Brevet FR2018899A1 — publié le 19700626

i 2018899 La présente invention est relative aux dispositifs à semiconducteurs et elle concerne plus particulièrement un redresseur en pont à semiconducteurs. L'invention fournit une technique au moyen de laquelle, un 5 dispositif à semiconducteurs perfectionné et d'un fonctionnement extrêmement sûr peut être fabriqué de façon simple et économique directement dans une c.-.vité prévue dans la masse d'un corps en métal léger, dans des conditions intéressantes du point de vue commercial. 10 duivant l'invention, on dispose par choc une couche support en cuivre dans une cavité d'un corps métallique en alliage léger, on. dispose une pastille semi-conductrice dans la couche /Le cuivre, on relie au moins un conducteur formant borne sur la pastille, et l'on protège ladite pastille par rapport à son. 15 entourage. Jans un redresseur triphasé compact'en pont à semiconducteurs et à redressement total trois redresseurs à semiconducteurs sont ainsi formés séparément dans trois cavités prévues dans chacun de deux dissipateurs de chaleur. Les dissipateurs de chaleur sont disposés adjacents l'un par rapport à l'autre 20 de façon à être isolés et espacés, de préférence avec les bornes des redresseurs disposées en face les unes des autres. Les paires de conducteurs formant bornes aes dissipateurs de chaleur adjacents sont reliées ensemble à une borne commune d'entrée et l'ensemble est bloqué. 25 D'autres caractéristiques de l'invention ap : .raitront au cours de la descriotion qui va suivre faite en se référant au dessin annexé doiL-é uniquement è titre d'exemple et duns lequel : la l'ig. 1 est une vue en plan et en coupe partielle d'un 30 redresseur triphasé co^.p'.ct en pont a semiconducteurs suivant l'invention, adapté pour être utilisé dans le carter d'un alternateur; la Fig. 2 eat une vue en coupe suivant la ligxie 2-2 de la Fig. 1; 35 la Fig. 3 est une vue partielle è plus grande écnelle de la coupe partielle représentée è la -C'ig. 1; la -b'ig. 4 est une vue en bout au carter d'extrémité d'un alternateur contenant un redresseur en pont tel que représenté BAD ORIGINAL 69 29582 2 2018899 à la Fig. 1. Jeux dissipateurs le cauleur 10 et 12 en aluminium extradé comportent des ailettes 15 de refroidissement et des surfaces 14 et 16 dirigées l'une vers l'a/utre, face à face. Les deux 5 dissipateurs de chaleur 10 et 12 comportent des cavités circulaires ayant des pnrois d* extrémité relativement planes dans leurs surfaces 14 et 16 tournées l'une vers l'autre. On a représenté seulement à la Fig. 1 l'une de ces cavités, désignée par la référence 18. Les cavités 18 et 18' des dissipateurs de chaleur 10 respectifs 10 et 12 sont disposées de façon correspondante comme on peut le voir à la Fig. 2. Un redresseur à semiconducteurs est formé dans chacune desdites cavités comme on le voit à la Fig. 3« Une couche 20 de cuivre disposée en place au moyen de la technique par- choc est 15 disposée dans 1 extrémité de la cavité. Une surface d'un redresseur constitué par une pastille semiconductrioe 22 est soudée sur la couche de cuivre 20. La surface opposée de la pastille 22 est soudée sur un. disque 24 en molybdène ou en tungstène qui est à son tour soudé', sur un conducteur flexible 26 formant 20 borne. Le reste de la cavité est rempli avec un caoutchouc aux silicones 28 durcissant à la température ambiante» En se reportant à la Fig. 2, la borne 26 est à son tour reliée par une soudure par résistance, par exemple une soudure par points, à un prisonnier 30 qui sert de borne d'entrée pour 25 le redresseur disposé- dans la cavité 18. La surface 16 en regard du dissipateur' de chaleur 12 contient également une cavité 18' comme indiqué ci-dessus. Un redresseur est réalisé de façon analogue dans la cavité 18' sur une