FR2951020A1 - Multi-layer composite material for use on support i.e. substrate, of electronic power module i.e. insulated gate bipolar transistor power module, has two outer layers connected together by pipes that are made of heat conductive material - Google Patents

Abstract

The material (10) has an inner layer (16) made of material having thermal dilation coefficient, and two outer layers (12, 14) are made of heat conductive material and arranged on sides of the inner layer, where the two outer layers are connected together by pipes (18) i.e. thermal bridges, that are made of heat conductive material. The pipes are arranged in the inner layer. The inner layer is made of material selected from a group comprising Invar(RTM: nickel-steel alloy), iron-nickel alloy, molybdenum, niobium, tungsten and alloys of molybdenum, niobium and tungsten. An independent claim is also included for a method for preparing a multi-layer composite material.

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. B09-1648 - ODE / AE Public Establishment of Industrial and Commercial nature says: National Laboratory of Metrology and Testing and Association for Research and Development of Methods and Industrial Processes known as: Arms and Joint Stock Company Simplified called: GRISET SAS Material multilayer composite used for the manufacture of substrates of electronic modules and corresponding manufacturing process Invention of: WELCOME Yves KAABI Abderrahmen RYCKELYNCK David PIERRE Bertrand BRUZEK Eric-Christian IDRAC Jonathan 1 Multilayer composite material used for the manufacture of electronic module substrates and manufacturing process The invention relates to the field of materials applied to electronics. More particularly, the invention relates to a multilayer composite material for the manufacture of substrates for electronic modules. The invention also relates to corresponding manufacturing processes. As is known, the electronic power components commonly called silicon electronic chips are generally mounted on a support which essentially ensures their cooling.

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. One of the main sources of failure of electronic power components is related to the difference in thermal expansion between the substrate on the one hand, usually copper and the silicon electronic chip on the other hand. The permanent increase in the power and frequency of operation of the electronic components, causes more and more thermal losses that increase the working temperature of the power electronic component and the substrate. The metallurgical nature distinct from the substrate and the component results in a different thermal behavior with respect to the heat. As a result, the rise in temperature results in considerable shear stresses in the bonding zone that can cause degradation or even destruction of the chip / substrate assemblies. For the good functioning of the silicon chip as for its longevity, it is essential to evacuate the maximum heat. Although copper fully plays its role of heat conductor, its linear expansion coefficient is more than 3 times that of silicon, which is not favorable to the chip / substrate bond. Thus, a substrate having good thermal and electrical conductivities is as much sought after as a low linear expansion coefficient close to that of glass or silicon in the plane of the substrate. However, these two properties are naturally antinomic. Indeed, apart from the diamond, no material of the periodic classification of the elements makes it possible to respond to these two properties at the same time. This is why other substrates have been developed. It has thus been proposed to use substrates based on a metal matrix composite material (the abbreviation of which is "CMM"). For example, it has been proposed to use Al-SiC [2, 3, 6], Cu-SiC [5], Cu-Diamond [1, 2, 4], Cu-C (fibers) [1, 3, 8], etc. These materials have a high manufacturing complexity associated with a high cost price. In general, the part produced must also have the final ribs of the substrate since machining is almost 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. Colaminated substrates comprising two outer layers of conductive metal disposed on either side of an inner layer of limited thermal expansion material are also used. Examples of such materials are Cu / Mo / Cu [2, 3, 7], Cu / Mo-Cu / Cu alloys [2,3,7] and Cu / Fe-Ni alloys with controlled expansion / Cu [ 9]. Although they have a low coefficient of expansion, their thermal conductivity in the direction of heat removal is, however, insufficient. Indeed, the inner layer plays the role of a thermal barrier. This is particularly the case, for example, Invar® whose thermal conductivity is twenty times lower than that of copper. The object of the invention is therefore to overcome the disadvantages of the abovementioned materials and, in particular, to provide a substrate for an electronic power component which has both good thermal and electrical conductivity and a coefficient of linear expansion close to that of the silicon to be used over a wide range of temperatures and thus have a much longer life than it currently has. The subject of the invention is therefore a multilayer composite material comprising at least one inner layer made of a material with a thermal expansion coefficient chosen as a function of the coefficient of thermal expansion of a device intended to be placed on the multilayer material and at least two outer layers. a heat-conducting material, said outer layers being disposed on either side of said inner layer. According to a general characteristic of this material, the outer layers are interconnected by wells of heat conducting material arranged in said inner layer. Thus, by providing wells that extend between the outer heat conductive layers through the inner layer of low coefficient of thermal expansion, thermal bridges are generated to remove heat. In addition, through the use of the inner layer whose expansion coefficient is close to that of the silicon chip, it avoids or at least minimizes the appearance of shear forces. For example, the wells have a height equal to the thickness of the inner layer. The inner and / or outer layers may be arranged symmetrically or asymmetrically with respect to a general plane of the material, depending on their thickness or the nature of the materials used. The conductive material of the outer layers and / or wells may comprise a metal selected from the group consisting of copper and its alloys, silver and its alloys, and aluminum and its alloys. For example, the material of the inner layer is selected from the group consisting of Invar®, Fe-Ni alloys with limited expansion, molybdenum and its alloys, niobium and its alloys and tungsten and its alloys.

