Brevet FR2004508A1 — publié le 19691128

a présente invention concerne un dispositif semi-conducteur comprenant au moins un élément semi-conducteur plat tel qutune diode, un thyristor, un transistor,maintenu,sous une certaine pression, dans une unité ou ensemble et elle concerne plus particulièrement une structure de supportage pour maintenir un tel élément semi-conducteur ou de tels éléments semi-conducteurs en place sous une certaine pression. Le type classique d'unité ou d'ensemble semi-conducteur auquel il est fait référence comporte un élément semi-conducteur plat unique ou une pluralité de tels éléments semi-conducteurs plats et au moins une paire de plaquettes de pression maintenant ledit élément ou lesdits éléments entre elles,sous une certaine pression, ces plaquettes étant reliées ensemble en une structure unitaire au moyen d'une pluralité de boulons qui les traversent et qui coopèrent avec des écrous respectifs. Dans de nombreux cas l'élément semi-conducteur ou les éléments semi-conducteurs est EU sont placés de plus entre une paire de plaquettes de dissipation de chaleur placées entre la paire Ou chaque paire ae plaquettes de pres'sitn les deu plaquettes de dissipation de chaleur étant en contact de surface avec une paire de faces parallèles principales de l'élément adjacent de type piat respec- tivement. bans la plupart des cas les plaquettes de dissipation de chaleur peuvent servir également de plaques terminales ou bornes pour l'élément semi-conducteur associe. Dans les unités ou ensembles sein-i-conducteurs du type décrit ci-dessus, une force engendrant une pression de contact et s'exer çant sur 11 élément ou les éléments semi-conducteurs est nécessaire pour empêcher les changements dus principalement à la dilatation et à la contraction thermique des plates de pression et de dissi- pation de chaleur susmentionnées. Ceci est dû au fait que si ces plaquettes se dilatent par effet thermique, la force engendrant une pression de contact et s'exer çant sur l'élément ou les éléments semi-conducteurs devient trop élevée ce qui conduit à un endommagement ou une détérioration dudit élément ou desdits éléments. D'autre part une contraction thermique des plaquettes provoque une augmentation de la résistance de contact électrique entre les éléments semi-conducteurs et la plaquette de dissipation de chaleur associée. Dans un cas extrême il y a danger que l'élément ou les éléments semi-conducteurs tombent de l'unité ou ensemble. Il est nécessaire également de maintenir la force engendrant une pression de contact sensiblement uniforme sur toute l'aire de la surface de contact entre 11 élément semi-conducteur et la plaquette de dissipation de chaleur associée. Si la force engendrant une pression de contact est appliquée d'une façon non uniforme à l'élément semi-conducteur9 la partie de cet élément qui reçoit une force élevée risque d'être brisés tandis que la partie de cet élément qui raçcit une forme faible présente une résistance de contact électrique accrue entre ladite partie d'élément et la plaquette terminale associée ou plaquette de dissipation de chaleur. Il en résulte que le courant tend à s'écouler concantriquement uniquement dans la partie de l'élément semi-conducteur sui est soumise à la force la plus élevée tandis qu'il ne nasse pas de courant dans le reste de l'élément. Jusqu'ici on a pris des mesures séparées pour satisfaire aux deux exigences décrites ci-dessus. Plus précisément, pour satisfaire à la prèmiere exigence, on a interposé un élément résilient tel que du caoutchouc entre chaque écrou susmentionné et la plaquette de pression associée de telle sorite que la résilience de cet élément est utilisée pour s'adapter a tout changement de la force exerçant une pression de contact sur l'élément semi-conducteur ou les éléments semi-conducteurs. De muse, pour satisfaire à la seconde exigence, on a place un dispositif à rotule sur le c8té de chaque plaquette de pression se trou-ant au voisinage de l'élément semi-conducteur associe. Ce dispositif à rotule comprend un évidement ou analogue partiel- lement sphérique prévu sur la plaque de pression, une douille ou analogue comportant un évidement en partie sphérique cette douille étant en contact, sur sa -ace plane, avec la plaquette terminale