couche de support 20' en cuivre comme décrit en référence à la Fig. 3. Cependant, la po-30 larité de la pastille redresseur est orienté.eeensens opposé. Le conducteur 26' formant borne est également soudé par résistance sur le même prisonnier 30 formant -borne, comme le conducteur 26, de telle sorte que le prisonnier 30 sert d'entrée commune pour les redresseurs disposés dans les cavités 18 et 18'• 35 redresseurs sont également formés d'une façon analo gue dans les autres cavités précitées, (non représentées), dans les dissipateurs de chaleur lu et 12 et associés avec des prisonniers 32 et 34 formant bornes. De ce fait, des coupes transversales passant par les prisonniers 34 et 32 à la Fig. 1 sont à copy 69 29582 3 2018899 peu près identiques à celles passant oar le orisoiL-ier 30 et représentées à la -t'ig.2. Les polarités des trois redresseurs disposés dans le dissipateur ae chaleur 10 sent toutes positives et les trois redresseurs disposés dans le dissipateur de 5 chaleur 12 sont tous de oolarité négative. |}-3S éléments 50 et 52 en forme de X e;;. une aatière Jielectrique, sent ci^-o-jés aune des rainures correspondantes è aépouilles prévues duas les surfaces en regard des dissipateurs ,ie chaleur. Une c- ..ïoosition 54 de matières plastiques, telle qu'une résine" enoxy, est ais-10 posée dans la région eou-rise entre les dissipateurs 'de chaleur 10 et 12 et entre leo éld„:ents 5^ Le redresseur en pont rr-orésenté è la iif, 1 est -destiné • 15 à être utilisé dans uni partie d'extrémité au carter 36 a'un alternateur, comme reox'ésenté en 3- à la Fig» 4. lu± troupe 40 de trois diodes et les bobinages de phases de l'alternateur son' fixés aux prisonniers 30, 3^ et 3-1 formant bornes. Les cathodes aes trois diodes du groupe 4^ de trois diodes sont reliées 20 à tin conducteur commun 4- :iui e ï-. *. relié s son tour L un ilspo-sitif 44 de porte-bal-^i et è un régulateur de tension 46 è circuit intégré qui sont tous, disposés dans la partie d'extrémité du carter de l'alternateur. Un condensateur 48 est également monté dans l'extrémité du e-.rter Au cours de la ri"-tien c:.. r- :r sseur e:: oo.it représen té au dessin, enaoun de t. lissj dateurs te ortale-,r i^; ivi ir et 1 est l'orné se»; ..re . .il :-r extruaion d'un alliç.'e lr^-jr ap-30 proprié ayant en > . j nr;.ia eoproooviée. L'éJ é^-nt ex- truaé est alors ce ~oé t r x. s ve r s : ilec en t aî'rn ■te réali .ier le dissipateur de chai-.-,-r &C. -i?é 1,.. On isac utiliser dos aliiares I d aluminium du t.;; -e ..roxi^hz 3--, 14 ô, 17o, î4d ou autres cornue métr.i lé Vrr, au.-;i lien que .le 3.' alTminio!/: our. 35 Le terme "alliage u"i.. . é :-.ns i.-_ ' ■.;r:pti;n doit être entendu e-«n..e at'aussi ai en jù 11 £.1 \u:. pur que des al.:.iur. COPY 69 29582 2018899 Chacun de 3 r-~.* rêveur a disposés aarid les dissipateurs -le chaleur est, réalisé de la même fa-ion. Je ce -fait on décrira seulement le rearcoà^r représenté à la i'ig. 1. un trou à fond plat est percé dans 1 ^ .;riuce 14- au dissipateur ae chaleur 10 5 afin de former, uuc c?-v±té circ .ii.â-ve la ayant un ' diaiaetre d'environ dima. et uni rofondeur ae y, 5, mm.. Un dis que circulaire en cuivre ayant un .i .-i,.e-tre a'environ 7,9mm ét u_ii épaisseur ae 1,7mm. est enfoncé dano ia cavité contre-le fond""de trou de fa? on surlisante ai'in ae bloquer le disque de cuivre en place. 