FR2653594A1 - Boitier a traversees pour courant eleve et son procede de fabrication. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un boîtier à traversées pour courant élevé. Il comporte une embase sur laquelle sont empilés plusieurs anneaux (12) conducteurs de la chaleur, en nitrure d'aluminium, et plusieurs anneaux (17) conducteurs du courant électrique, en molybdène nickelé, qui alternent avec les anneaux (12). La paroi (11) ainsi formée définit une enceinte. Les anneaux en molybdène comportent des pattes intérieures et extérieures (13) espacées le long de la périphérie de l'enceinte et constituant des traversées qui permettent le passage d'un courant électrique intense. Domaine d'application: boîtier pour microélectronique.
Description
L'invention concerne la technologie de la mise sous boîtier en micro-
électronique, et elle a trait plus particulièrement à une enceinte pour circuits de puissance en micro-électronique comportant des traversées pour courant élevé, ainsi qu'à un procédé pour sa fabrication. Dans le domaine de la technologie de la mise sous boîtier de circuits microélectroniques, la pratique actuelle consiste à utiliser des traversées comportant des broches en "Kovar" scellées avec du verre dans un cadre annulaire en "Kovar". La faible conductibilité thermique du verre, associée aux faibles conductibilités thermique et électrique du '"Kovar", conduit à un chauffage excessif des traversées lorsqu'elles sont parcourues par un courant élevé. En conséquence, la capacité de conduction de courant des boîtiers actuellement utilisés est limitée à un courant continu d'environ 5 ampères par traversée de boîtier par suite de son échauffement, alors que 40 ampères sont acceptables pour une circulation intermittente de courant à
un faible rapport cyclique.
Un objectif de l'invention est donc d'accroître la capacité de conduction de courant de traversées de boîtier en éliminant les joints scellés verresur-métal. Un autre objectif de l'invention est de proposer un boîtier de puissance dans lequel des courants élevés peuvent être acheminés à travers la paroi du boîtier. Un autre objectif encore de l'invention est de réaliser des pattes qui peuvent être espacées régulièrement le long du périmètre intérieur et du périmètre extérieur du boîtier pour permettre un transport de courant jusqu'à un point quelconque le long des parois. Un autre objectif encore est d'utiliser des parois de boîtier pour l'acheminement d'un courant afin de permettre un accroissement de la densité du circuit. Un autre objectif est d'utiliser des traversées le long du périmètre extérieur du boîtier, lesquelles traversées agissent à la manière d'ailettes pour accroître la dissipation thermique à partir des conducteurs. Un autre objectif encore est d'utiliser des traversées ayant une conductibilité thermique élevée et une grande surface de contact pour refroidir les traversées et résoudre les problèmes identifiés ci-dessus, rencontrés avec des
traversées classiques en verre.
Conformément à ces objectifs et particularités de l'invention et autres, il est proposé un boîtier à traversées pour courant élevé, comportant plusieurs anneaux
alternés constitués respectivement d'une matière thermique-
ment conductrice et d'une matière électriquement con-
ductrice. La matière thermiquement conductrice peut être un oxyde de métal ou une céramique, tel que du nitrure d'aluminium ou de l'oxyde de béryllium, tandis que la matière électriquement conductrice peut être constituée de
molybdène ou de l'un de ses alliages, par exemple.
