Brevet FR2003573A1 — publié le 19691107

La présente invention concerne et a essentiellement pou objet un dispositif semi-conducteur ou analogue-et plus particuliè- remet des perfectionnements à des moyens de refroidissement pour un élément semi-conducteur de puissance ou analgue ainsi que les diverses applications et utilisations résultant dë sa mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, unités, appareils, équipements et installations qui en sont pourvus. Afin de refroidir des éléments semi-conducteurs de puissance, il a été de pratique courante de mettre un organe métallique, comportant des ailettes ou nervures de dissipation de chaleur,en contact avec l' électrode du dispositif semi-conducteur de puissance, ou de mettre un autre moyen de refroidissement, tel que des tuyaux, tubes ou conduites pour fluide réfrigérant ou-refroidisseur liquide, en contact avec l'électrode.Ces mesures provoquent une diminution de l'effet de refroidissement -exercé sur l'élément semi-conducteur, parce que la résistance de contact thérmique, entre l'électrode du dispositif de puissance et l'organe ou la pièce métallique ou aut-re moyen de refroidissement, selon le cas, est relativement élavée. En conséquence, c'est un but général de l'invention d'anéliorer l'effet réfrigérant exercé sur des dispositifs semiconducteurs. C'est un but de l'invention de créer un nouveau dispositif semi-conducteur perfectionné à haute puissance comprenant un bloc refroidisseur agencé ou disposé de façon à former partie intégrante de l'électrode dudit dispositif pour refroidir directement ce dernier par un agent, milieu ou fluide réfrigérant. C'est un autre but de l'invention de créer un nouveau dispositif semi-conducteur perfectionné de grande puissance du type à refroidissement forcé, qui sot d'une petite taille ou dimens ion globale et à efficacité ou rendement élevé de dissipation de chaleur. L'invention atteint ces objectifs par la création d'un dispositif se li-conducteur comprenant en conbinaison : un élément semi-conducteur ou analogue comprenant une paire de surfaces principales opposées et ayant au moins une jonction P-N dans celuici, une électrode en une matière thermiquement et électriquement conductrice, disposée sur chacune desdites surfaces principales dudit élément semi-conducteur, et un organe isolant de forme annulaire, entourant coaxialement ledit élément semi-conducteur et lesdites électrodes, au moins l'une desdites électrodes consistant en deux parties ou pièces pour former un tassage réfrigérant entre celles-ci, de sorte qu'un agent ou fluide réfrigérant s'écoule à travers l'électrode. te passage peut de préférence être sous la forme d'une rainure ou gorge en spirale ou bien d'une rainure ou gorge annulaire; en variante il peut être constitué par une série de portions saillantes ou de trous disposés dans l'électrode0 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront au cours de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe en élévation d'un dispositif semi-conducteur de puissance en forme de paquet plat, construit suivant les principes de l'état antérieurement connu de la technique;; - la figure 2a est une vue schématique en élévation d'un agencement par lequel le dispositif, représenté sur la figure 1,est refroidi par circulation forcée par de l'air; - la figure 2b est une vue semblable à la figure 2a mais représentant le dispositif de la figure 1 refroidi par circulation forcée au moyen d'un licuide réfrigérant; -les figures 3a, b, c et d sont des vues en coupe d'un dispositif semi-conducteur de puissance en forme de paquet plat, en cours de réalisation ou de traitement conR=mément aux principes de l'invention et représenté dans l'ordre dans lequel il est assemblé ; et - la figure 4 est une vue semblable à la figure 2a ou b mais représentant un dispositif se=i-conducteur construit suivant les principes de l'invention. Sur toutes les diverses figures, les mêmes chiffres de référence désignent des composants ou constituants