10 Une forcé ae pression sufiis rnte doit être utilisée afin d'étendre 'quelques peu latéralement le cuivre et provoquer une déformation latérale coiirolé&entaire de l'aluminium au voisinage du cuivre. Ce procéaé est appelé technique oar choc. De préférence, le disque de cuivre est comprimé"suffisamment pour réduire 15 son épaisseur s environ 0,25mm.. Il est oréiératle "d'utiliser du cuivre à peu près pûr, tel que du cuivre débarrassé d'oxygène et è conductivité élevée, ou un cuivre analogue comportant une trace d'argent, nais des alliages ae cuivre ayant d'autres compositions peuvent également se révéler utilisables. Le ter-20 me "cuivre" doit être entendu cornue comprenant le cuivre pur et ses alliages appropriés. Les dimensions précises de la couche de' cuivre varient en fonction de la dimension de la cavité et de la nature de la pastille semi-conauctrice avec laquelle elle est associée. Ce-25 pendant, pour la plupart des applications de puissance, la couche de cuivre doit être au moins aussi épaisse que 1'élément semiconducteur, et ae préférence au moins deux ou trois fois aussi épaisse. De plus, suivant le mode de réalisation préféré de 1' invention, unrapport largeur-épaisseur ou diametre-épaisseur 50 n'expdant pas 10/1 est préférable, et ae préférexice d'environ 6/l. Dans tous les cas, il est souhaitable que la oouche de cuivre ait une épaisseur suffisante pour réaliser un supoort approprié pour l'élément semiconducteur et pour réaliser un transfert approprié de la cnaleur, latéralement, au ei^ioateur de 35 chaleur en aluminium afin de dissiper la chaleur de la façon désirée pour la pastille semi-conductrice particulière qui est fixée sur la couche de cuivre. Pour assembler le redresseur on dispose une forme préalable en soudure comprenant ^2,5# de plomb, 5,0^ d'inc.ium, 2,5 BAD ORIGINAL 69 29582 5 2018899 d*arg*nt sur 1» couche de cuivre.La forme en soudure est constituée par un disque circulaire ayant un diamètre d'environ 3»15 mm . et une épaisseur de 0,07mm.. Une pastille de silicium de 3,8 x 0,17mm. est disposée sur la forme en soudure. La pastille 5 comporte une jonction PM qui sépare ses faces principales. Un disque en molybdène revêtu d'une soudure aont le temps de fusion est connu est disposé sur la pastille et l'extrémité de la borne d'entrée est disposée en contact avec le disque de molybdène. L'ensemble est alors chauffé jusqu'à une tempéra-10 ture appropriée pour faire fondre la soudure, de préférence sous tme atmosphère réductrice, et on laisse ensuite l'ensemble refroidir jusqu'à la température ambiante afin de fixer les éléments de l'ensemble. Après l'opération de soudure, le reste de la cavité 18 est rempli avec un caoutchouc aux silicones dur-15 cissant à la température ambiante afin d'enfermer les redresseurs de façon étanche dans la cavité, ai on le désire, le caoutchouc aux; silicones peut être polyJmérisé plus rapidement en le chauffant dans un four. On obtient de cette façon un dispositif redresseur dans 20 chacune des trois cavités formées dans chacun des deux dissipateurs de chaleur 10 et 12. Les trois pastilles semiconductrices utilisées pour réaliser les trois redresseurs dans un dissipateur de chaleur sont orientées de façon à présenter la même polarité. Cependant,les polarités du dissipateur de chaleur 10 sont oppo-2^ sées à celles des redresseurs du dissipateur de chaleur 12. Les dissipateurs de chaleur 10 et 12 sont ensuite agencés de fagon qui leurs cavités respectives soient disposées face à face comme représenté aux irigs. 1 et 2. Les isolateurs en forme ■a X sont disposés dans les rainures correspondantes prévues 30 dans les surfaces tournées l'une vers l'autre des dissipateurs de chaleur afin de verrouiller les dissipateurs de chaleur l'un par rapport à l'autre et ae façon à ce qu'ils soient espacés. Les éléments isolants en forme de X s'étendent de préférence sur peu pr£>s la totalité ae l'épaisseur des dissipateurs de cha-leur afin ae servir de barrières pour une composition plastique de remplissage qui y eut onsaite être coulée d-.ins la cavité délimitée par les surfac-33 14 et 16 des dissiputetirs de ciÊLeur et par les éléments isolants de liaison 50 et 52 en forme de X. 1 v bad original ; 69 29582 6 