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%. In one embodiment, the wells are periodically distributed in said material. For example, the surface proportion of the wells (18) is less than 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. The subject of the invention is also, according to a second aspect, a support for a power module, comprising a material as defined above. The invention further relates, in a third aspect, to a method of manufacturing a multilayer material as defined above. This process comprises the following steps: perforation of at least a first layer of thermal expansion coefficient material chosen according to the coefficient of thermal expansion of a device intended to be placed on the multilayer material, so as to form therein well; positioning the layer of perforated material between outer layers of heat-conducting material; and - bonding of said inner layer and the outer layers by passing through the gap of a rolling mill. In one embodiment, prior to the step of positioning said layers, there is carried out a mechanical attack, for example a brushing, an emery ..., surfaces of the layers to be placed opposite. For example, during the roll-forming operation, the rolling mill has a power such that the material of the outer layers fills the perforations of the first layer. According to another characteristic, the manufacturing method further comprises a step of filling the perforations with a heat-conducting material prior to the positioning step of the strips. For example, the filling step is performed according to the Cold Spray ® method consisting of a dynamic cold projection of conductive material in the perforations of the first layer. The filling step can be performed by inserting inserts of heat conducting material into the perforations of the first layer.

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. The filling step can, alternatively, be carried out by the insertion of extra thicknesses created on the faces of the outer layers intended to be in contact with the first layer, said extra thicknesses coinciding with a perforation of said first layer. This method may further comprise a subsequent step of cutting and / or folding the material.

