FR2951020A1 - Materiau composite multicouche utilise pour la fabrication de substrats de modules electroniques et procede de fabrication correspondant - Google Patents

Abstract

Ce matériau composite multicouche comprend au moins une couche intérieure (16) en matériau à coefficient de dilatation thermique choisi en fonction du coefficient de dilatation thermique d'un dispositif destiné à être placé sur le matériau multicouche et au moins deux couches extérieures (12, 14) en matériau conducteur de la chaleur, lesdites couches extérieures étant disposées de part et d'autre de ladite couche intérieure. Les couches extérieures sont reliées entre elles par des puits (18) en matériau conducteur électrique et thermique agencés dans ladite couche intérieure. L'invention concerne également des procédés de fabrication d'un tel matériau.

Description

B09-1648FR û ODE/AE Etablissement Public à caractère Industriel et Commercial dit : Laboratoire National de métrologie et d'Essais et Association pour la Recherche et le Developpement des Méthodes et Processus Industriels dite : Armines et Socité par Actions Simplifiée dite : GRISET SAS Matériau composite multicouche utilisé pour la fabrication de substrats de modules électroniques et procédé de fabrication correspondant Invention de : BIENVENU Yves KAABI Abderrahmen RYCKELYNCK David PIERRE Bertrand BRUZEK Christian-Eric IDRAC Jonathan 1 Matériau composite multicouche utilisé pour la fabrication de substrats de modules électroniques et procédé de fabrication correspondant L'invention concerne le domaine des matériaux appliqués à l'électronique. Plus particulièrement, l'invention concerne un matériau composite multicouche pour la fabrication de substrats pour modules électroniques. L'invention concerne également des procédés de fabrication correspondants. Comme on le sait, les composants électroniques de puissance appelés couramment puces électroniques en silicium sont généralement montés sur un support qui assure essentiellement leur refroidissement.

Une des principales sources de défaillance des composants électroniques de puissance est liée à la différence de dilatation thermique entre le substrat d'une part, généralement, en cuivre et la puce électronique en silicium d'autre part. L'accroissement permanent de la puissance et de la fréquence du fonctionnement des composants électroniques, provoque de plus en plus de pertes thermiques qui augmentent la température de travail du composant électronique de puissance et du substrat. La nature métallurgique distincte du substrat et du composant a pour conséquence un comportement thermique différent vis-à-vis de la chaleur. Par conséquent, l'élévation de la température engendre des contraintes de cisaillement considérables dans la zone de liaison qui peuvent provoquer la dégradation, voire la destruction des assemblages puce/substrat. Pour le bon fonctionnement de la puce en silicium comme pour sa longévité, il est essentiel d'évacuer le maximum de chaleur. Bien que le cuivre joue pleinement son rôle de conducteur de chaleur, son coefficient de dilatation linéique est plus de 3 fois supérieur à celui du silicium, ce qui n'est pas favorable à la liaison puce/substrat. Ainsi, il est autant recherché un substrat possédant de bonnes conductivités thermique et électrique, qu'un coefficient de dilatation linéique faible et voisin de celui du verre ou du silicium dans le plan du substrat. Or, ces deux propriétés sont naturellement antinomiques. En effet, en dehors du diamant, aucun matériau de la classification périodique des éléments ne permet de répondre à ces deux propriétés en même temps. C'est pourquoi, d'autres substrats ont été développés. I1 a ainsi été proposé d'utiliser des substrats à base d'un matériau composite à matrice métallique (dont l'abréviation est « CMM »). Par exemple, il a été proposé d'utiliser l'Al-SiC [2, 3, 6], le Cu-SiC [5], le Cu-Diamant [1, 2, 4], le Cu-C (fibres) [1, 3, 8], etc. Ces matériaux présentent une forte complexité de fabrication associée à un prix de revient élevé. En général, la pièce réalisée doit en outre présenter les côtes finales du substrat puisque l'usinage est quasi-impossible.