2018899 Un ruban approprié pouvant être utilisé si on le désire comme obturateur oeut être appliqué sur l'un des côtés de cette cavité al'in ue constituer un fond pour la cavité dans laquelle on coule la matière de remplissage, la résine epoxy est sim-5 plement versée dans la cavité en quantité suffisante pour la remplir et pour enfermer les parties ae prisonniers 30, 32 et 34 qui s'étendent dans la cavité. La te clinique de fabrication décrite ci-dessus pour fabriquer un redresseur étanche à l'intérieur de la masse relative-; 10 ment importante d'un corps en métal léger peut être utilisée pour fabriquer d'autres dispositifs à semiconducteurs de puissance aussi bien que pour fabriquer des redresseurs. En outre, | la matière seniconductrice peut être en une autre matière que le silicium, y compris des semiconducteurs simple et composites. ; 15 L'élément semiconducteur n'est oas nécessairement une simple I diode mais peut également, être une triode ou.même un élément d'un seul bloc de circuit intégré. De même, le joint herméti-i que bien qu'étant de préférence réalisé avec un caoutchouc, aux silicones, peut également être réalisé en utilisant d'autres 20 techniques, par exemple, un couvercle ou un chapeau peut être soudé à froid ou S chaud en place. On peut même utiliser une graisse aux silicones. COPY 69 29582 7 2018899 1. Dispositif à semiconducteur comprenant un dissipateur de chaleur comportant une cavité ayant une paroi d'extrémité avec laquelle est en contact.un élément en cuivre qui soutient un élément semiconducteur, dispositif caractérisé en ce que 5 l'élément en cuivre est constitué par tine couche ae cuivre 2^, 20' déposée po.r choc contre ladite paroi d'extrémité desdites cavités 18, 18*. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'une des faces d'une pastille de matière seni-conductri- 10 ce 22 est en contact direct avec ladite couche de cuivre 20, 20', l'autre face de la pastille étant en contact ;-.vec l'un des grands côtés d'un disque 24 en molybdène, un conducteur 26, 26' formant borne étant en contact avec 1'autre face principale du disque 24 en molybdène et la cavité 18, 18* étant fermée de 15 façon étanche. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la couche de cuivre 20, 2^' , a une " épaisseur qui est au moins triple de celle ae la. pastille de matière semiconductrice 22. 20 4. Dispositif de puissance compact à semiconducteurs en pont caractérisé en ce qu'il comprend deux dissipateurs de chaleur 10, 12 disposés proches l'un de l'autre mais espacés et mutuellement isolés et comportant des dispositifs à semiconduc-i teurs suivant l'une quelconque des revendications précédentes, 25 dans lequel les cavités 18, 18' sont prévues dans des suriaoes 14, 16 tournées l'une vers l'autre des dissipateurs de chaleur 10, 12, des conducteurs 26, 26' formant bornes s'étendant hors des cavités 18, 18' et étant fixés sur un prisonnier commun 50, 32, 34 électriquement isolé des dissipateurs ae eaaleur 10, 12. 30 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des éléments de retenue non conducteurs 50, 52 verrouillés dans des rainures complémentaires à dépouilles, prévues dans les surfaces 14, 16 tournées l''une vers l'autre des dissipateurs de cnaleur 10, 12 de part et d'autre des cavités 35 18, 18', lesdits éléments 50, 52 ayant en section une l'orme en X et s'étendant longitudinalement à peu près en travers ae la totalité des dissipateurs de chaleur 10, 12 et servant à retenir COPV 6.9 29582 8 2018899 une résine plastique s4- i;tilisée j.our remplir la cavité entre les dissipateurs de chaleur 10.12 lesdits éléments isolants 50,5? contribuant, avec des appendices 56 des dissipateurs de e^leur 10-12 h renforcer l'adhérGnce de ladite résine 56 stiJ? 5 les dissipateurs de chaleur 10,12. BAD ORIGINAL