Brevet FR2030298A1 — publié le 19701113

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de redresseurs à semi-conducteur,en particuSier au silicium. Les redresseurs à semi-conducteur sont, depuis plusieurs années, fabriqués et utilisés sous de nombreuses formes. En particulier, les redresseurs au silicium sont normalement constitués par une pluralité de cellules élémentaires (constituées chacune par un simple fragment de silicium, ou par un petit redresseur élémentaire, également au silicium) montées sur des 1éponges" thermiques (éléments métalliques ayant, notamment, la fonction de dissipateur de chaleur) et empilées les unes sur les autres de façon à former tout le système redresseur.Les redresseurs au silicium ainsi réalisés ont été utilisés dans une large plage de tensironset d'intensités mais, alors qu'ils se sont revélés tres compétitifs pour les intensités relativement élevées(dépassant 1 ampère), aussi bien que pour leur quantité que pour leur cotit, comparativement aux redresseurs plus anciens au sélénium, ils ne se sont pas montrés, pour les intensités très faibles (1 à 100 milli-ampères) suffisamment économiques par leur coût pour remplacer les redresseurs au silicium sur le marché des composantsélectriquesO On a rencontré des difficultés particulères, avec les redresseurs au silicium, pour des intensités inférieures à 100 mA, et des tensions supérieures à 1000 V.Ces redresseurs demandent en effet une protection particulièrement soignée de la surface extérieure des cellules élémentaires, en fonction des conditions d'ambiance auxquelles l'ensemble peut être soumis, et en particulier de l'humidité0 Cette nécessité fait que les redresseurs au silicium pour courants faibles et hautes tensions ne sont, économiquement, pas compétitifs comparativement aux redresseurs au sélénium qui, au contraire, ne demandent pas de protection particulièrement soignées D'autres difficultés proviennent, par contre, du procédé particulier utilisé normalement pour la fabrication des redresseurs au silicium pour hautes tensions.Ce procédé prévoit en effet d'utiliser des cellules élémentaires protégées individuellement, qui sont montées en série par empilage l'une sur l'autre, directement dans certains cas et, dans d'autres cas, avec interposition de plaquettes absorbant la chaleur ou d'ailettes de refroidissement, l'opération se terminant par l'application d'un revêtement protecteur correspondant aux conditions ambiantes. L'empilage direct des cellules élémentaires, en étroit contact physique avant l'application du revêtement protec- teur, présente de nombreux inconvénients, parmi lesquels le plus - important est dû à la difficulté d'obtenir une bonne dissipation- - de la chaleur engendrée dans chaque cellule élémentaire au cours du fonctionnement.En outre, une rangée de cellules superposées est mécaniquement très peu solide et il est difficile, au cours des opérations de fabrication, d'éviter de fortes pertes par rmp- ture au cours du montage et de l'encapsulage. La présente invention a pour but de fournir un procédé permettant d'obtenir un redresseur à semi-conducteur à pllz sieurs cellules élémentaires, en particulier un redresseur au silicium, convenant particulièrement aux hautes tensions, qui présente une bonne résistance mécanique de façon à éviter, en particulier, les pertes précitées par rupture au tours des opérations de montage ou d'encapsulage, qui supprime les interac- tions thermiques entre cellules adjacentes, de façon à empecher les élévations excessives de la température des céllules au cours du fonctionnement, et qui soit d'une qualité et d'un coût parfaitement compétitifs par rapport aux redresseurs au sélénium actuellement dans le commerce. Le procédé selon l'invention, qui convient particuliè- rement à la fabrication de redresseurs au silicium pour hautes tensions, mais qui est cependant applicable a la fabrîatIon d-m type quelconque de redresseurs a sci-conducteur prévoit, à cet effet, l'introduction des diverses cellules élémentaires dans des trous pratiqués avec un certain ecartement, traversant une plaque de support, l'établissement, entre ces cellules de connexions électriques au moyen d'éléments conducturs soudés ensuite sur ces cellules, de préférence par immersion de l'ensemble dans un bain approprié d'alliage fondu, et enfin, l'application d'un revêtement protecteur et isolant. Dans une forme de realisation du procédé selon l'in- vention, on utilise une plaque de support percée d'une double file de trous la traversant dans quels on insère les cellules élémentaires, de telle