prévue pour l'élément semi-conducteur et une rotule engagée partiellement dans les deux évidementss précités, cette rotule supportant la plaquette de pression de façon qu'elle puisse effectuer un mouvement de basculement par rapport à l'élément semi-conducteur, ce basculement se produisant autour du centre de ladite rotule. $Ceci parmet à la force de pression de contact de la plaquette de pression de s'exercer de façon uniforme sur l'élément semi-conducteur par l'intermédiaire de la rotule et du dispositif à douille. Ainsi si la force est exercée d'un côté de la plaque de pression, elle fait bascular ladite plaquette seulement,par l'action de la rotule et de la douille, d'où :1 résulte que L'élément semi-conducteur reçoit une pression uniforme. Comme il a été décrit ci-dessus les dispositifs semi-conducteurs classiques comportent une plaquette de pression pour exercer une force de pression sur l'élément ou les éléments semi-conducteurs , un organe résilient pour s'adpater à tous changements de pression de la force engendrant une pression de contact qui sont dus aux cycles thermiques et un organe d'égalisa- tion pour appliquer une force uniforme à l'élément ou aux éléments, tous ces organes formant des composants séparés. Il en résulte que les dispositifs sont d'une construction compliquée et que leur assemblage nécessite beaucoup de temps et de travail. La présente invention a pour objet de prévoir, dans des dispositifs semi-conducteurs, une structure de supportage nouvelle et améliorée, destinée à supporter au moins un élément semiconducteur maintenu en place sous une certaine pression, cette structure de supportage étant simple et ayant une double fonction qui consiste à s'adapter à tout changement de la force engendrant une pression de contact, changement dt aux cycles thermiques et à appliquer cette force uniforme à l'élément semi-conducteur. On prévoit, selon l'invention, un dispositif semi-conducteur comprenant une paire de plaquettes de pressioh avec au moins un élément semi-conducteur entre elles de façon à exercer, sur ce dernier, une force engendrant une pression de contact et des moyens de connexion destinés à relier les plaquettes de pression les unes aux autres en une pluralité de points de la périphérie de chacune d'elles, ledit dispositif semi-conducteur étant caractérisé en ce que l'une au moins des plaquettes de pression présente, à l'état non contraint, la forme dssun segment sphérique, fait en un matériau résilient et disposé de façon à présenter sa face convexe dans la direction d'application de la force et en ce que les moyens de connexion précités déforment sphériquement ladite plaquette de pression de façon à augmenter le rayon de courbure dudji segment sphérique et exercer de ce fait la force engendrant un contact de pression sur ledit élément semi-conducteur. Chacune des deux plaquettes de pression peut de préférence présenter, à l'état non contraint, la forme d'un segment sphérique et étre disposée de façon que sa surface convexe se présente dans la direction d'application de la force engendrant un contact de pression. Les plaquettes de pression peuvent avantageusement être faite en acier ressort. La plaquette de pression peut, de préférence, présenter la forme d dtun segment sphérique ayant une profondeur maximale comprise entre 3,0 et 3,5 mm à l'état non contraint et être déforméepar les moyens de connexion de façon que son rayon de courbure atteigne sensiblement une valeur infinis. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d exemple - la figure 1 est une représentation, vue en coupe longitudinale et en partie en élévation, d'un dispositif semiconducteur selon l'invention - la figure 2 est une vue en élévation latérale du dispositif représenté à la figure 1 - la figure 3 est une coupe de la plaquette de pression de la figure 1 représentée à l'état non contraint - la figure 4 est une vue frontale du bloc de dissipation de chaleur utilisé,selon une variante de réalisation de l'invention - la figure 5 est une vue en élévation latérale du bloc représenté à la figure 4. Selon le mode de réalisation représenté à la figure 1, un dispositif semi-conducteur selon l'invention comporte une pluralité dtéléments semi-conducteurs, par exemple deux éléments semiconducteurs, 10 et 