Les traversées permettent à des courants élevés de pénétrer dans le boîtier et d'en sortir sans provoquer un échauffement excessif. Le boîtier est constitué d'anneaux ou de lamelles alternées en nitrure d'aluminium
et en molybdène ou l'un de ses alliages, tels du titane-
zirconium-molybdène (TZM), par exemple, qui sont empilés ou superposés pour former une paroi. La paroi stratifiée est brasée en une seule étape sur une embase. Les anneaux de molybdène électriquement conducteurs, par exemple, sont utilisés pour les traversées à courant élevé et comportent des pattes sur les périmètres intérieur et extérieur, lesquelles peuvent être utilisées pour une interconnexion avec des dispositifs disposés à l'intérieur de l'enceinte et avec des circuits extérieurs. Les anneaux en nitrure d'aluminium, conducteurs de la chaleur, par exemple, établissent une isolation électrique entre les anneaux ou couches des traversées. La conductibilité thermique élevée
du molybdène et du nitrure d'aluminium assure une excel-
lente dissipation thermique depuis les conducteurs vers l'embase du boîtier. On peut également utiliser un refroidissement forcé par convection pour augmenter encore
la capacité de conduction de courant du boîtier.
Un procédé de fabrication d'une enceinte comportant des traversées pour courant élevé comprend les étapes qui suivent. Premièrement, un anneau conducteur de la chaleur, constitué de nitrure d'aluminium, par exemple, est disposé sur une embase. Puis un anneau électriquement conducteur, comprenant du molybdène nickelé, par exemple, est disposé sur l'anneau conducteur de la chaleur en nitrure d'aluminium. Des anneaux supplémentaires en nitrure d'aluminium et en molybdène nickelé sont disposés les uns sur les autres jusqu'à ce que l'on atteigne une hauteur de paroi d'enceinte souhaitée. La hauteur de la paroi dépend généralement du nombre d'entrées et de sorties demandées. Ensuite, un anneau de scellage est disposé sur l'anneau le plus haut en nitrure d'aluminium. Puis l'assemblage est brasé pour former le boîtier achevé. Ceci est généralement effectué lors d'une opération classique de brasage en une seule étape. Puis l'enceinte peut être revêtue d'une combinaison d'or et de nickel. Après le brasage et le revêtement, le boîtier peut alors être scellé par soudage au moyen de procédés classiques. Enfin, un couvercle comprenant du "Kovar" ou du molybdène, par
exemple, peut être disposé sur l'anneau de scellage.
L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: - la figure 1 est une vue en plan d'un boîtier à traversées pour courant élevé réalisé conformément à l'invention, montrant une enceinte rectangulaire creuse pour micro-électronique comportant des traversées disposées
le long des faces intérieure et extérieure de sa périphé-
rie; - la figure 2 est une vue de côté du boîtier à traversées pour courant élevé de la figure 1, montrant des couches alternées d'anneaux en nitrure d'aluminium et d'anneaux en molybdène nickelé, empilés pour former l'enceinte; et - la figure 3 est une vue en perspective avec coupe partielle du boîtier à traversées pour courant élevé des figures 1 et 2, montrant des pattes d'interconnexion en molybdène nickelé, utilisées pour des traversées placées à des niveaux différents et décalées d'un niveau à un autre
pour faciliter l'interconnexion.
En référence à présent à la figure 1, celle-ci montre un boîtier 9 conforme aux principes de l'invention, qui comprend une embase rectangulaire sensiblement plate 10, thermiquement conductrice, sur laquelle plusieurs couches ou lamelles sont accumulées ou empilées en couches
pour former une paroi 11 entourant une enceinte creuse 16.
L'embase 10 est avantageusement formée d'une matière à faible dilatation thermique, telle que du molybdène ou une céramique, par exemple. L'embase plate 10 présente des ouvertures 15 à la totalité de ses quatre angles pour des organes de fixation tels que des vis, par exemple, qui peuvent être utilisés pour la fixation ou le montage du boîtier 9 sur d'autres objets. Plusieurs pattes 13 conductrices de la chaleur et du courant électrique sont décalées le long de la périphérie intérieure et de la périphérie extérieure de chaque couche de l'enceinte 16 et dépassent des surfaces intérieure et extérieure de la paroi 11. Les pattes 13 sont réalisées en un métal ayant des conductibilités électrique et thermique élevées, tel que du molybdène, par exemple. Les pattes 13 servent à deux utilisations, la première étant le passage d'un courant en un point intérieur ou extérieur quelconque le long de la paroi 11 de l'enceinte 16, la seconde étant le rayonnement de la chaleur, les pattes-13 étant utilisées comme ailettes de refroidissement pour augmenter la dissipation de la chaleur. Les pattes 13 sont plaquées de nickel et d'or pour faciliter une liaison avec des fils d'interconnexion ou d'autres éléments de circuit. La couche la plus haute de la paroi 11 de l'enceinte 16 est un anneau 14 de scellage (montré sur les figures 2 et 3) ne comportant pas de pattes 13, qui peut être réalisé en molybdène. L'anneau 14 de scellage, et donc le boîtier 9 ou l'enceinte 16, peut être scellé à l'aide d'un couvercle 21 (montré sur la figure 2)
réalisé en "Kovar" ou en molybdène, par exemple.