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. Other objects, features and advantages of the invention will become apparent on reading the following description, given solely by way of nonlimiting example, and with reference to the appended drawings, in which - FIG. 1 illustrates the structure of the material multilayer composite according to the invention used as a substrate for electronic modules - Figure 2 shows a schematic top view of the different patterns of an inner layer of multilayer material before and after a rolling operation; FIG. 3 represents the different steps of a method of manufacturing the multilayer material according to the invention, according to the Cold Spray ® method; FIG. 4 represents the various steps of a method of manufacturing the multilayer material according to the invention; using metal inserts; FIG. 5 represents the various steps of a method of manufacturing the multilayer material according to the invention using checkered metal strips; FIG. 6 represents the different steps of a method of manufacturing the multilayer material according to the invention using smooth metal strips; FIG. 7 illustrates in perspective the multilayer material according to the invention; FIG. 8A illustrates an asymmetrical three-layer material; FIG. 8B illustrates a symmetrical five-layer material; FIG. 8C illustrates a material with five asymmetrical layers; FIG. 9 is a histogram representing the influence of thermal bridges on the maximum temperature of the substrate; Table 1 presents the different natures and configurations of the substrates tested, the results of which appear on the histogram of FIG. 9; and FIG. 10 is a curve representing the influence of the surface fraction of thermal bridges on the thermal conductivity and the thermal expansion of a multilayer Copper / Fe-Ni alloy material with controlled expansion / copper according to the invention. Referring to Figure 1, the multilayer material 10 according to the invention comprises two outer layers 12, 14 of conductive material, in this case metal, disposed on either side of an inner layer 16 of material to limited thermal expansion. This material is intended to constitute a substrate forming a support for a power electronic component 13, for example an IGBT ("Insulated Gate Bipolar Transistor") power module formed from a silicon chip, mounted on the substrate 10 by means of a solder layer 11. The outer layers 12, 14 are preferably of copper and thus confer excellent thermal and electrical conductivity in the plane of the layer and therefore a fairly homogeneous distribution of heat and current density. In addition, thanks to the mechanical and metallurgical properties of copper, the establishment of quality interfaces with other elements of the assembly is possible. These include the interface with the inner layer of the substrate and the interface with the solder layer 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. The inner layer 16 consists of a layer of limited thermal expansion material perforated with channels 26 of fast heat conduction. These channels are filled with a material of very good thermal conductivity such as copper and then constitute "thermal bridges" 18. Copper locally replaces the material of the inner layer. Examples of limited expansion material constituting the inner layer are metals such as molybdenum, niobium, etc. or a reduced expansion metal alloy such as Invar®. Generally, they have a good ability to establish a metallurgical bond with copper. Molybdenum exhibits interesting thermomechanical properties as illustrated by a high melting temperature, a high modulus of elasticity, a high mechanical strength at medium temperature, good electrical and thermal conductivities, a low expansion coefficient and excellent resistance to corrosion in many circles. Other compositions based on Cu-Mo such as "Cu / Mo / Cu" and "Co / Mo7oCu3o / Cu" colaminates also find their place for such a mechatronic application as an IGBT module substrate. Alternatively, the invention proposes to use Invar®. It is a FeNi alloy (36%) associated with a very low thermal expansion over a very wide temperature range from about 250 ° C to room temperature. This alloy is used not only for this particular property but also for its mechanical characteristics. In order to obtain the multilayer material of the invention according to FIG. 1, the manufacturing method according to the invention is based on a bonding of copper layers 12, 14 intended to constitute the outer layers and of a perforated molybdenum layer or Invar intended to constitute the inner layer 16. According to one embodiment of the invention, a Cu / Invar / Cu multilayer material with thermal bridges is described. These layers are obtained from strips of corresponding material. The bonding method is well known in the prior art and consists of rolling strips of metals or alloys hot or cold, annealing, brushing and assembling them in a cold-setting operation or in a cold-setting operation. hot. This process has many advantages such as a wide variety of web dimensions, high dimensional accuracy for high throughput cutting machines, and outstanding surface quality for subsequent surface treatments.

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. Advantageously, the three strips 12, 14, 16 have the same width. This width is determined relative to the part cutting plane. To obtain, for example, a multilayer material having a final thickness equal to 1.5 mm, it is possible to choose that the thickness of the copper strips be 1 mm and the thickness of the invar strip 3 mm. Before the actual step of bonding, the inner band 16 Invar® is perforated by punching cutting operation, or other known means, so as to form wells. The empty spaces resulting from this perforation step are homogeneously dispersed and have a predetermined geometrical shape as illustrated in FIG. 2. They may be elliptical a), rectangular b), circular c) or octagonal d) before rolling. and respectively circular (a '), squared b'), elliptical c ') or octagonal elongated d') after rolling.

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. For example, to obtain thermal bridges 3 mm in diameter, it is necessary to cut ellipses a) whose major axis is equal to 3 mm and the secondary axis is equal to 1 mm. The ellipses must be oriented so that their major axis is perpendicular to the direction of rolling.