Des substrats colaminés comprenant deux couches extérieures en métal conducteur disposées de part et d'autre d'une couche intérieure en matériau à dilatabilité thermique limitée sont également employés. Des exemples de tels matériaux sont le Cu/Mo/Cu [2, 3, 7], le Cu/Alliages Mo-Cu/Cu [2, 3, 7] et le Cu/alliages Fe-Ni à dilatation contrôlée/Cu [9]. Bien qu'ils présentent un coefficient de dilatation faible, leur conductivité thermique dans le sens d'évacuation de la chaleur est, cependant, insuffisante. En effet, la couche interne joue le rôle d'une barrière thermique. Tel est en particulier le cas, par exemple, de l'Invar® dont la conductivité thermique est vingt fois plus faible que celle du cuivre. Le but de l'invention est donc de pallier les inconvénients des matériaux précités et, en particulier, de proposer un substrat pour composant électronique de puissance qui présente à la fois une bonne conductivité thermique et électrique et un coefficient de dilatation linéique proche de celui du silicium pour être utilisé sur une large gamme de températures et ainsi avoir une durée de vie bien supérieure à celle dont il dispose actuellement. L'invention a donc pour objet un matériau composite multicouche comprenant au moins une couche intérieure en matériau à coefficient de dilatation thermique choisi en fonction du coefficient de dilatation thermique d'un dispositif destiné à être placé sur le matériau multicouche et au moins deux couches extérieures en matériau conducteur de la chaleur, lesdites couches extérieures étant disposées de part et d'autre de ladite couche intérieure. Selon une caractéristique générale de ce matériau, les couches extérieures sont reliées entre elles par des puits en matériau conducteur de la chaleur agencés dans ladite couche intérieure. Ainsi, en prévoyant des puits qui s'étendent entre les couches extérieures conductrices de la chaleur à travers la couche intérieure à faible coefficient de dilatation thermique, on génère des ponts thermiques permettant d'évacuer la chaleur. En outre, grâce à l'utilisation de la couche intérieure dont le coefficient de dilatation avoisine celui de la puce électronique en silicium, on évite ou à tout le moins, on minimise l'apparition d'efforts de cisaillement. Par exemple, les puits ont une hauteur égale à l'épaisseur de la couche intérieure. Les couches intérieure et/ou extérieures peuvent être disposées de manière symétrique ou dissymétrique par rapport à un plan général du matériau, en fonction de leur épaisseur ou de la nature des matériaux utilisés. Le matériau conducteur des couches extérieures et/ou des puits peut comprendre un métal choisi dans le groupe comprenant le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, et l'aluminium et ses alliages. Par exemple, le matériau de la couche interne est choisi dans le groupe comprenant l'Invar®, les alliages Fe-Ni à dilatation limitée, le molybdène et ses alliages, le niobium et ses alliages et le tungstène et ses alliages.

Dans un mode de réalisation, les puits sont périodiquement répartis dans ledit matériau. Par exemple, la proportion surfacique des puits (18) est inférieure à 35%.

L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un support pour module de puissance, comprenant un matériau tel que défini ci-dessus. L'invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un procédé de fabrication d'un matériau multicouche tel que défini ci-dessus. Ce procédé comporte les étapes suivantes : - perforation d'au moins une première couche de matériau à coefficient de dilatation thermique choisi en fonction du coefficient de dilatation thermique d'un dispositif destiné à être placé sur le matériau multicouche, de manière à y former des puits ; - positionnement de la couche de matériau perforée entre des couches extérieures en matériau conducteur de la chaleur ; et - colaminage de ladite couche intérieure et des couches extérieures par passage dans l'entrefer d'un laminoir. Dans un mode de mise en oeuvre, préalablement à l'étape de positionnement desdites couches, on procède à une attaque mécanique, par exemple un brossage, un émerisage ..., de surfaces des couches destinées à être placées en regard. Par exemple, lors de l'opération de colaminage, le laminoir a une puissance telle que le matériau des couches extérieures vient remplir les perforations de la première couche. Selon une autre caractéristique, le procédé de fabrication comporte en outre une étape de remplissage des perforations avec un matériau conducteur de la chaleur préalablement à l'étape de positionnement des bandes. Par exemple, l'étape de remplissage est réalisée selon la méthode Cold Spray ® consistant en une projection dynamique à froid de matériau conducteur dans les perforations de la première couche. L'étape de remplissage peut être réalisée par l'insertion d'inserts en matériau conducteur de la chaleur dans les perforations de la première couche.