12, alternant avec une pluralité de blocs de dissipation de chaleur qui, dans l'exemple représenté, sont au nombre de trois 14, 16 et 18, ces blocs étant faits en tout matériau électriquement etthermiquement conducteur, les éléments semi-conducteurs et les blocs de dissipation de chaleur étant en contact las uns avec les autres. Les éléments semi-conducteurs 10 et 12 sont représentés comme étant des diodes semi-conductrices et les blocs de dissipation de chaleur 14, 16 et 18 sont supposés être refroidis par tout réfrigérant liquide convenable circulant dans leurs partes internesbien que de tels moyens réfrigérants ne soient pas représentés tes blocs 14 , 16 et 18 sont munis de plaquettes terminales en forme de languettes 20, 22 et 24 faites en le m3te matériau que les blocs et faisant saillie latéralement ou sensiblement perpendiculairement à l'axe de l'ensemble des éléments semi-conducteurs et des blocs de dissipation de chaleurd'un seul cbté de ces blocs4 Plus précisément la plaquette terminale 20 fait saillie vers le haut à partir du c8té supérieur, en regardant la figure 1, de la plaquette de dissipation de chaleur 14, tandis que la-plaquette terminale 22 fait saillie vers le bas à partir du c8té inférieur, en regardant la figure 1, du bloc 16. La plaquette terminale 22 qui fait corps avec le bloc 18 fait saillie dans le m8me sens que la plaquette terminale 20. En d'autres termes les plaquettes terminales alternent l'une avec l'autre, en ce qui concerne le direction dans laquelle elles font saillie, dans un but qui sera expliqué ci-après. Les laces libres des blocs d'extrémité 14 et 16 sont munies respectivement de plaquettes 26 et 28 exerçant une force de contact et qui sont on contact résilient avec elles sur la totalité de leur surface Chacune des plaquettes 2Q et 28, qui peut ttre appelée également plaquette de pression,comporte 4 quatre saillies cruciformes30 s'étendant au delà des faces latérales du bloc ass 14 ou 16 comme le montre clairement la figure 2. Les plaquettes de pression 26 et 28 sont toutes deux placées de telle façon que les saillies 30 de l'une des plaquettes soient alignées avec les saillies de l'autre plaquette et soient reliées par quatre boulons 32 ayant leur deux extrémités filetées, chacun de ces boulons traversant les extrémités des saillies alignées 30 des plaquettes de pression. On visse ensuite deux écrous 34 sur les extrémités filetées de chaque boulon pour fixer les plaquettes de pression 26 et 28 avec un manchon ou analogue 36 monté sur chaque boulon 322 entre les plaquettes de pression 26 et 28. Ceci a pour conséquence que les éléments smi-conducteurs 10 et 12 sont maintenus en place sous une pression qui sera décrite ci-après. Bien que les plaquettes de pression 26 et 28 sont représentées comme étant reliées ensemble en quatre points de la partie périphérique de chacune elles, il est évident que les plaquettes peuvent Btre rellees ensemble en un nombre quelconque de points sur la partie périphérique de chacune d'elles. Belon l'invention l'une au moins des plaquettes de pression 26 et 28,et de préférence les deux,sont faites en un matériau métallique résilient eonvenable tel que l'acier ressort du type 1070 de la norme SAE (Society of Automotive Engeneers,) se présentent à l'état non contraint, sous forme d'un segment sphérique, comme représenté à la figure 3. A titre d'exemple de l'acier ressort du type 1070 a été mis, par pression, sous la forme représentée aux figures 2 et 3, les dimensions maximales étant de 80 mm x 80 mm; trempé en forme de segment sphérique comme représenté à la figure 3 puis grenaillé, les saillies 30 ayant une épaisseur de 3,5 mm. Les résultats d'expérience ont montré que l'application d'une charge égale ou supérieure à une tonne aux plaquettes ainsi formées ne causait pas de déformation permanente et qu'elles avaient par conséauent une résilience suffisante. La plaquette de pression, à l'état non contraint, a un rayon de courbure qui dépend de la dimension des élémente semiconducteurs et qui peut être, de façon adéquate, de 490 mm pour la éléments semi-conducteurs de puissance habituellement utilisés. On a constaté qu'en vue du point d'application d'une force engendrant une pression de contact exercée sur les élémente semiconducteurs 10 et 