En référence à présent à la figure 2, la paroi 11 de l'enceinte 16 est formée sur l'embase 10 par l'utilisation de quatre couches d'anneaux 12 en nitrure d'aluminium alternant avec trois couches d'anneaux 17 en molybdène nickelé, des pattes 13 en molybdène nickelé étant décalées le long de la périphérie. Ceci n'est donné qu'à titre d'exemple et il est bien entendu que le nombre de couches ou de lamelles qui sont empilées pour constituer la paroi 11 dépend de l'application prévue. On a choisi le molybdène et le nitrure d'aluminium du fait de la bonne concordance entre leurs coefficients de dilatation thermique. L'anneau 14 de scellage, qui peut être réalisé en molybdène nickelé, est placé sur le dernier ou le plus haut anneau 12 de nitrure d'aluminium. On brase en bloc la paroi 11 de l'enceinte 16 lors d'une opération de brasage effectuée en une seule étape. Après le brasage, la paroi 11 de l'enceinte 16 est revêtue de nickel et d'or pour faciliter une liaison sur les pattes 13 en molybdène. Il est bien entendu que le dépôt n'est appliqué que sur le molybdène et non sur le nitrure d'aluminium. Le couvercle 21 est représenté au-dessus du boîtier achevé avant le scellage. De plus, les anneaux en nitrure d'aluminium peuvent être métallisés et nickelés, par exemple, pour permettre l'utilisation d'autres types d'alliages de brasage. Dans ces cas, seul le dessus et le dessous de chaque anneau 12 en nitrure d'aluminium sont métallisés, car une isolation électrique entre les anneaux alternés 12, 17 est souhaitée. Une fois que les anneaux en nitrure d'aluminium sont métallisés, un alliage de brasage actif tel que du "Ticusil't, disponible auprès de la firme GTE Wesgo, ou bien un alliage de brasage classique tel que du "Cusil", par exemple, également disponible auprès de la firme GTE Wesgo, peut être utilisé pour le brasage de l'ensemble. Les anneaux 12 en nitrure d'aluminium peuvent être métallisés au moyen d'un dépôt réalisé par un procédé classique à film mince utilisant du titane-tungstène (TiW) et de l'or, ou bien une autre métallisation réfractaire
telle que du molybdène et du manganèse, par exemple.
On se réfère à présent à la figure 3 qui est une vue en perspective avec coupe partielle de l'enceinte 16, montrant l'embase plate 10 sur laquelle sont formées les couches alternées d'anneaux 12 en nitrure d'aluminium et d'anneaux 17 en molybdène nickelé. Les pattes 13 en molybdène nickelé, qui sont moulées sur ou réalisées d'une seule pièce avec les anneaux 17 en molybdène nickelé, peuvent être vues comme étant décalées d'un niveau à l'autre pour faciliter les interconnexions. La couche la plus haute de la paroi 11 de l'enceinte 16 est l'anneau 14
de scellage réalisé en molybdène nickelé, par exemple.
On a donc décrit un boîtier nouveau et
perfectionné comportant des traversées pour courant élevé.