L'étape de remplissage peut, en variante, être réalisée par l'insertion de surépaisseurs créées sur des faces des couches extérieures destinées à être en contact avec la première couche, lesdites surépaisseurs coïncidant avec une perforation de ladite première couche. Ce procédé peut, en outre, comporter une étape ultérieure de découpe et/ou de pliage du matériau.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre la structure du matériau composite multicouche selon l'invention utilisé en tant que substrat pour des modules électroniques - la figure 2 représente une vue schématisée de dessus des différents motifs d'une couche interne de matériau multicouche avant et après une opération de laminage ; - la figure 3 représente les différentes étapes d'un procédé de fabrication du matériau multicouche conforme à l'invention, selon la méthode Cold Spray ® - la figure 4 représente les différentes étapes d'un procédé de fabrication du matériau multicouche selon l'invention à l'aide d'inserts de métal ; - la figure 5 représente les différentes étapes d'un procédé de fabrication du matériau multicouche selon l'invention à l'aide de bandes de métal à damiers ; - la figure 6 représente les différentes étapes d'un procédé de fabrication du matériau multicouche selon l'invention à l'aide de bandes de métal lisses ; - la figure 7 illustre en perspective le matériau multicouche selon l'invention ; - la figure 8A illustre un matériau à trois couches dissymétrique ; - la figure 8B illustre un matériau à cinq couches symétrique ; - la figure 8C illustre un matériau à cinq couches dissymétrique ; - la figure 9 est un histogramme représentant l'influence des ponts thermiques sur la température maximale du substrat ; - le tableau 1 présente les différentes natures et configurations des substrats testés dont les résultats figurent sur l'histogramme de la figure 9 ; et - la figure 10 est une courbe représentant l'influence de la fraction surfacique de ponts thermiques sur la conductivité thermique et la dilatation thermique d'un matériau multicouche cuivre/Alliage Fe-Ni à dilatation contrôlée/cuivre selon l'invention. En se référant à la figure 1, le matériau multicouche 10 selon l'invention comprend deux couches extérieures 12, 14 en matériau conducteur, en l'espèce du métal, disposées de part et d'autre d'une couche intérieure 16 en matériau à dilatabilité thermique limitée. Ce matériau est destiné à constituer un substrat formant un support pour un composant électronique de puissance 13, par exemple un module de puissance IGBT (« Insulated Gate Bipolar Transistor », en anglais) formé à partir d'une puce de silicium, monté sur le substrat 10 au moyen d'une couche de brasure 11. Les couches externes 12, 14 sont, de préférence, en cuivre et confèrent ainsi une excellente conductivité thermique et électrique dans le plan de la couche et donc une répartition assez homogène de la chaleur et de la densité de courant. De plus, grâce aux propriétés mécaniques et métallurgiques du cuivre, l'établissement des interfaces de qualité avec les autres éléments de l'assemblage est possible. I1 s'agit notamment de l'interface avec la couche interne du substrat et de l'interface avec la couche de brasure 11.

La couche interne 16 est constituée d'une couche en matériau à dilatation thermique limitée perforée de canaux 26 de conduction rapide de la chaleur. Ces canaux sont remplis d'un matériau de très bonne conductivité thermique tel que le cuivre et constituent alors des « ponts thermiques » 18. Le cuivre remplace donc localement le matériau de la couche interne. Des exemples de matériau à dilatation limitée constituant la couche interne sont des métaux comme le Molybdène, le Niobium, etc. ou un alliage métallique à dilatation réduite tel que l'Invar®. Généralement, ils possèdent une bonne aptitude à établir une liaison métallurgique avec le cuivre. Le molybdène présente des propriétés thermomécaniques intéressantes illustrées par une haute température de fusion, un module d'élasticité élevé, une résistance mécanique élevée à moyenne température, de bonnes conductivités électrique et thermique, un coefficient de dilatation faible et une excellente résistance à la corrosion dans de nombreux milieux. D'autres compositions à base de Cu-Mo tels que des colaminés « Cu/Mo/Cu » et « Co/Mo7oCu3o/Cu » trouvent leur place également pour une telle application mécatronique comme substrat de module IGBT. Alternativement, l'invention propose d'utiliser l'Invar®. I1 s'agit d'un alliage FeNi(36%) associé à une très faible dilatabilité thermique sur une très large plage de températures allant d'environ moins de 250°C à la température ambiante. Cet alliage est utilisé non seulement pour cette propriété particulière mais aussi pour ses caractéristiques mécaniques. Pour obtenir le matériau multicouche de l'invention selon la figure 1, le procédé de fabrication selon l'invention est fondé sur un colaminage de couches de cuivre 12, 14 destinées à constituer les couches externes et d'une couche perforée en molybdène ou en Invar destinée à constituer la couche interne 16. Selon un mode de réalisation de l'invention, un matériau multicouche Cu/Invar/Cu à ponts thermiques est décrit. Ces couches sont obtenues à partir de bandes de matériau correspondant. Le procédé de colaminage est bien connu de l'art antérieur et consiste à laminer des bandes de métaux ou d'alliages à chaud ou à froid, à les recuire, les brosser et les assembler lors d'une opération de plaquage à froid ou à chaud. Ce procédé présente de nombreux avantages tels qu'une grande variété de dimensions de bande, une haute précision dimensionnelle pour les machines à découper à haut débit et une qualité de surface exceptionnelle pour les traitements de surfaces ultérieurs.