12, la profondeur "d" du segment de sphère ou la distance entre le sommet et le bord périphérique externe de la surface interne ou concave du segment (voir la figure 3) doit de préférence être comprise entre 3,0 et 3,5 mm. On a constaté également qu'avec une plaquette de pression faite en acier à ressort comme il a été expliqué ci-dessus, la profondeur "d" est avantageusement de 3,3 mm pour de nombreuses applications quelles que soient les dimensions de l'élément semi-conducteur ou des élément s semi-conducteurs considéré s. Une paire de plaquettes de pression telles que cellesayant la forme et les dimensions décrites ci-dessus sont disposées sur les blocs terminaux respectifs 14 et 18 avec leurs sommets 38 ( voir la figure 3) en contact avec les centres des surates libres desdite blocs terminaux. On fixe ensuite les plaquettes 26 et 28 à l'ensemble des éléments 10 à 18 au moyen des boulons 34 et des écrous 36 de telle sorte que les palquettes deviennent sensiblement plates et sont amenées en contact intime avec la totalité des surfaces respectives des faces libres des blocs. On voit que les éléments semi-conducteurs 10 O et 12 sont maintenus sous une certaine pression, les boulons et les écrous ayant déformé les plaquettes- ae pression 26 et 28 de telle façon que leurs rayons de courbure aient sensiblement des valeurs infinies. On voit ainsi que les éléments semi-eonducteurs 10 et 12 sont maintenus en place:, sous une pression déterminée , entre les deux blocs adjacents. On comprendra que la plaquette de pression n'est pas limitée an type de matériau et aux formes décrites ci-dessus, et que la forme et la courbure de la plaquette de pression, à l'état non contraint, doit êtrepréselactionnée de façon que la plaquette devienne plate lorsqu'on y applique la charge requise au moyen des écrous 36 vissés sur les boulons à double extrémité filetée 34. Comme représenté à la figure i les plaquettes terminales 20, 22 et 24 sont munies de trous de montage 40. Une barre omnibus principale 42 peut être reliée électriquement à la plaque terminale centrale 22 au moyen d'une paire de barres omnibus auxiliaires 44 prenant en sandwich la barre omnibus principale 42 la plaquette terminale 22 se trouvant entre ces barres omnibus auxiliaires. Si les éléments semi-conducteurs 10 et 12 représentés comme étant des diodes ont les polarités représentées à la figure 1 les plaquettes terminales 20 et 22 peuvent être reliées électriquement ensemble par tout conducteur flexible convenable (non représenté) pour constituer ltune des bornes tandis que la barre omnibus principale 44 constitue l'autre borne du dispositif. Ceci constitue un montage en parallèle en opposition. Selon un autre mode de réalisation . les éléments semi-conducteurs 10 et 12 peuvent être reliés électriquement en parallèle l'un à l'autre en reliant chacun des éléments à l'inverse de ce qui est représenté à la figure 1 et en constituant une réplique des bornes comme il a été décrit ci-dessus. On comprend immédiatement qu'avec un élément semi-conducteur constituant un thyristor ou un transistor la connexion électrique peut être réalisée de la même façon que celle qui a été décrite ci-dessus. Dans le dispositif semi-conducteur représenté aux figures 1 à 3 inclusivement, les plaquettes de pression faites en matériau résilient servent à la fois d'organes de pression appliquant les éléments semi-conducteurs 10 et 12 contre les blocs de dissipation de chaleur adjacents et d'organes d'absorption absorbant tout changement de la force exerçant une pression de contact, du aux cycles thermiques. Les plaquettes de pression fonctionnenent simultanément comme organes J1 égalisation exerçant une force engendrant une pression de contact qui est sensiblement uniforme sur toute la surface de chaque élément semi-conducteur, car chacune des plaaues présente la folie d'un segment sphérique qui permet à la force de s'exercer sur la partie centrale du bloc de dissipation de chaleur associé ou au voisinage immédiat de cette partie ceetral > m me dans le as ou les écrous associés 36 ne fixent pas ce-.,v plaque sur la bloc de façon unifinrme il en résulte une diminution de la tendance a exercer partiellement une force engin drant une pression de contact sur le bloc de dissipation de chaleur. On