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. After the perforation operation of the Invar® strip 16, the next step consists in preparing the copper strips in order to constitute the thermal bridges 18. For this, various embodiments are described in the following description with reference. in Figures 3 to 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. Realization of a multilayer material with thermal bridges by Cold Spray® (FIG. 3) According to this method illustrated in FIG. 3, the two faces, upper and lower, of the Invar® strip 16 and the face of each copper strip 12 and 14, facing the invar band 16, are mechanically treated, for example by brushing (operation not shown). For this, stainless steel wire brushes whose wire diameter is 0.3 to 0.5 mm can be used. The speed of rotation of the brushes can reach 1250 rpm with a forward speed of 60 m / min. Next, a surface cleaning step is required to remove debris (not shown). For this, compressed air deoiled under high pressure is used. Surfaces must be perfectly clean without traces of oil or other substances. If necessary, a detergent can be used followed by a rinsing operation followed by drying. The following step consists in superimposing the invar strip 16 on the lower copper strip 12 (step a). During step b), the channels 26 of the Invar band 16 are filled by spraying at a high pressure (28 to 30 bar) of a copper powder 19 with a particle size of 25 to 45 μm. Nitrogen or helium or a mixture of both can be used to make this projection. Heating the gas to 600 ° C., for example, makes it possible to have a density of the powder close to 8.2 g / cm 3. The excess of the material is then removed by a fast milling operation c). A stress relieving treatment at 300 ° C for one hour, to relax the internal stresses, is operated. Preferably, this treatment is carried out under a controlled atmosphere such as nitrogen. Finally, the whole is colaminated (step d), with a reduction ratio of at least 50%. Tensile stresses must be applied to the multilayer material 10 at the outlet of the mill 20a and 20b to stabilize the structure. Once the three strips have been bonded together, bonds between the copper of the strips 12, 14 and, on the one hand, that of the thermal bridges 18 and, on the other hand, the strip 16 in Invar are created, to constitute means of connection between the two outer layers 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. Finally, the multilayer material undergoes a heat treatment, for example between 450 ° C and 800 ° C and for a period between 1 and 3 hours, depending on the materials, to improve the quality of the 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. Thanks to these bridges 18, a thermal and electrical short-circuit occurs between the two outer layers of the material thus colaminated 10. According to the invention, the limited expansion material therefore provides the multilayer material 10 with a coefficient of expansion close to that of the silicon while copper thermal bridges 18 provide an improvement in thermal conductivity in a preferred direction, the direction of heat removal.

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). Realization of a multilayer material with thermal bridges using metal inserts (Figure 4) Similarly, according to this alternative method to the use of Cold Spray®, illustrated in Figure 4, the two faces, upper and lower, the invar band 16 and the face of each copper strip 12 and 14, facing the Invar® band 16, are brushed with stainless steel brushes 22 (step 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. Inserts 23 of sections identical to the channels 26 of the invar strip 16 are then cut from an extruded brass bar 24 which has the same section as said channels 26 (step b). The inserts 23 can also be obtained by other techniques such as cutting in a copper strip of the same thickness.

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. Subsequently, the inserts 23 are arranged in the channels 26 of the Invar band (step c). Their introduction can be carried out using an automated mechanical system. When the assembly passes through the gap of the mill 20a, 20b, a multilayer composite material 10 with thermal bridges 18 is obtained (step d). The product is then heated at approximately 800 ° C. for 1 h 30 under a controlled atmosphere to improve the junction between the layers. Then, it is cooled in the oven at room temperature.

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. The thickness of the transition zone can then have values greater than 201um. Finally, the final material has good mechanical, thermal and electrical properties in a stable and solid structure. The thickness of the transition zone depends strongly on the metallurgy of the materials, that is to say that the adhesion of the copper on the Invar will be different from the adhesion of the copper to the molybdenum. The inter-diffusion properties of the copper and the limited-expansion material chosen make it possible to condition the temperature of the heat treatment.