façon que les cellules d'une file aient une même polarité, opposée à celle des cellules de l'autre file ; un fil conducteur est ensuite enroulé autour de la plaque, en passant, par dessus et par dessous, sur toutes les extrémités des cellules ; on procède ensuite au soudage du conducteur aux cellules, et à l'application du revêtement protecteur et isolant.A la suite de l'opération de soudage, et avant ou après l'application du revêtement protecteur et isolant, on traite le contour de la plaque par meulage ou sablage, de façon à couper le conducteur là où il traverse le bord de la plaque, et à laisser toutes les cellules montées électriquement en série. Si la coupe du conducteur se fait après l'application du revêtement protecteur et isolant, on devra appliquer un nouveau revêtement isolant aux parties conductrices éventuellement dénudées.Ce revêtement isolant pourra etre constitué par une simple couche de vernis isolant protecteur, ou par un véritable encapsulage, réalisé par de la résine ou une autre matière isolante, Une autre forme d'application du procédé de l'invention, qui permet d'obtenir des connexions de type quelconque, prévoit au contraire l'utilisation, comme plaques de support, de plaquettes à circuits imprimés, dont la métallisation superfI- cielle, qui peut présenter des dispositions variables au voisinage de chaque extrémité des cellules, et de cellule à cellule, assure la connexion désirée entre lesdites cellules0 On choisira la plaque-support, en fonction de l'application prévue pour le redresseur complet.Si l'on doit réaliser un dispositif de prix très bas, la plaque-support peut être obtenue par coulage d'une composition phénolique ou d'une autre composition plastique, elle peut également être obtenue par usinage d'un matériau en forme de plaquette, obtenu par laminage d'une composition plastique.Si l'on veut réaliser un dispositif de fiabilité élevée, il est préférable de constituer la plaque de support par une composition céramique et de la munir, au voisinage du trou servant au logement de chaque cellule, d'une métallisation solidement fixée à la plaque, pour fournir une fermeture hermétique autour de chaque cellule0 Si l'on désire de plus fournir une capacité électrique montée en parallèle sur chaque cellule, la plaque-support peut être fabriquée en une matière possédant une constante diélectrique élevée, par exemple en bioyde de titane, Si, enfin, le redresseur doit être utilisé pour des fréquences élevées, cas où l'on désire limiter la vitesse de montée de la tension sur le redresseur (sollicitations électriques transi toires), la plaque-support peut être constituée par une composition à base de ferrite qui fournira un noyau magnétique pour les cellules et leurs éléments d'Interconnexion. Il apparaitra évident à l'homme de l'art que l'on peut en outre prévoir des combinaisois de plaques isolantes, de plaques capacitives et de plaques magnétiques. On a construit des rdresseurs-tytes pour hautes tensions en utilisant une plaque-support isolante9 et en diapo- sant les cellules de façon que leur c8té positif soit tourne vers le haut sur une ligne de cellules, et leur côté négatif tourné vers le haut sur l'autre ligne de cellules.On a utilisé des plaques-support recevant au maximum 12 cellules 24 cellules ou davantage, en fonction des facteurs économiques corresnondant à chaque application particulièree Des dispositifs à 12 cellules montées en série ont donné des tensions de crète atteignant 20000 V et, en reliant en série de tels dispositifs, on a obtenu des tensions de crète atteignant 150 000 V, et les résultats des essais préliminaires montrent que de tels dispositifs sont électriquement satisfaisant pour des intensités inférieures à une centaine de milliampères. Le dessin annexé représente quelques exemples de réa- lisation du redresseur selon l'invention. La figure 1 est une vue partielle en plan, d'un redresseur selon l'invention, muni de cellules élémentaires reliées en série à l'aide d'un conducteur enroulé autour de la plaquesupport, par dessus et par dessous les cellules, ledit redresseur étant représenté au cours d'une phase du processus de fabrication, après. l'enroulement du conducteur d'interconnexion des cellules, et avant le découpage des bords latéraux de la plaaQue-support, et l'application du revêtement protecteur et isolant La figure 2 est une coupe, selon II-II de la figure g du redresseur terminé La figure 3, est une vue ?partielle en plan d'un autre redresseur selon l'invention, comportant des cellules élémentaires reliées en série par la métallisation