Avantageusement, les trois bandes 12, 14, 16 possèdent la même largeur. Cette largeur est déterminée par rapport au plan de découpe des pièces. Pour obtenir, par exemple, un matériau multicouche d'épaisseur finale égale à 1,5 mm, on peut choisir que l'épaisseur des bandes de cuivre soit de 1 mm et l'épaisseur de la bande en Invar de 3 mm. Avant l'étape proprement dite de colaminage, la bande interne 16 en Invar® est perforée par une opération de découpe par poinçonnage, ou autre moyen connu, de manière à y former des puits. Les espaces vides issus de cette étape de perforation sont dispersés de manière homogène et possède une forme géométrique prédéterminée telle qu'illustrée sur la figure 2. Elles peuvent être elliptiques a), rectangulaires b), circulaires c) ou octogonales d) avant le laminage et respectivement circulaires a'), carrés b'), elliptiques c') ou octogonales allongées d') après le laminage.

Par exemple, pour obtenir des ponts thermiques de 3 mm de diamètre, il faut découper des ellipses a) dont le grand axe est égal à 3 mm et l'axe secondaire est égal à 1 mm. Les ellipses doivent être orientées de telle façon que leur grand axe soit perpendiculaire au sens de colaminage.

Après l'opération de perforation de la bande 16 en Invar®, l'étape suivante consiste à préparer les bandes de cuivre afin de constituer les ponts thermiques 18. Pour cela, divers modes de réalisation sont exposés dans la suite de la description en référence aux figures 3 à 6.

Réalisation d'un matériau multicouche à ponts thermiques par Cold Spray® (Figure 3) Selon ce procédé illustré sur la figure 3, les deux faces, supérieure et inférieure, de la bande en Invar® 16 et la face de chaque bande en cuivre 12 et 14, faisant face à la bande en Invar 16, sont traitées mécaniquement, par exemple par brossage (opération non présentée). Pour cela, des brosses métalliques en inox dont le diamètre de fils est de 0,3 à 0,5 mm peuvent être utilisées. La vitesse de rotation des brosses peut atteindre 1250 tr/min avec une vitesse d'avancement de 60 m/min. Ensuite, une étape de nettoyage des surfaces est nécessaire pour éliminer les débris (non représentée). Pour cela, de l'air comprimé déshuilé sous haute pression est utilisé. Les surfaces doivent être parfaitement propres sans traces d'huile ni d'autres substances. Si besoin, un détergent peut être utilisé suivi d'une opération de rinçage puis séchage. L'étape qui suit consiste à superposer la bande en Invar 16 sur la bande en cuivre inférieure 12 (étape a). Au cours de l'étape b), les canaux 26 de la bande en Invar 16 sont remplis par projection à haute pression (28 à 30 bars) d'une poudre de cuivre 19 de granulométrie de 25 à 45 µm. L'azote ou l'hélium ou un mélange des deux peut être utilisé pour procéder à cette projection. Un chauffage du gaz à 600°C, par exemple, permet d'avoir une densité de la poudre proche de 8,2 g/cm3. L'excès de la matière est, ensuite, éliminé par une opération de fraisage rapide c). Un traitement de détensionnement à 300°C pendant une heure, permettant de relaxer les contraintes internes, est opéré. De préférence, ce traitement est effectué sous une atmosphère contrôlée telle que l'azote. Enfin, l'ensemble est colaminé (étape d), avec un rapport de réduction d'au moins 50%. Des efforts de tension doivent être appliqués sur le matériau multicouche 10 à la sortie du laminoir 20a et 20b pour stabiliser la structure. Une fois les trois bandes colaminées, des liaisons entre le cuivre des bandes 12, 14 et, d'une part, celui des ponts thermiques 18 et d'autre part, la bande 16 en Invar sont créées, pour constituer des moyens de solidarisation entre les deux couches externes 12, 14.