voit ainsi que l'invention élimine la nécessite de prévoir l'élément résilient supplémentaire ainsi que le dispositif à rotule qui étaient utilisés précédemment dans les structures de pression ainsi qu'il a été décrit plus haut et qu'elle permet d'obtenir une structure très simple. Bien que le dispositif semi-conducteur représenté aux figures 1 à 3 ait été décrit comme comprenant des blocs de dissipation de chaleur 14, 16 et 18 ayant sensiblement la même aptitude au refroidissement les uns que les autres , on comprend immédiatement que de tels blocs peuvent avoir des aptitudes de refroidissement différentes les unes desaitres à chaque fois qu0il est désirable d'obtenir ce résultat. Si par exemple on désire obtenir un dispositif semi-conducteur pouvant laisser passer un courant plus important, on peut prévoir un ou plusieurs blocs de dissipation de chaleur intermédiaires, tel que le bloc 16 , fait d'une paire de plusieurs paires , de blocs reliés ensemble. Selon un autre mode de réalisation le bloc intermédaire ou les blocs intermédiaires peuvent avoir une capacité de refroidissement double. De plus les blocs de dissipation de chaleur peuvent être avantageusement du type à refroidissement par air comme représenté aux figures 4 et 5 où le bloc 14 est représenté comme présentant une pluralité d'ailettes de dissipation de chaleur 48. Bien que l'invention ait été représentée et décrite comme comportant deux plaquettes de pression 26 et 28 en forme de segment sphérique fait en un matériau métallique résilient, on comprend que l'une seulement de ces plaquettes peut avoir une telle forme tout en donnant des résultats satisfaisants. Pans ce dernier cas l'autre plaquette peut etre constituée par uneplaque rigide plane de construction classique. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrIts et représentés qui n' ont été donnés qu'à titre d'exemple. En articuler, 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'inven- tion, R E V E N D I C A T I O N S 1- Dispositif semi-conducteur du type comportant une paire de plaquettes de pression comprenant entre elles au moins un élément semi-conducteur de façon à exercer, sur ledit élément, une force engendrant une pression de contact et des moyens de connexion pour relier lesdites plaquettes l1une à l'autre en une pluralité de points de leur périphérie, ledit dispositif étant caracterisé en ce que l'une au moins desdites plaquettes présente, à l'état non contraint, la forme d'un segment sphérique fait en un matérian résillient et disposé de façon que sa surface convexe se présente dans la direction d'application de la force engendrant une pression de contact et que lesdits éléments de connexion déforment sphériquement ledit segment sphérique de sorte que son rayon de courbure augments et qu'il exerce la force engendrant une pression de contact sur l'élément semi-conducteur. 2-Dispositif semi-conducteur selon la revendiation 1 caractérisé en ce que chaqune des plaquettes de pression précitées présents,à l'état non contraint, la forme on segment sphérique précitée. 3- Dispositif semi-conducteur selon lesrevendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le matériau resilient précité est consitué par de l'acier à resort. 4- Dispositif semi-conducteur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit segment sphérique a une profondeur maximale comprise entre 3,0 et 3,5 mm et en ce que lesdits moyens de connexion font augmenter le rayon de courbure dudit segment sphérique jusqu'à une valeur pratiquement infinie 5- Dispositif semi-conducteur selon l'une des revendications 1 ou 2 du type comportant au moins un élément semi-conducteur de type plat, caractérisé en ce qu'il comporte une paire de blocs de dissipation comprenant entre eux ledit élément semi-conducteur et constituent des plaques terminales pour ledit dispositif, la forces engeddrant une pression de contact exercée par chacune desdites plaquettès de pression étantappliquée à l'élément semi-conducteur par l'intermédiaire desdits blocs de dissipation de chaleur. 6- Dispositif semi-conducteur selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qt: les moyens de connexion précités relient l'une à l'autre lesdites plaquettes de pression en quatre points de la périphérie de chacune d'elles.