identiques ou correspondants Bien que l'invention sera écrite, seulement dans un but explicatif, en se référant à une diode semi-conductrice de puissance, il doit être entendu qu'elle est également applicable à d'autres dispositifs semi-oonducteurs de puissance, tels que des transistors de puissance, les thyristors de puissance, etc... Bn se reportant maintenant aux dessins et à la figure 1 en particulier, il y est représenté un dispositif en paquet plat formant diode semi-conductrice de puissance ou dispositif redresseur à deux bornes construit conformément aux principes de la technique antérieure. Le dispositif, désigné d'une façon générale par le chiffre de référence 10 comprend un élément semiconducteur 12 comportant une paire de surfaces principales oppos6es et comportant une jonction P-N (non représentée) dans celui-ci et une paire d'électrodes 14 et 16 disposées respectivement sur les surfaces opposées de l'élément 12. Un disque en molybdène ou en tungstène est normalement interposé en sandwich entre l'élément et chacune des électrodes, bien qu'il ne soit pas représenté. Les électrodes 14 et 16 peuvent être en toute matière therniquement et électriquement conductrice appropriée et de préférence en cuivre. L'électrode 14 peut par exe aple être une électrode catkode et l'électrode 16 peut être une électrode anode. Cor-le les deux électrodes 14 et 16 servent aussi à dissiper la chaleur produite dans l'élément semi-conducteur 12, elles sont réalisées de façon à être relativement grandes. Sur chacune es électrodes 14 ou 16 est disposée une couche mince 18 ou 2G d'un mçtal doux ou tendre ap rorrié quelconque, ce grande ductilité, tel que l'argent, le plomb, l'aluminium ou analogue. L'ensemble ainsi formé est monté ou introduit avec un ajustement juste dans un -lément isolant à rebord, collerette ou bride 22 en toute matière céramique appropriée en ayant un anneau, une bague ou couronne de guidage 24 en toute vlatire isolante appropriée électriquement conductrice, telle que de la céranique, de la stéatite, du caoutchouc ou du téflon (marque déposée) interposé en sandwich entre le bord extérieur de l'élément semiconducteur 12 et l'organe isolant 22. L'anneau de guidage 24 sert à positionner ou à maintenir l'élénent semi-conducteur 12 en place pendant l'opération d'assemblage. Jus membrane souple ou flexible 26, traversée par un orifice et réalisée en toute matière élastique appropriée, telle que le tovar (marque déposée), un alliage au fer et au nickel ou analogue, relie élactiquement l'électrode cathode 14 à l'élément isolant 22 à l'extrécité supérieure, telle que vue sur la figure 1. Similairement, une autre membrane flexible 28, traversée par un orifice, est fixée par une portion extrême à l'électrode anode 16 et soudée par l'autre portion extrême à un anneau métallique 30 attaché à l'organe isolant 6 par l'extrémité inférieure. La membrane inférieure 28 peut être de la même matière que la membrane supérieure 26.De cette manière, l'élément semi conducteur 12 est maintenu ou retenu en place par l'organe isolant 22. Le dispositif semi-conducteur 10 peut être refroidi par circulation forcée au moyen d'un agencement représenté sur la figure 2a ou b qui sera décrit ci-après. Sur la figure 2a, un bloc cylindrique plein ou massif 32 est réalisé en toute matière appropriée, thermiquement et électri- quement conductrice, telle que du cuivre-aluminium, suivant un diamètre sensiblement égal ou supérieur au diamètre de la surface libre dé l'électrode supérieure 14 et disposé sur l'électrode supérieure de façon à etre en liaison thermiquement et électriquement conductrice avec celle-ci pour former une surface de contact commune 34 entre ceux-ci. Plusieurs ailettes ou nervures de refroidissement 36 s'étendent à travers le bloc cylindrique 32 en étant espacéesAes une des autres et parallèles entre elles et sont brasées à celui-ci.D'une façon semblable > l'électrode inférieure 16 est activement ou fonctionnellement associée à un autre