Enfin, le matériau multicouche subit un traitement thermique, par exemple entre 450°C et 800°C et pendant une durée entre 1 et 3 heures, selon les matériaux en présence, pour améliorer la qualité de l'interface.

Grâce à ces ponts 18, un court-circuit thermique et électrique se produit entre les deux couches externes du matériau ainsi colaminé 10. Selon l'invention, le matériau à dilatation limitée fournit donc au matériau multicouche 10 un coefficient de dilatation proche de celui du silicium tandis que des ponts thermiques 18 en cuivre assurent une amélioration de la conductivité thermique dans une direction privilégiée, la direction d'évacuation de la chaleur.

Réalisation d'un matériau multicouche à ponts thermiques à l'aide d'inserts de métal (Figure 4) De la même façon, selon ce procédé alternatif à l'utilisation du Cold Spray®, illustré à la figure 4, les deux faces, supérieure et inférieure, de la bande en Invar 16 et la face de chaque bande en cuivre 12 et 14, faisant face à la bande en Invar® 16, sont brossées à l'aide de brosses métalliques en inox 22 (étape a).

Des inserts 23 de sections identiques aux canaux 26 de la bande en Invar 16 sont ensuite découpés à partir d'une barre extrudée 24 en cuivre qui possède la même section que lesdits canaux 26 (étape b). Les inserts 23 peuvent être obtenus aussi par d'autres techniques comme la découpe dans une bande en cuivre de même épaisseur.

Par la suite, les inserts 23 sont disposés dans les canaux 26 de la bande en Invar (étape c). Leur introduction peut être effectuée à l'aide d'un système mécanique automatisé. Lorsque l'ensemble passe dans l'entrefer du laminoir 20a, 20b, on obtient un matériau composite multicouche 10 à ponts thermiques 18 (étape d). Le produit est ensuite chauffé à 800°C environ pendant 1h30 sous une atmosphère contrôlée pour améliorer la jonction entre les couches. Puis, il est refroidi dans le four à la température ambiante.

L'épaisseur de la zone de transition peut alors avoir des valeurs supérieures à 201um. Finalement, le matériau final présente de bonnes propriétés mécaniques, thermiques et électriques dans une structure stable et solide. L'épaisseur de la zone de transition dépend fortement de la métallurgie des matériaux, c'est-à-dire que l'adhésion du cuivre sur l'Invar va être différente de l'adhésion du cuivre sur le molybdène. Les propriétés d'inter-diffusion du cuivre et du matériau à dilatabilité limitée choisi permettent de conditionner la température du traitement thermique.

Réalisation d'un matériau multicouche à ponts thermiques à l'aide de bandes de métal à damiers (Figure 5) Le cuivre étant un matériau à grande capacité de déformation, il est possible d'obtenir des bandes laminées à damiers 12, 14. En se référant à l'étape a) de la figure 5, on crée des motifs à damiers sur une bande en cuivre à l'aide d'un laminoir 30a, 30b, dont l'un des cylindres 30a est gravé et l'autre 30b lisse. Le motif prescrit est ainsi réalisé en créant une variation de l'épaisseur sur la bande en cuivre. Le motif créé doit être choisi d'une manière telle que chaque surépaisseur 21 coïncide avec un canal 26 de la bande 16 en Invar. Dans le cas d'un matériau multicouche symétrique, la surépaisseur doit être égale à la moitié de l'épaisseur de la bande 16 en Invar.

Les bandes 12, 14 ainsi laminées subissent un traitement de recuit de quelques heures pour améliorer leur ductilité. Puis, les surfaces des bandes laminées 12, 14 destinées à entrer en contact avec la bande interne 16 en Invar sont frottées avec des brosses 22 pour créer une surface rugueuse (étape b) dont la rugosité (Ra) doit être supérieure à 4 µm. Après brossage, les tôles sont nettoyées puis superposées l'une sur l'autre (étape c) et enfin colaminées par un seul passage dans l'entrefer d'un laminoir 20a, 20b (étape d).

Le rapport de réduction est aussi compris entre 50% et 80%. La liaison entre les différents matériaux se crée. Un traitement thermique entre 450°C et 800°C de 1 à 3 heures peut être effectué dans un four « statique » pour donner au produit la robustesse recherchée.

L'avantage de ce procédé d'obtention du matériau multicouche 10 de l'invention par rapport aux autres procédés présentés précédemment est la réduction du nombre d'opérations, ce qui influe d'une manière significative sur le prix de revient d'un tel matériau.