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. Realization of a multilayer material with thermal bridges using checkered metal strips (Figure 5) Since copper is a material with high deformation capacity, it is possible to obtain checkered stripes 12, 14. Referring to step a) of FIG. 5, checkered patterns are created on a copper strip using a rolling mill 30a, 30b, one of which rolls 30a is etched and the other 30b smooth. The prescribed pattern is thus achieved by creating a variation of the thickness on the copper strip. The pattern created must be chosen in such a way that each extra thickness 21 coincides with a channel 26 of the Invar band 16. In the case of a symmetrical multilayer material, the extra thickness must be equal to half the thickness of the strip 16 in 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). The strips 12, 14 thus rolled undergo an annealing treatment of a few hours to improve their ductility. Then, the surfaces of the rolled strips 12, 14 intended to come into contact with the Invar internal strip 16 are rubbed with brushes 22 to create a rough surface (step b) whose roughness (Ra) must be greater than 4 μm. After brushing, the sheets are cleaned and then superimposed on one another (step c) and finally colaminated by a single passage in the gap of a rolling mill 20a, 20b (step 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. The reduction ratio is also between 50% and 80%. The connection between the different materials is created. A heat treatment between 450 ° C. and 800 ° C. for 1 to 3 hours can be carried out in a "static" oven to give the product the desired robustness.

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. The advantage of this method of obtaining the multilayer material 10 of the invention compared to the other methods presented above is the reduction in the number of operations, which has a significant impact on the cost price of such a method. material.

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. Realization of a multilayer material with thermal bridges using smooth metal strips (FIG. 6) According to FIG. 6, the first step a) of producing a multilayer material with thermal bridges using a Smooth band in Invar consists of a punched cut.

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. For this purpose, a cutting tool comprising a punch 32 having complementary counterfoils of a die 34 is used, the vertical movement of the punch 32 towards the die 34 being able to perforate the desired shape in a smooth Invar® strip positioned between them. two elements 32 and 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). Metal brushes 22 driven in rotation at approximately 1250 rpm rub on the one hand, the two upper and lower faces of the Invar belt 16 thus perforated and, on the other hand, the face of each copper strip 12 and 14 facing the invar band 16 to obtain an arithmetic roughness (Ra) greater than 4 .mu.m (step b). The copper strips 12, 14 have, according to this method, a greater thickness than for the previous processes since these copper strips will be used to fill the channels 26 made in step 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. The thickness is determined by taking into account half the volume of the channels in the Invar® band. This volume of the channels is added in a manner equivalent to the two copper strips 12, 14.

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. Then, a cleaning step (not shown) of the strips, using compressed air, for example, is implemented to remove all debris. The three strips 12, 14, 16 are then superimposed (step c), then colaminated by a single passage in the gap of a rolling mill 20a, 20b (step d). The reduction ratio is between 50% and 80%. The multilayer material 10 obtained comprises two outer layers 12, 14 made of copper, an inner layer of Invar®16 and copper metal connections which connect the upper face to the lower face of the material. A heat treatment between 450 ° C and 800 ° C for 1 to 3 hours may be performed in a "static" oven to improve the transition zone at the interface. The advantage of this technique over the other techniques mentioned above is the use of raw smooth rolling strips. On the other hand, this method of production requires a rolling mill with a higher power for the same reduction ratio and it is necessary to manage the air exhaust from the preforms of the Invar band 16 or any other metal with a low coefficient of expansion. .

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. At the end of the processes mentioned above, the flat multilayer material illustrated in FIG. 7 is obtained. This material is in the form of a plate or a strip. This material can then be cut, sheared, folded to give it the ribs of the finished substrate.

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. As indicated above, such a flat product is advantageously used as a substrate for a power module for electronics, especially since there is no obstacle to the use of conventional techniques such as cutting. using a matrix and a punch in the manufacture of substrates.

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. Similarly, the surface treatments, such as nickel plating, solder preparation operations used to date, can be performed on the thermal bridge substrate according to the invention since the two outer layers 12, 14 are made of copper.