superficielle d'une plaquette à circit imprimé, le revêtement protecteur extérieur étant enlevé sur cette figure La figure 4 est une vue en coupe, selon IV-IV de à silure 3, du redresseur terminé La figure 5 est une vue en plan d'un autre redresseur selon l'invention, comportant des cellules élémentaires montées en pont gracie à la métallisation superficielle d'une plaquette à circuit imprimé, le revêtement protecteur étant, là aussi,enlevé ; et La figure 6 est une vue en coupe VI-VI de la figure 5, du redresseur terminé. Le redresseur représenté sur les figures 1 et 2 comporte une plaque-support 11, en matière plastique résineuse, qui comporte deux séries de trous la traversant 12, dans chacun desquels on a placé une cellule élémentaire au silicium 13, les cellules d'une première file ayant ourle polarité inversée par rapport à celle des cellules de la seconde file0 Un fil conducteur en cuivre, 14, est enroulé autour de la plaque 11;; il passe sur les extrémités supérieures et sous les extrémités inférieures des cellules, grâce aux encoches 17, et il est soudé aux extrê- mités saillantes des cellules par des soudures 15, réalisées avec un aliage d'étain ou de plomb. Ce redresseur est représenté, sur la figure 1, dans une phase qui fait immédiatement suite à l'enroulement du conducteur 14D Cet enroulement est ensuite suivi de l'application d1un revêtement protecteur, correspondant aux conditions d'ambiance, constitué par exemple par une couche de vernis 16 (Fig. 2). L'application de ce revêtement protecteur et isolant peut être précédée ou suivie par une opération d'enlèvement (par exemple meulage ou sablage) des pourtours latéraux de la plaque le long des lignes A-A' et B-B de la figure lo Par cette opération le conducteur 14 est couté aux points où il traverse les lignes A-A' et B-B', les cellules 13 se trouvant par suite reliées en série par les éléments de conducteurs nui subsistent0 Si cette opération d' nlèwremen-t se fait après l'attlication du revetement protecteur 16, les contours de la rîaoue qui restent à nu après l'opération d'enlèvement devront autre recouverts, dans les conditions voulues, d'un matériau isolant éléctrique. Dans le cas des figures 1 et 2, on a représenté les cellules 13 reliées en série par le conducteur 14, mais on peut réaliser d'autres schémas d'interconnexion, par exemple, en parallèle, ou en pont. Au contraire, sur les figures 3 et 4 on a représenté un redresseur dans lequel les cellules élémentaires au silicium, 23, sont logées dans des trous 22 d'une plaquette à circuit imprimé 21, dont la métallisation suterficielle 24, autour des extrémités des cellules, et d'une cellule à l'autre, fournit les connexions électriques désirées entre les cellules0 I1 faut remarquer que, dans ce cas, la métallisation entourant les extrémités des cellules 23, et par suite, les trous 22, fournit, par association avec la soudure 25, une fermeture hermétique de la plaquette 21, ce gui rend le redresseur particulièreZ ment propre aux applications dans lesquelles on demande une lia- bilité élevées On peut également, avec un circuit imprimé comme le circuit 21 des figures 3 et 4, réaliser un type quelconque d connexion électrique entre les cellules ; on le voit par exemple su le redresseur des figures 5 et 6, dans lequel, en introduisant quatre cellules 33 dans quatre trous 32 d'une plaquette 31, comportant des métallisations superficielles 34, on peut réaliser un montage en pont desdites cellules, REVENICiI0NS lo Procédé pour la fabrication de redresseurs à semi-conducteurs, en particulier de redresseurs au silicium pour hautes tensions, caractérisé en ce que l'on prévoit l'in traduction d'une pluralité de cellules élémentaires dans des trous traversant une plaque-support, l'établissement de connexions électriques entre ces cellules à laide deéléments conducteurs soudés aux extrémités des cellules élémentaires, et l'application à l'ensemble ainsi réalisé d'un revêtement protecteur et isolant, 2o Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soudure des éléments conducteurs de courant sur les extrémités des cellules est obtenue par immersion de l'ensemble, non encore muni de son revêtement, dans un bain d'alliage fondus 3.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoit l'utilisa- tion d'une plaque-support munie de deux séries de trous la traversant, dans lesquels on insere les cellules ds façon que les cellules dtune file aient une polarité inversée par rapport aux cellules de autre file, 7'interconnexion des cellules étant obtenue par enroulement d'un fil conducteur autour de la plaque-support, ce fil passant par dessus et par dessous les extrémités de chaque cellule, ledit conducteur étant soudé aux extrémités des cellules, et la plaque-support ainsi que le conducteur étant découpés le long de deux lignes disposées latéralement par rapport aux cellules, 4.