Réalisation d'un matériau multicouche à ponts thermiques à l'aide de bandes de métal lisses (figure 6) Selon la figure 6, la première étape a) de la réalisation d'un matériau multicouche à ponts thermiques à l'aide d'une bande lisse en Invar consiste en une découpe par poinçonnage.

Pour cela, on utilise un outil de découpe comprenant un poinçon 32 possédant des contreformes complémentaires d'une matrice 34, le mouvement vertical du poinçon 32 vers la matrice 34 étant apte à perforer la forme souhaitée dans une bande lisse en Invar® positionnée entre ces deux éléments 32 et 34.

Des brosses métalliques 22 entraînées en rotation à environ 1250 tr/min frottent d'une part, les deux faces, supérieure et inférieure, de la bande en Invar 16 ainsi perforée et d'autre part, la face de chaque bande en cuivre 12 et 14 faisant face à la bande en Invar 16 afin d'obtenir une rugosité arithmétique (Ra) supérieure à 4µm (étape b). Les bandes en cuivre 12, 14 ont, selon ce procédé, une épaisseur plus importante que pour les procédés précédents puisque ces bandes de cuivre vont servir à remplir les canaux 26 réalisés à l'étape a).

L'épaisseur est déterminée en prenant en considération la moitié du volume des canaux dans la bande en Invar®. Ce volume des canaux s'ajoute d'une manière équivalente aux deux bandes 12, 14 en cuivre.

Ensuite, une étape de nettoyage (non représentée) des bandes, à l'aide d'air comprimé, par exemple, est mise en oeuvre pour éliminer tous les débris. Les trois bandes 12, 14, 16 sont ensuite superposées (étape c), puis colaminées par un seul passage dans l'entrefer d'un laminoir 20a, 20b (étape d). Le rapport de réduction est compris entre 50% et 80%. Le matériau multicouche 10 obtenu comporte deux couches extérieures 12, 14 en cuivre, une couche intérieure en Invar®16 et des liaisons métalliques en cuivre qui relient la face supérieure à la face inférieure du matériau. Un traitement thermique entre 450°C et 800°C pendant 1 à 3 heures peut être effectué dans un four « statique » pour améliorer la zone de transition à l'interface. L'avantage de cette technique par rapport aux autres techniques évoquées précédemment est l'utilisation de bandes lisses brutes de laminage. En revanche, ce mode d'élaboration nécessite un laminoir avec une puissance plus élevée pour un même rapport de réduction et il faut gérer l'échappement de l'air des préformes de la bande 16 en Invar ou tout autre métal à coefficient de dilatation faible.

A l'issu des procédés mentionnés ci-dessus, on obtient le matériau multicouche plat illustré sur la figure 7. Ce matériau se présente sous la forme d'une plaque ou d'une bande. Ce matériau peut ensuite être découpé, cisaillé, plié pour lui conférer les côtes du substrat fini.

Comme indiqué précédemment, un tel produit plat est avantageusement utilisé en tant que substrat pour module de puissance pour l'électronique, d'autant plus qu'il n'existe pas d'obstacle à l'utilisation des techniques conventionnelles telles que la découpe à l'aide d'une matrice et d'un poinçon dans la fabrication de substrats.

De même, les traitements de surfaces, tels que le nickelage, les opérations de préparation pour la brasure utilisées à ce jour, peuvent être réalisés sur le substrat à ponts thermiques selon l'invention puisque les deux couches extérieures 12, 14 sont en cuivre.

Avantageusement, le matériau multicouche peut comporter plus de trois couches. Dans ce cas, il peut comporter plus d'une couche intérieure et plus de deux couches extérieures. Dans ce dernier cas, le terme couche extérieure s'entend d'une couche placée à l'extérieur par rapport à une couche intérieure. De même, le matériau peut adopter une configuration symétrique ou asymétrique. En effet, le nombre de couches et l'épaisseur de chaque couche dans le substrat sont déterminés en fonction de l'application.

Le nombre et la taille des puces électroniques brasées sur la surface supérieure du substrat sont les principaux facteurs qui contribuent aux contraintes de cisaillement présentes entre le substrat et la puce en silicium. Ces contraintes peuvent être minimisées par un substrat asymétrique. La dissymétrie regroupe non seulement les épaisseurs de couches assemblées par colaminage mais aussi la nature métallurgique de ces couches. Par exemple, la couche supérieure 14 et les ponts thermiques 18 peuvent être en cuivre alors que la couche inférieure 12 peut être en aluminium tandis que la couche intérieure 16 est en molybdène.