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. Advantageously, the multilayer material may comprise more than three layers. In this case, it may have more than one inner layer and more than two outer layers. In the latter case, the term outer layer means a layer placed on the outside with respect to an inner layer. Similarly, the material can adopt a symmetrical or asymmetrical configuration. Indeed, the number of layers and the thickness of each layer in the substrate are determined according to the 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. The number and size of the brazed electronic chips on the upper surface of the substrate are the main factors that contribute to the shear stresses present between the substrate and the silicon chip. These constraints can be minimized by an asymmetric substrate. The asymmetry includes not only the thicknesses of layers assembled by bonding but also the metallurgical nature of these layers. For example, the upper layer 14 and the thermal bridges 18 may be copper while the lower layer 12 may be aluminum while the inner layer 16 is molybdenum.

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. FIGS. 8A to 8C illustrate examples of multilayer materials with thermal bridges. It is recommended to minimize the thickness of the copper layer 14 in contact with the solder. The thickness of this layer 14 has a low limit imposed by the operating current of the electronic component and a high limit corresponding to the suppression of the effect of the inner layer of limited expansion material. Thus, FIG. 8A represents a multilayer material according to the invention, dissymmetrical and with three layers. The lower layer 12 of copper having a thickness greater than the upper layer 14. FIG. 8B represents a multilayer material according to the invention, symmetrical and with five layers. Between the outer layers of copper 12 and 14, the material comprises a first Invar perforated layer 38, a copper layer 40 and a second Invar perforated layer 42. Thermal bridges 18 are provided between two layers of copper, which is between the lower layer 12 and the inner copper layer 40, and between the same inner copper layer 40 and the upper layer 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. FIG. 8C represents a multilayer material according to the invention, dissymmetrical and with five layers. The material has a structure identical to that described above. However, the lower copper layer 12 has a thickness greater than the upper band 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. Referring to Figure 9 and Table 1, a histogram illustrates the results of the implementation of a substrate according to the invention supporting a silicon chip in comparison with a conventional substrate provided with the same chip. Thus, with respect to a Cu / Invar / Cu multilaminated multilayer substrate without thermal bridges, the same substrate with thermal bridges makes it possible to significantly reduce the temperature at the metal junction between the upper face of the substrate and the silicon chip. , place shear stresses that can cause the degradation of said chip. For example, under the same flow of the order of 900 W / cm2 dissipated by a chip, the thermal-braced colaminated substrate ensures a maximum temperature decrease (Tmax) of greater than 30% with respect to the same colaminate without thermal bridges. Table 1 specifies the nature and structure of the different substrates tested. In this table, Cu denotes copper and Iv denotes Invar®. The thermal conductivity is therefore significantly improved in the thickness of the Invar® compared to a colaminated substrate without thermal bridges. The upper layer 14 of conducting material such as copper makes it possible to have a homogeneous dispersion of the heat in the plane. The thermal bridges evacuate the calories towards the coldest zone which is the lower layer 12. The increase of the surface fraction of the thermal bridges favors the thermal transfer in the direction of evacuation of the heat of the substrate but also influences the dilatability multilayer material. In this regard, FIG. 10 represents the variation of the thermal expansion of a Cu / Invar / Cu multilayer material (1/1/1) as a function of its thermal conductivity. Thus, the substrate according to the invention brings many advantages both technically and economically: it has good thermal conductivity in the direction of heat removal, provided by the continuity of the conductive metal phase obtained by the introduction thermal bridges; it has a limited dilatability close to that of silicon in the plane of the chip / substrate bond; - It has an excellent surface state that offers a better ability to receive a surface treatment such as nickel plating; it contains at least one material with high thermomechanical properties which ensures a structure of excellent mechanical and thermal resistance at moderate temperature. The multilayer material can operate at high temperatures (200 ° C) without altering its characteristics; - The outer layers 12, 14 made of copper ensure a homogeneous distribution of heat on the outer surface and therefore better management of heat flow; - The thermal bridges 18 of conductive metal act as a barrier that provides better adhesion of the constituents of the multilayer material; the thermal bridges 18 can adopt any shape or orientation required by the intended application; - Collage significantly improves the mechanical properties of the surfaces of the product by hardening, which reinforces the resistance to abrasion and impact; the multilayer material with thermal bridges may be symmetrical or asymmetrical. These allow to minimize the constraints in an assembly which means an improvement in the life of the power module; - The multilayer material can be manufactured in large quantities by continuous processes, in particular rolling and bonding, which allows to have a relatively low cost compared with a powder injection molding process, for example; - The multilayer thermal bridging material is a flat product that can have a wide range of dimensions. Cutting, bending, shearing, drilling are applicable so that the cost can be reduced; the development of the multilayer thermal bridge material takes place at temperatures much lower than the melting temperature of the constituents, unlike metal matrix composites which require high temperatures to infiltrate the metal.