bloc cylindrique massif ou plein et à une autre série d'ailettes de refroidissement, respectivement identiques au bloc cylindrique 32 et aux ailettes de refroidissement 34 venant juste d'entre décrits. En conséquence, le bloc cylindrique et les ailettes associée à l'électrode inférieure 16 sont désignés par les mêmes chiffres de référence que ceux associés à l'électrode supérieure 14. Afin de maintenir le bloc cylindrique supérieur 32 avec les ailettes 36, l'électrode supérieure 14, l'élément semi-conducteur 12, l'électrode inférieure 16 et le bloc cylindrique inférieur 32 -avecles ailettes 36 en corrélation réciproque ou liaison mutuelle de contact intime sous une pression appropriée, ils sont disposés entre deux plaques de pression espacées 38, 38 en ayant une pièce entretoise ou d'écartement 40 interposée entre chacune des plaques 58 et l'organe cylindrique adjacent ou voisin 52. Une série de colonnes,tiges ou montants 42 en une matière électriquement isolante quelconque, ayant une longueur appropriée, sont alors disposés suivant des intervalles angulaires sensiblement égaux, entre les deux plaques de pression 38 sur la périphérie e=térieuze et rigidement fixés aux plaques pattes vis respectives ou analogues de pression, de fixation ou de serrage 44. Il est à noter que chaque pièce d'éeartement ou entretoise 40 sert d'élément 40 pour positionner le blnc cylindrique et est placée au centre sur la surface adjacente de l'élément cylindrique 32 dans le but de mettre chaque électrode coraplètement en contact avec le bloc cylindrique adjacent avec la surface entière de l'interface 34 de ceux-ci, indépendamment du parallélisme des deux sur-taces des électrodes 14 et 16. Avec l'agencement représenté sur la figure 2a,tout réfrigérant gazeux approprié, tel que de l'air, est forcé à circuler autour d'une paire de blocs refroidisseurs su;oérieur et inférieur composée des blocs cylindriques et ailettes respectifs pour refroidir le dispositif se-zi-conducteur 10 par circulation forcée. La figure 2b représente un agencement convenant au refroidissement forcé du dispositif semi-conducteur 10 par un liquide réfrigérant tel que de l'eau. Comme cela est représenté, un bloc refroidisseur creux 46 s'étend sensiblement parallèlement au dispositif semi-conducteur 1G et est maintenu en liaison mutuelle ou corrélation réciproque de transmission de chaleur avec l'électrode adjacente ou voisine du dispositi semi-conducteur. Un liquide réfrigérant déterminé passe par un conduit d'entrée 48 pour pénétrer dans l'organe réirigérant 46 où il absorbe la chaleur engendrée dans l'élément semi-conducteur 12 et quitte ensuite le bloc réfrigérant 46 à travers un conduit de sortie 50. Avec l'agencement représenté sur la figure 2a, la chaleur produite dans l'élément semi-conducteur 12 est d'abord transmise aux électrodes supérieure et inférieure et ensuite absorbée par l'air environnant ou ambiant par l'intermédiaire du bloc métallique 32 et des ailettes 36 dans le cas du type à refroidissement par air. En variante, cette chaleur est absorbée par l'organe refroidisseur 46 dans le type à refroidissement par liquide, tel que représenté sur la figure 2b.Dans chaque cas, l'électrode du dispositif semi-conducteur et le bloc refroidisseur ou cylindrique adjacent conportent inévitablement la surface de contact commune 34 à leur interface d'où la présence d'une résistance thermique sur cette surface de contact, gênant ou empêchant la -trnaamission de chaleur entre les deux composants. Cette résistance thermique, due au contact de l'électrode avec le bloc refroidisseur, peut atteindre 25 à 30So de la résistance thermique totale exis tant en allant de l'élément semi-conducteur à chacun des agents réfrigérants, d'où résulte une grande diminution de l'effet de dissipation de chaleur.En outre, les agencements représentés sont désavantageux par le fait que les montants, tiges ou colonnettes 42 sont-longs et la hauteur globale auunente parcs que le dispo- sitif semi-conducteur 10 