Le boîtier peut transporter un courant d'entrée d'environ ampères par conducteur en fonctionnement continu, ce qui constitue une amélioration notable par rapport aux conceptions de boîtiers classiques pour haute puissance. La conception du boîtier de l'invention accroît la capacité de conduction de courant de ses traversées en éliminant les joints scellés verre-sur-métal. Le boîtier assure un acheminement de courants élevés à travers ses parois. Le boîtier comporte des pattes qui peuvent être espacées le long des périmètres intérieur et extérieur des parois pour permettre le transport d'un courant jusqu'à un point quelconque le long des parois. Le boîtier utilise ses parois pour l'acheminement du courant afin de permettre un accroissement de la densité du circuit. Le boîtier utilise des traversées le long de son périmètre extérieur, lesquelles traversées se comportent à la manière d'ailettes pour accroître la dissipation thermique à partir des
conducteurs.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au boîtier et à son procédé de fabrication, décrits et représentés, sans sortir du cadre
de l'invention.
Claims (20)
1. Boîtier à traversées pour courant élevé, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (10) comprenant une matière à faible coefficient de dilatation thermique, et plusieurs anneaux (12, 17) conducteurs de la chaleur et conducteurs du courant électrique, qui alternent et qui sont empilés sur l'embase pour définir une enceinte (16), les anneaux électriquement conducteurs (17) comportant
plusieurs pattes intérieures et extérieures (13) définis-
sant des traversées pour courant élevé, les anneaux conducteurs de la chaleur établissant une isolation
électrique entre les traversées.
2. Boîtier selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que les anneaux (12) conducteurs de la chaleur comprennent une matière céramique conductrice de la chaleur.
3. Boîtier selon la revendication 2, carac-
térisé en ce que la matière céramique conductrice de la chaleur comprend du nitrure d'aluminium et les anneaux (17)
conducteurs du courant électrique comprennent du molybdène.
4. Boîtier selon la revendication 3, carac-
térisé en ce que les anneaux de molybdène comprennent
le molybdène nickelé.
5. Boîtier selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que les anneaux conducteurs de la chaleur
comprennent une matière à base d'oxyde métallique con-
ductrice de la chaleur.
6. Enceinte à traversées pour courant élevé, caractérisée en ce qu'elle comporte une embase céramique sensiblement plate (10), plusieurs anneaux (12, 17) alternativement conducteurs du courant électrique et isolants, ayant une conductibilité thermique relativement élevée, les anneaux étant empilés sur l'embase afin de définir une enceinte creuse (16), les anneaux (17) conducteurs du courant électrique comportant plusieurs pattes intérieures et extérieures (13) qui définissent des traversées pour courant élevé, les anneaux isolants alternés (12) établissant une isolation électrique entre les traversées, les pattes étant décalées le long de la périphérie des anneaux afin que l'agencement empilé des anneaux présente des positions respectives pour les pattes en différents emplacements relatifs à différents niveaux, l'enceinte comportant en outre un anneau (14) de scellage en métal conducteur du courant électrique et conducteur de
la chaleur, et un couvercle (21) en métal à haute résis-
tivité électrique.
7. Enceinte à traversées pour courant élevé, caractérisée en ce qu'elle comporte une embase métallique sensiblement plate (10) à faible dilatation thermique, et plusieurs anneaux (12) en nitrure d'aluminium altnernant avec des anneaux (17) en molybdène nickelé, les anneaux en molybdène nickelé comportant plusieurs pattes intérieures (13) et plusieurs pattes extérieures (13) destinées à définir des traversées pour courant élevé, les pattes étant décalées le long de la périphérie des anneaux en molybdène nickelé afin que l'agencement empilé des anneaux comporte des pattes respectives situées à différents emplacements relatifs et à différents niveaux, les anneaux en nitrure d'aluminium établissant une isolation électrique entre les traversées et les anneaux alternés étant empilés sur l'embase afin de définir une enceinte creuse (16) pour des
composants de micro-électronique.