Claims (9)

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. REVENDICATIONS1. Multilayer composite material comprising at least one inner layer (16, 38, 42) of thermal expansion coefficient material chosen according to the coefficient of thermal expansion of a device intended to be placed on the multilayer material and at least two outer layers ( 12, 14, 40) of heat-conducting material, said outer layers being disposed on either side of said inner layer, characterized in that the outer layers are interconnected by wells (18) of conductive material. the heat arranged in said inner layer. 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). 2. Material according to claim 1, characterized in that the wells (18) have a height equal to the thickness of the inner layer (16, 38, 42). 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. 3. Material according to one of claims 1 and 2, characterized in that the inner and / or outer layers (12, 14, 16, 38, 40, 42) are arranged symmetrically or asymmetrically with respect to a general plane material, depending on their thickness or the nature of the materials used. 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. Multilayer material according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the conductive material of the outer layers (12, 14, 40) and / or wells (18) comprises a metal selected from the group consisting of copper and its alloys, silver and its alloys, and aluminum and its alloys. 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. 5. Multilayer material according to any one of the preceding claims, characterized in that the material of the inner layer (16, 38, 42) is selected from the group consisting of Invar®, Fe-Ni alloys with limited expansion, molybdenum and its alloys, niobium and its alloys, and tungsten and its alloys. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les puits (18) sont périodiquement répartis dans ledit matériau. 6. Material according to any one of the preceding claims, characterized in that the wells (18) are periodically distributed in said material. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la proportion surfacique des puits (18) est inférieure à 35%. 7. Material according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface proportion of the wells (18) is less than 35%. 8. Support pour module de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte un matériau selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 8. Support for power module, characterized in that it comprises a material according to any one of claims 1 to 7. 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. 9. A method of manufacturing a multilayer composite material according to claims 1 to 7, characterized in that it comprises the following steps: - perforation of at least a first layer of material (16, 38, 42) with a coefficient of thermal expansion chosen according to the coefficient of thermal expansion of a device intended to be placed on the multilayer material, so as to form wells therein; positioning the layer of perforated material between outer layers of heat-conducting material; and - bonding said inner layer and the outer layers (12, 14, 40) by passing through the gap of a rolling mill (20a, 20b). 13. The method of claim 9, characterized in that prior to the step of positioning said layers, one carries out a mechanical attack of surfaces of the layers to be placed opposite. 14. The manufacturing method according to claim 10, characterized in that during the rolling operation, the mill (20a, 20b) has a power such that the material of the outer layers fills the perforations of the first layer. 15. The manufacturing method according to claim 11, characterized in that it further comprises a step of filling the perforations (26) with a heat conducting material prior to the tape positioning step. 16. Manufacturing method according to claim 12, characterized in that the filling step is performed according to the Cold Spray ® method consisting of a cold dynamic projection of conductive material (19) in the perforations (26) of the first layer. Production method according to claim 12, characterized in that the filling step is performed by inserting inserts (23) of heat-conducting material into the perforations (26) of the first layer (16, 38, 42). 15. The manufacturing method according to claim 12, characterized in that the filling step is performed by inserting overthicknesses (21) created on the faces of the outer layers (12, 14, 40) intended to be in contact with the first layer (16, 38, 42), said overthickness coinciding with a perforation (26) of said first layer (16, 38, 42). 16. Method according to any one of claims 9 to 15, characterized in that it comprises a subsequent step of cutting and / or folding of the material.