deux éléments peut être un nitrure d'une ou plusieurs des terres rares appartenant à la série La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb et Lu. On peut aussi utiliser le nitrure de scandium et/ou le nitrure d'yttrium.
L'assemblage entre les deux éléments peut être effectué : par brasage simple, réactif ou utilisant des hydrures, ou
- par métallisation (dépôt chimique ou physique en phase vapeur) . Aussi, l'invention a également pour objet un procédé d'assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique. Selon un premier mode de réalisation, on utilise la technique de brasage, et le procédé comprend les étapes suivantes : a) disposer entre les deux éléments à assembler une feuille de brasure en alliage métallique comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l' yttrium, et b) réaliser le brasage de l'ensemble ainsi obtenu à une température de 700 à 1500°C ou à une température comprise entre 20 et 100°C au-dessus de la température de fusion de l'alliage de la feuille de brasure, éventuellement dans une atmosphère d'azote.
Dans ce procédé, l'alliage métallique de la feuille est de préférence un alliage métallique compatible avec le second élément, auquel on ajoute le ou les métaux choisis parmi les terres rares, le scandium et l' yttrium. Lorsque le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre, l'alliage métallique de la feuille est de préférence un alliage de cuivre comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l' yttrium, et éventuellement un métal ou plusieurs métaux précieux choisis parmi Ag, Au, Pt et Pd, et pouvant contenir jusqu'à 15 % en poids d' indium. Généralement, la feuille de brasure en alliage métallique comprend jusqu'à 37 % en poids du métal appartenant à la famille des terres rares, du scandium et de l' yttrium, et de préférence 0,7 à 17 % en poids. La teneur en métal précieux peut varier de
0 à 72 % en poids. Dans ce procédé, on évite la formation d'oxydes de terres rares et d'aluminium en effectuant le brasage dans une atmosphère exempte d'oxygène.
En effet, la présence d'oxygène dans l'interface est rédhibitoire car elle entraîne inévitablement une baisse de la conductibilité thermique de l'assemblage par formation d'oxydes de terres rares et/ou d'aluminium qui ont des conductibilités thermiques faibles. Pour éviter la présence d'oxygène, il est important de réaliser les éléments à assembler, la feuille de brasure et le brasage en atmosphère exempte d'oxygène afin d'avoir des interfaces propres. Les métaux utilisés doivent être très purs et l'élément en nitrure d'aluminium peut être poli ou traité chimiquement avant assemblage pour s'affranchir de toute couche d'alumine en surface.
La feuille de brasure utilisée dans ce premier mode de réalisation du procédé de l'invention peut être préparée à partir des métaux en élaborant par fusion l'alliage de brasage voulu qui est ensuite laminé à froid sous forme d'une feuille. L'alliage de brasage peut être élaboré par fusion par induction en creuset froid sous un très bon vide et refroidi rapidement. On peut aussi utiliser d'autres techniques telles que la trempe sur rouleau pour réaliser ces alliages .
L'épaisseur de la feuille de brasure est généralement de 20 à 200 μm. On peut aussi réaliser l'assemblage conforme à l'invention en utilisant une technique de dépôt de la terre rare ou du nitrure de terre rare sur le premier élément de l'assemblage. Aussi, selon un second mode de réalisation du procédé de l'invention, celui-ci comprend les étapes suivantes : a) déposer sur le premier élément au moins un métal ou nitrure métallique choisi parmi les terres rares, le scandium, l' yttrium et leurs nitrures, sous une atmosphère à base d'azote, b) soumettre le premier élément ainsi revêtu à un traitement thermique à une température de 1000 à 1900°C pour faire réagir le dépôt avec le nitrure d'aluminium, éventuellement dans une atmosphère d'azote, c) disposer au-dessus de l'élément ainsi traité le second élément de façon qu'il soit en contact avec le dépôt, et d) soumettre éventuellement l'ensemble à un second traitement thermique à une température de 700 à 1500°C. Selon un troisième mode de réalisation du procédé de l'invention, celui-ci comprend les étapes suivantes : a) déposer sur le premier élément au moins un nitrure métallique choisi parmi les nitrures de terres rares, d'yttrium et de scandium, b) disposer au contact du dépôt ainsi formé le second élément à assembler, et c) soumettre éventuellement l'ensemble ainsi obtenu à un traitement thermique, à une température de 700 à 1500°C.
Dans ces deux derniers modes de réalisation, on utilise une technique de dépôt pour former la brasure et la dernière étape correspond à un brasage.
Dans le second mode de réalisation, on forme l'interface de l'assemblage en deux étapes, la température de la première étape étant choisie en fonction de la température de fusion de la terre rare utilisée pour faire réagir le dépôt avec le nitrure d' aluminium. Dans le troisième mode de réalisation, on applique directement le nitrure de terre rare à l'interface en une seule étape.