est constitué d'une façon séparée par rapport aux blocs réfrigérants. L'invention envisage d'éliminer ces inconvénients. En se reportant ma-ntenant aux figures 3a à d'un dispositif semi-conducteur y est représenté comme étant en cours de traitement ou de réalisation conformément aux principes de l'invention. En comparant la figure 3b à la figure 1,on voit aue l'invention est différente par la configuration de surface d'une électrode du dispositif de la technique antérieure, tel que représenté sur la figure 1. Plus spécifiquement, chacune des électrodes 14 ou 16 comporte une rainure ou gorge ouverte 52 sous la forme d'un cercle disposé sur la portion périphérique externe et aussi un passage ou une voie de refroidissement tel qu'unie rainure ou gorge ouverte 54 par exemple sous la forme d'une spirale ou analogue à l'intérieur de la rainuré ou gorge circulaire 52 sur la surface exposée de ltélectrode. La rainure ou gorge 52 est conformée de façon à pouvoir y recevoir ou loger une bague ou garniture annulaire d'étanchéité ou un autre moyen de fermeture ou de joint étanche. La section trxnsversale peut autre de toute forme appropriée telle qu'un rectangle, un aemi-cercle ou analogue. Il doit être entendu que le passage refroidisseur n'est pas nécessairement constitué par une rainure ou gorge et qu'il peut Btre constitué par tout moyen approprié tel qu'une série de parties proéminentes ou de trous disposés -dans l'électrode 14 ou 16. A d'autres égards, le dispositif est identique à celui représenté sur la figure 1. Sur la figure 3a une électree supérieure 14, ayant attachée ou fixée à celle-ci une couche métallique mince 18, est reliée à un élément isolant 22 par l'intermédiaire d'une membrane flexible 26 traversée par une ouverture et un élément semi-conducteur 12 est représenté dans sa position qu'il occupe juste avant d'être ajusté ou introduit avec un ajustement juste dans un anneau de guidage 24 fixé à la paroi intérieure de l'isolateur 26. A la suite de l'insertion de l'élément semi-conducteur 12 dans l'anneau de guidage 24, une électrode inférieure 16 , comportant attachées à celle-ci une couche métallique mince 20 et une membrane flexible 28 traversée par un orifice (voir figure 3a), est réunie à l'élément isolant 22 en ayant la membrane 28 soudée à l'anneau métallique 30 fixé à l'isolateur 6.La structure résultante est représentée sur la figure 3b. Les matériaux pour les composants venaant juste d'être décrits sont identiques à ceux utilisés pour les composants correspondants illustrés par la figure 1. Ensuite, un bloc réfrigérant en toute matière appropriée thermiquement et électriquement conductrice, telle que du cuivre ou de l'aluminium, désigné par le chiffre de référence 56 sur la figure 3c, est disposé sur chacune des électrodes 14 ou 16. Le bloc refroidisseur 56 est sensiblement égal en diamètre à la surface exposée de l'électrode associée comme celaest représenté sur la figure 3d et comporte, ménagée sur la surface en regard de l'électrode, une rainure ou go-ge circulaire ouverte 52' et un passage réfrigérant tel qu'une rainure ou gorge ouverte 54' en forme de spirale ou analogue, sensiblement identiques en dimen sien et en forme respectivement à la rainure 52 et au passage refroidisseur 54 et à leurspositions où la rainure 52' et le passage 54' sollt sensiblement alignés respectivement avec la rainure 52 et le passage 54 sur l'électrode, quand le bloc réfrigérant est superposé à cette électrode. Deux passages respectivement d'entrée et de sortie 58 et 60 sont situés de façon que le refroidissement le plus efficace soit accompli, d'une telle manière qu'ils s'étendent radialement pour pénétrer dans le bloc réfrigérant 50 et sont ouverts aux deux extrémités ce la rainure en spirale 54'. Après l'insertion d'une garniture d'étanchéité ou d'une bague annulaire dans la rainure ou gorge 52' sur chaque bloc refreidisseur 56 ou dans la rainure 52 sur chaque électrode 14 ou 16, les deux bloes réfrigérants 56 peuvent être superposés