Les figures 8A à 8C illustrent des exemples de matériaux multicouches à ponts thermiques. I1 est recommandé de minimiser l'épaisseur de la couche en cuivre 14 en contact avec la brasure. L'épaisseur de cette couche 14 admet une limite basse imposée par le courant de fonctionnement du composant électronique et une limite haute correspondant à la suppression de l'effet de la couche interne en matériau à dilatabilité limitée. Ainsi, la figure 8A représente un matériau multicouche selon l'invention, dissymétrique et à trois couches. La couche inférieure 12 en cuivre possédant une épaisseur supérieure à la couche supérieure 14. La figure 8B représente un matériau multicouche selon l'invention, symétrique et à cinq couches. Entre les couches extérieures en cuivre 12 et 14, le matériau comporte une première couche perforée en Invar 38, une couche en cuivre 40 et une seconde couche perforée en Invar 42. Des ponts thermiques 18 sont prévus entre deux couches de cuivre, c'est-à-dire entre la couche inférieure 12 et la couche interne de cuivre 40, et entre la même couche interne de cuivre 40 et la couche supérieure 14.

La figure 8C représente un matériau multicouche selon l'invention, dissymétrique et à cinq couches. Le matériau reprend une structure identique à celle décrite précédemment. Cependant, la couche inférieure 12 en cuivre possède une épaisseur supérieure à la bande supérieure 14.