Dans ces deux derniers modes de réalisation, on réalise le dépôt et le (s) traitement (s) thermique (s) éventuels sous une atmosphère exempte d'oxygène pour éviter la formation d'oxyde qui nuirait à la conductibilité thermique de l'interface. Comme précédemment, on évite aussi la présence d'oxygène sur les éléments à assembler. Le dépôt des métaux appartenant à la famille des terres rares, de l' yttrium et du scandium et/ou de leurs nitrures peut être effectué par des techniques classiques telles que le dépôt chimique ou physique en phase vapeur. Dans les deux derniers modes de réalisation décrits ci-dessus, le second élément peut être disposé au dessus du dépôt, soit sous forme massive, soit en formant directement cet élément au-dessus du dépôt par dépôt du métal ou de l'alliage métallique formant ce second élément.
Dans le cas du cuivre ou des alliages de cuivre, la technique de dépôt peut être une technique classique telle que le dépôt en phase vapeur.
Dans le cas où le second élément est formé directement par dépôt sur l'ensemble, il n'est généralement pas nécessaire d'effectuer l'étape d) ou c) de traitement thermique. Avec les procédés d'assemblage décrits ci- dessus, l'interface constitué entre le premier élément et le second élément de l'assemblage permet de réaliser un transfert thermique de l'un vers l'autre avec un minimum de pertes, en assurant une forte transmission et une réflexion minimale de la chaleur.
Dans le cas où le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre, l'interface possède généralement la structure suivante : en se déplaçant du second élément vers le premier élément, on trouve successivement du cuivre ou son alliage, éventuellement une zone composée majoritairement de cuivre et d' intermétalliques cuivre/terre rare, une couche de nitrure de terre rare et du nitrure d'aluminium. Cet assemblage présente l'avantage de bien conduire la chaleur, ce qui permet une bonne conduction thermique du métal tel que le cuivre vers le nitrure d'aluminium. Ceci est réalisé d'abord par la compatibilité cristallographique des matériaux qui possèdent de faibles différences de paramètres de maille, ce qui permet une bonne accommodation des contraintes mécaniques dues à la différence de coefficient d'expansion thermique du cuivre ou de l'alliage de cuivre et du nitrure de terre rare, d'une part, et du nitrure de terre rare et du nitrure d'aluminium, d'autre part.
Le cuivre a une conductibilité thermique de 400 W/m.K et celle de AIN est en pratique de 170 à 200 W/m.K. Le fait que le nitrure de terre rare formé à l'interface soit à stoechiometrie fixe, c'est-à-dire qu'il existe sur un domaine de composition très étroit contrairement au nitrure de titane et au nitrure de zirconium, contribue à la bonne conductibilité thermique de l'assemblage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Exemple 1
Dans cet exemple, on assemble une plaque de cuivre avec un substrat de nitrure d'aluminium polycristallin.
Pour cet assemblage, on utilise le procédé de brasage en disposant entre le substrat de nitrure d'aluminium et la plaque de cuivre une feuille d'alliage de cuivre-yttrium d'environ 150 μm d'épaisseur comprenant 5,5 % en atome (7,5 % en poids) d'yttrium. On dispose la plaque de cuivre au-dessus de l'assemblage et on place au-dessus de cette plaque un poids en molybdène permettant d'assurer le contact mécanique entre le substrat, la feuille de brasure et la plaque de cuivre.
On introduit alors l'ensemble dans un four sous-vide secondaire, qui a été balayé au préalable par un gaz inerte afin d'éliminer toute trace d'oxygène et d'eau, et on chauffe l'ensemble à 1000°C pendant 30 minutes.
On obtient ainsi un assemblage de la plaque de cuivre et du substrat de nitrure d'aluminium qui présente une conductibilité thermique élevée. Exemple 2
Dans cet exemple, on assemble un substrat en nitrure d'aluminium polycristallin et une plaque de cuivre en suivant le même mode opératoire que dans l'exemple 1, mais on utilise pour la brasure une feuille d'alliage de cuivre et de dysprosium comprenant 4,1 % en atome (9,84 % en poids) de dysprosium. L'alliage est pré-élaboré par trempe sur rouleau et il se présente sous la forme d'une feuille de 40 μm d'épaisseur. On nettoie cette feuille dans un bain d'ultrasons à l'alcool, puis à l'acétone.
Le substrat de nitrure d'aluminium a été poli au micron et nettoyé dans un bain d'ultrasons à l'alcool et à l'acétone juste avant la réalisation de l'assemblage. De même, la plaque de cuivre est décapée mécaniquement pour s'affranchir de toute couche d'oxyde de surface.