aux électrodes respectives. La structure résultante est représentée sur la figure 3d. Comme le montre la figure 9"d, les deux rainures ou gorges en spirale 54 et 54' sont alignées l'une avec l'autre pour former un passage fermé en spirale s'étendant axialement en prénétrant à la fois dans le bloc réfrigérant et l'électrode à l'interface de ceux-ci.Le passage en spirale 54-54' communique respectivement avec les passages d'entrée et de sortie 58 et 60 et; on peut paire circular > travers ceux-ci toux agent ou fluide de refroidissement approprié dans le hut d'éliminer ou d'évacuer la chaleur produite dans le dispositif cemi-conducteur. L'ensemble ainsi préparé peut être caintonu > une pression appropriée de la manière précédenment décrite en corrélation avec les figures 2a et b, c'est-à-dire de la manière représentée sur la figure 4. Les composants, formant la structure de la figure 4, sont maintenus en bonne corrélation mutuelle ou liaison réciproque de transmission de chaleur sous une certaine pression, comme on le comprendra facilement à partir de la description précédente effectuée en se référant aux figures 2a et b. Avec l'agencement représenté sur la figure 4, on peut voir que le dispositif semi-conducteur 10 comprend une paire d'électrodes réelles, constituées chacune par l'électrode 14 ou 16 solidaire ou formant partie intégrante du bloc refroidisseur adjacent 56 et comportant dans ceux-ci le passage refroidisseur 54 - 54' à travers lequel circule un agent ou fluide réfrigérant. En conséquence, l'agent ou fluide réfrigérant est destiné à passer par le passage d:entrée 56 pour pénétrer dans la rainure en spirale 54-54' dans l'électrode réelle pour absorber la chaleur dégagée ou engendrée dans ltélément semi-conducteur 12 et ensuite pour hêtre évacué de l'électrode à travers le passage axial 58.Ceci permet à l'agent ou au fluide réfrigérant de refroidir chacune-des électrodes sans la nécessité de refroidir l'électrode par-l'intermédiaire de l'interface 34 de l'électrode et de l'élément réfrigérant comme dans les dispositifs classiques. Il doit être entendu que la rainure 54 sur l'électrode 14 ou 16 peut être quelque peu décalée ou déportée par rapport à la rainure 54' sur le bloc refroidisseur 56 sans diminuer sensiblement l'effet réfrigérant exercé sur l'élément semi-conducteur. Ceci est dû à ce que l'une des rainures 54 ou 54' coopère avec l'autre rainure en décalant ou déportant quelque peu la minure citée en premier pour former un passage en spirale dans leqtiel peut circuler un agent ou fluide réfrigérant. Dans-ce cas, une garniture ou une bague annulaire d'étanchéité,- montée ou encastrée dans les rainures opposées 52 et 52',empêche efficacement agent ou le fluide réfrigérant de fuir ou de s'échapper à travers l'interface de l'électrode etdu bloc refroidisseur vers l'extérieur du dispositif. Si on le désire la rainure en spirale peut être disposée seulement sur l'un des deux éléments constitués par l'électrode et le bloc refroidisseur. En outre, au lieu de la rainure, une série de protubérances ou de trous peut être disposée dans l'une ou l'autre des électrodes-pour former un passage refroidisseur, tel que précédemment décrit0 Il doit être entendu qu'après que les coraposants particuliers ont été assemblés et relis d'une façon étanche pour former la structure de la figure 3b n'ayant aucun bloc réfrigérant fixé à celle-ci, ce dernier peut être attaché à cette structure au commencement de l'opération de constitution. de l'agencement tel que représenté sur la figure 4. L'invention possède plusieurs avantages. Par exemple, la résistance thermique entre l'électrode et le bloc réfrigérant en contact avec celle-ci peut diminuer jusqu'à une valeur extrêmement basse et de même la résistance then-ique totale de cette partie, disposée entre l'élément semi-conducteur et l'agent ou le fluide réfrigérant concerne du dispositif, peut aussi être faible.Par conséquent, avec à la fois une température maximale possible, admissible