En référence à la figure 9 et au tableau 1, un histogramme illustre les résultats de la mise en oeuvre d'un substrat selon l'invention supportant une puce en silicium en comparaison avec un substrat classique pourvue d'une même puce. Ainsi, par rapport à un substrat multicouche colaminé Cu/Invar/Cu sans ponts thermiques, le même substrat avec des ponts thermiques permet de réduire de manière significative la température au niveau de la jonction métallique entre la face supérieure du substrat et la puce en silicium, lieu des contraintes de cisaillement pouvant provoquer la dégradation de ladite puce. Par exemple, sous un même flux de l'ordre de 900 W/cm2 dissipé par une puce, le substrat en colaminé à ponts thermiques assure une diminution de température maximale (Tmax) supérieure à 30% par rapport au même colaminé sans ponts thermiques. Le tableau 1 précise la nature et la structure des différents substrats testés. Dans ce tableau, Cu désigne le cuivre et Iv, désigne l'Invar®. La conductivité thermique est donc notablement améliorée dans l'épaisseur de l'Invar® par rapport à un substrat colaminé sans ponts thermiques. La couche supérieure 14 en matériau conducteur tel que le cuivre permet d'avoir une dispersion homogène de la chaleur dans le plan. Les ponts thermiques évacuent les calories vers la zone la plus froide qui est la couche inférieure 12. L'augmentation de la fraction surfacique des ponts thermiques favorise le transfert thermique selon la direction d'évacuation de la chaleur du substrat mais aussi influe sur la dilatabilité du matériau multicouche. A cet égard, la figure 10 représente la variation de la dilatation thermique d'un matériau multicouche Cu/Invar/Cu (1/1/1) en fonction de sa conductivité thermique. Ainsi, le substrat selon l'invention apporte de nombreux avantages à la fois technique et économique : - il présente une bonne conductivité thermique dans la direction d'évacuation de la chaleur, assurée par la continuité de la phase métallique conductrice obtenue par l'introduction des ponts thermiques ; - il présente une dilatabilité limitée et proche de celle du silicium dans le plan de la liaison puce/substrat ; - il présente un excellent état de surface qui offre une meilleure capacité à recevoir un traitement de surface tel que le nickelage ; - il contient au moins un matériau à hautes propriétés thermomécaniques qui assure une structure d'excellente tenue mécanique et thermique à température modérée. Le matériau multicouche peut fonctionner à des températures élevées (200°C) sans altération de ses caractéristiques ; - les couches extérieures 12, 14 en cuivre assurent une répartition homogène de la chaleur sur la surface extérieure et donc une meilleure gestion du flux thermique ; - les ponts thermiques 18 en métal conducteur jouent le rôle d'entrave qui apporte une meilleure adhérence des constituants du matériau multicouche; - les ponts thermiques 18 peuvent adopter toute forme ou orientation nécessitée par l'application envisagée.; - le colaminage améliore d'une manière significative les caractéristiques mécaniques des surfaces du produit par écrouissage, ce qui conforte la résistance à l'abrasion et au choc ; - le matériau multicouche à ponts thermiques peut être symétrique ou dissymétrique. Ces derniers permettent de minimiser les contraintes dans un assemblage ce qui signifie une amélioration de la durée de vie du module de puissance ; - le matériau multicouche peut être fabriqué en grande quantité par des procédés continus, en particulier le laminage et le colaminage, ce qui permet d'avoir un prix de revient relativement faible en comparaison avec un procédé de moulage par injection de poudres, par exemple ; - le matériau multicouche à ponts thermiques est un produit plat qui peut présenter une large gamme de dimensions. La découpe, le pliage, le cisaillage, le perçage sont applicables de sorte que les coûts de revient peuvent être réduits ; - l'élaboration du matériau multicouche à ponts thermiques s'effectue à des températures beaucoup plus faibles que la température de fusion des constituants, contrairement aux composites à matrice métallique qui nécessitent des températures élevées pour infiltrer le métal.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Matériau composite multicouche comprenant au moins une couche intérieure (16, 38, 42) en matériau à coefficient de dilatation thermique choisi en fonction du coefficient de dilatation thermique d'un dispositif destiné à être placé sur le matériau multicouche et au moins deux couches extérieures (12, 14, 40) en matériau conducteur de la chaleur, lesdites couches extérieures étant disposées de part et d'autre de ladite couche intérieure, caractérisé en ce que les couches extérieures sont reliées entre elles par des puits (18) en matériau conducteur de la chaleur agencés dans ladite couche intérieure.
2. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les puits (18) ont une hauteur égale à l'épaisseur de la couche intérieure (16, 38, 42).
3. 3. Matériau selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les couches intérieure et/ou extérieures (12, 14, 16, 38, 40, 42) sont disposées de manière symétrique ou dissymétrique par rapport à un plan général du matériau, en fonction de leur épaisseur ou de la nature des matériaux utilisés.
4. 4. Matériau multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau conducteur des couches extérieures (12, 14, 40) et/ou des puits (18) comprend un métal choisi dans le groupe comprenant le cuivre et ses alliages, l'argent et ses alliages, et l'aluminium et ses alliages.
5. 5. Matériau multicouche selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau de la couche interne (16, 38, 42) est choisi dans le groupe comprenant l'Invar®, les alliages Fe-Ni à dilatation limitée, le molybdène et ses alliages, le niobium et ses alliages, et le tungstène et ses alliages.
6. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les puits (18) sont périodiquement répartis dans ledit matériau.
7. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la proportion surfacique des puits (18) est inférieure à 35%.
8. 8. Support pour module de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. 9. Procédé de fabrication d'un matériau composite multicouche selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - perforation d'au moins une première couche de matériau (16, 38, 42) à coefficient de dilatation thermique choisi en fonction du coefficient de dilatation thermique d'un dispositif destiné à être placé sur le matériau multicouche, de manière à y former des puits ; - positionnement de la couche de matériau perforée entre des couches extérieures en matériau conducteur de la chaleur ; et - colaminage de ladite couche intérieure et des couches extérieures (12, 14, 40) par passage dans l'entrefer d'un laminoir (20a, 20b). 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de positionnement desdites couches, on procède à une attaque mécanique de surfaces des couches destinées à être placées en regard. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que lors de l'opération de colaminage, le laminoir (20a, 20b) a une puissance telle que le matériau des couches extérieures vient remplir les perforations de la première couche. 15. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de remplissage des perforations (26) avec un matériau conducteur de la chaleur préalablement à l'étape de positionnement des bandes. 16. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de remplissage est réalisée selon la méthode Cold Spray ® consistant en une projection dynamique à froidde matériau conducteur (19) dans les perforations (26) de la première couche. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de remplissage est réalisée par l'insertion d'inserts (23) en matériau conducteur de la chaleur dans les perforations (26) de la première couche (16, 38, 42). 15. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de remplissage est réalisée par l'insertion de surépaisseurs (21) créées sur des faces des couches extérieures (12, 14, 40) destinées à être en contact avec la première couche (16, 38, 42), lesdites surépaisseurs coïncidant avec une perforation (26) de ladite première couche (16, 38, 42). 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte une étape ultérieure de découpe et/ou de pliage du matériau.