Comme dans l'exemple 1, on empile le substrat en nitrure d'aluminium, la feuille d'alliage Cu-Dy et la plaque de cuivre, puis on réalise le brasage de l'ensemble dans un four sous-vide secondaire à une température de 1000°C, pendant 30 minutes. On obtient ainsi un assemblage avec une conductibilité thermique élevée.
Exemple 3
Dans cet exemple, on réalise l'assemblage d'un substrat en nitrure d'aluminium obtenu par dépôt en phase vapeur et d'une plaque de cuivre en utilisant une feuille d'alliage cuivre-argent-dysprosium comprenant 57,5 % d'argent et 4,1 % en atome de dysprosium. L'alliage de la feuille est pré-élaboré en creuset froid, puis une partie est laminée pour fabriquer une feuille d'environ 150 μm d'épaisseur.
On dispose successivement au-dessus du substrat de nitrure d'aluminium la feuille d'alliage cuivre-argent-dysprosium d'une épaisseur d'environ 150 μm et la plaque de cuivre, et on place au-dessus un poids en molybdène pour assurer le contact mécanique entre les éléments. On réalise le brasage à 1000°C pendant 30 minutes, dans un four sous-vide secondaire comme dans les exemples précédents. L'assemblage obtenu présente de bonnes propriétés de transfert thermique.
Références citées
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[3] : JP-A-05 271 828.
[4] : JP-A-05 171 317
[5] : MASSALSKI T.B. , Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd Edition, Vol. 1, 2 and 33, p. 1084, 2707, 2714 et 2717, 1990.
[6] : KOSOLAPOVA T. Ya, Handbook of High Température Compounds : Properties, Production, Application, Hémisphère Publishing Corporation, New York, p.179-180 et p. 383, 1990.
[7] : Samsonov G.V. et VINITSKI I.M. Handbook of Refractory Compounds, Plénum Press, New York, p. 195, 1980.

Claims

REVENDICATIONS
1. Assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, dans lequel l'interface entre les deux éléments comprend au moins un nitrure simple ou complexe de terre rare, de scandium et/ou d'yttrium.
2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le premier élément est en un matériau choisi parmi le nitrure d'aluminium polycristallin, le nitrure d'aluminium monocristallin, un matériau composite métal-nitrure d'aluminium ou céramique- nitrure d'aluminium comportant au moins 40 % en volume de nitrure d'aluminium.
3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre contenant au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt, Pd et Au.
4. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 , dans lequel le nitrure de terre rare est le nitrure d'yttrium ou de dysprosium.
5. Procédé d'assemblage d'un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium et d'un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes : a) disposer entre les deux éléments à assembler une feuille de brasure en alliage métallique comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et 1 'yttrium, et b) réaliser le brasage de l'ensemble ainsi obtenu à une température de 700 à 1500°C C ou à une température comprise entre 20 et 100°C au-dessus de la température de fusion de l'alliage de la feuille de brasure, éventuellement dans une atmosphère d'azote.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise le brasage dans une atmosphère d'azote.
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'alliage métallique de la feuille est un alliage de cuivre comprenant au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l' yttrium.
8. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel l'alliage métallique de la feuille est un alliage de cuivre, d'au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Au, Pt et Pd, et d'au moins un métal choisi parmi les terres rares, le scandium et l' yttrium, contenant éventuellement jusqu'à 15 % en poids d' indium.
9. Procédé pour assembler un premier élément comprenant du nitrure d' aluminium à un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes : a) déposer sur le premier élément au moins un métal ou nitrure métallique choisi parmi les terres rares, le scandium, l' yttrium et leurs nitrures, sous une atmosphère à base d'azote, b) soumettre le premier élément ainsi revêtu à un premier traitement thermique à une température de 1000 à 1900°C pour faire réagir le dépôt avec le nitrure d'aluminium, et c) disposer au-dessus de l'élément ainsi traité le second élément de façon qu'il soit en contact avec le dépôt.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on réalise le premier traitement thermique dans une atmosphère d'azote.
11. Procédé pour assembler un premier élément comprenant du nitrure d'aluminium à un second élément en métal ou alliage métallique, qui comprend les étapes suivantes : a) déposer sur le premier élément au moins un nitrure métallique choisi parmi les nitrures de terres rares, d'yttrium et de scandium, et b) disposer au contact du dépôt ainsi formé le second élément à assembler.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, qui comprend de plus une étape complémentaire consistant à soumetttre l'ensemble à un traitement thermique, à une température de 700 à 1500°C.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel on dispose le second élément à assembler sur le premier élément muni dudit dépôt, en formant directement ce second élément au- dessus dudit dépôt par dépôt du métal ou de l'alliage métallique destiné à former ce second élément.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, dans lequel le second élément est en cuivre ou en alliage de cuivre et d'au moins un métal précieux choisi parmi Ag, Pt, Pd et Au.
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