pour une jonction P-N concerné et une température, restant invariable ou inchangée, de l'agent ou du fluide réfrigérant particulier, une plus grande auBntité de chaleur, engendrée dans le dispositif semi-conducteur,peut être éliminée ou évacuéede celui-ci, en comparaison avec le type de dispositif semi-conducteur à contact forcé de la construction classique tel que représente sur les figures 2a et 2b. Ceci cause ou provoque una augmentation de la capacité d'accomodation de puissance du dispositif.En variante, le présent dispositif peut diminuer en dimension globale en comparaison avec les dispositifs classiques, en supposant que la capacité en intensité de courant demeure inchangée ou invariable dans les deux cas. Ceci a pour résultat une diminution de l'espace ou encombrement global de plancher ou de sol occupé par un appareil générateur de puissance quand des dispositifs de puissance sont utilisés. Comme cela a été précédemment décrit, I 'électrode conforme à l'invention a été divise en une électrode 14 ou 16 et en le bloc ou couvercle réfrigérant 56, tandis que le passage réfrigérant, tel que la rainure ouverte en spirale,a été disposé sur au moins l'un des éléments formés par l'électrode et le bloc ou couvercle réfrigérant sur la surface de séparation. En superposant le bloc ou couvercle réfrigérant à la partie formant électrode, le passage ou la voie d'écoulement est formé à leur interface pour forcer un agent ou fluide référigérant à circuler à travers celui-ci. Cette mesure permet à l'opération d'assemblage d'être exécutée facilement tout en supprimant la nécessité d'usiner soigneusement les surfaces, destinées à être en contact, de l'électrode et du bloc ou couvercle réfrigérant, ce qui entraîne une réduction du temps de fabrication du dispositif. Par conséquent, les présent s dispositifs peuvent être fabriqués à des prix bas. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui ut ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1- Dispositif semi-conducteur ou analogue, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison : un élément semi-conducteur comprenant une aire de surfaces principales opposées et comportant au moins une jonction P-N ou analogue dans celu -ci; une électrode en une matière thermiquement et électriquement conductrice, disposée sur chacune desdites surfaces principales dudit élément semiconducteur ; et un organe isolant de forme annulaire entourant coaxialement ledit élément semi-conducteur et lesdites électrodes, au moins l'une desdites électrodes étant constituée en deux parties ou pièces pour former un passage réfrigérant entre celles- ci, de façon qu'un agent ou fluide réfrigérant puisse s'écouler à travers l'électrode. 2- Dispositif selon 12 revendication 1, caractérisé en ce que le passage précité est une rainure sensiblement en forme d'une spirale ou analogue 3- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode précitée est conipocéede cuivre 4- disposait; selon l1une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode précitée consiste su un bloc métallique comportant une série de protubérances ou portions proéminentes analogues à l'intérieur de l'électrode et un couverele ou analogue fixé à celle-ci. 5- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caracté- risé en ce que l'électrode précitée consiste en un bloc métallique comportant une série de trous ou anulogue à l'intéri l'électrode et un couvercle ou analogue fixé à celle-ci. 6- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode précitée est refroidie directement par un liquide réfrigénant circulant dans le passagérant prévu dans celle-ci. 7- Dispositif selon l'une des ravendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur précité est une diode semi-conductrice. 8- Dispositif celon l'une der rovendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément semi-conducteur précité est un transistor. 9- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément seni-conducteur précité est un tryrister.