8. Boîtier à traversées pour courant élevé, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (10) comprenant une matière à faible coefficient de dilatation thermique,
et plusieurs anneaux alternés (12, 17) en nitrure d'alumi-
nium et en molybdène nickelé empilés sur l'embase pour définir une enceinte (16), les anneaux en molybdène nickelé comportant plusieurs pattes intérieures et extérieures (13) qui définissent des traversées pour courant élevé, les anneaux en nitrure d'aluminium établissant une isolation
électrique entre les traversées.
9. Boîtier selon l'une des revendications 1 et
8, caractérisé en ce que les pattes sont décalées le long de la périphérie des anneaux en molybdène nickelé afin que
l'agencement empilé d'anneaux comporte certaines, respec-
tives, des pattes à différents emplacements relatifs et à
différents niveaux.
10. Boitier selon l'une des revendications 1 et
8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un anneau (14)
de scellage.
11. Boîtier selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'anneau de scellage comprend du
molybdène nickelé.
12. Boîtier selon l'une des revendications 1 et
8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un couvercle
(21) scellé sur l'anneau de scellage.
13. Boitier selon l'une des revendications 1 et
8, caractérisé en ce que les anneaux du boîtier sont brasés
les uns aux autres.
14. Boîtier selon l'une des revendications 1
et 8, caractérisé en ce qu'il est revêtu de nickel et d'or.
15. Procédé de fabrication d'une enceinte (16) à traversées pour courant élevé, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un anneau (12) conducteur de la chaleur sur une embase (10), à disposer un anneau (17) conducteur du courant électrique sur l'anneau conducteur de la chaleur, et à empiler d'autres anneaux (12, 17) conducteurs de la chaleur et conducteurs du courant électrique les uns sur les autres jusqu'à ce qu'une enceinte souhaitée (16)
soit formée.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à disposer un anneau (14) de scellage sur l'anneau conducteur de la chaleur le plus haut, à disposer un couvercle (21) sur l'anneau de scellage, à braser l'enceinte ainsi formée et à
revêtir l'enceinte d'or et de nickel.
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'étape consistant à disposer l'anneau conducteur de la chaleur sur une embase consiste à
disposer un anneau en nitrure d'aluminium sur l'embase.
18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'étape consistant à disposer l'anneau conducteur du courant électrique sur l'anneau conducteur de la chaleur consiste à disposer un anneau en
nitrure d'aluminium sur l'anneau conducteur de la chaleur.
19. Procédé de fabrication d'une enceinte (16) à traversées pour courant élevé, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un anneau (12) en nitrure d'aluminium sur une embase (10), à disposer un anneau (17) en molybdène nickelé sur l'anneau de nitrure d'aluminium, à disposer d'autres anneaux (12, 17) de nitrure d'aluminium et de molybdène nickelé les uns sur les autres jusqu'à ce qu'une hauteur de paroi souhaitée pour l'enceinte (16) soit atteinte, à disposer un anneau (14) de scellage sur le dernier anneau de nitrure d'aluminium, à disposer un couvercle (21) en "Kovar" sur l'anneau de scellage, à braser l'enceinte ainsi formée et à revêtir l'enceinte d'or
et de nickel.
20. Procédé d'assemblage d'une enceinte à traversées pour courant élevé, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un anneau (12) de nitrure d'aluminium sur une embase sensiblement plate (10), à disposer de façon alternée trois anneaux (17) en molybdène préalablement nickelé et trois anneaux (12) en nitrure d'aluminium en commençant avec un anneau en molybdène préalablement nickelé, à disposer un anneau (14) de scellage en molybdène préalablement nickelé sur l'ensemble de la structure, à sceller un couvercle (21) en "Kovar" sur l'anneau de scellage, à braser l'enceinte et à revêtir l'enceinte d'or
et de nickel.
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