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoit l'utilisation d'une plaque-support munie d'une série de trous la traversant dans lesquels les cellules sont insérées de façon à présenter la mme polarité du même coté, ltinterconnexion des cellules étant obtenue par enroulement d'un fil conducteur autour de la plaque-support, le fil passant par dessus et par dessous les extrémités de chaque cellule, ledit conducteur étant soudé aux extrémités des cellules, et la plaque-support et le conducteur étant découpés le long d'une ligne disposée latéralement par rapport aux cellules. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce découpage se fait par meulage ou sablage des bords latéraux de la plaque-support. 6o Procédé selon ltune quelconque des revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que ce découpage se fait avant l'application du revêtement protecteur et isolants 7. Procédé selon )'une quelconque des revendications 3, 4 et 5 caractérisé en ce que ledit découpage se ait après l'application du revêtement protecteur et isolant, et qu'il est suivi à son tour de l'application d'un revêtement isolant aux parties conductrices qui restent dénudées après la dite opération de découpage0 8.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on prévoit l'utilisation comme plaque-support, d'une plaquette à circuit imprimé dont la métallisation superficielle assure l'interconnexion des cel lules, 90 Redresseur obtenu par un procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque-support, percée de trous la traversant servant à loger des cellules élémentaires, des éléments conducteurs étant soudés aux extrémités des oellules-de façon à en assurer l'interconnexion électrique, et un revêtement extérieur en matière isolante, 10o Redresseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les trous traversant la plaque-support sont disposés sur deux files parallèles. llo Redresseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les trous d'une file sont décalés par rapport aux trous de l'autre file, 12. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les cellules sont disposées dans lesdits trous de la plaque-support de façon que les cellules d'une file aient une polarité dirigée dans un sens opposé à la polarité des cellules de l'autre file. 13. Redresseur selon lagune quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les éléments d'intercon- nexion électrique des cellules sont constitués par des éléments de fil conducteur0 14. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les éléments d'inter connexion électrique des cellules sont constitués par des ponts formés par l'alliage de soudure utilisé pour les soudures pratiquées sur chaque cellule élémentaire0 15. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que les éléments dlinter- connexion électrique des cellules sont constitués par la métallisation d'une plaquette à circuit imprimé, jouant le rAcle de plaque-support pour les cellules. 16. Redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que la plaque-support des cellules est en matière isolantes 17o Redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que la plaque-support des cellules est faite d'une matière de constante diélectrique ap propriéeO 18o Redresseur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que la plaque-support des cellules est faite de matériau magnétique0 19c Redresseur selon 11 une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que quatre cellules sont reliées entre elles de façon à former un pont-redresseur à double alternance0 20.Redresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux cellules sont reliées entre elles de façon à constituer un doubleur de tension, ou un redresseur à double alternance pour transformateur à prise centrale0 2o Redresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise une cellule unique la plaque-support servant de support mécanique pour les bornes, et de proteotion pour la cellule elle-même. 22. Redresseur selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes,caractérisé en ce que detix cellules,ou plus de deux,sont reliées en parallèle pour permettre le passage dgunu intensité plus élevée, 23. Redresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on emploie deux celle lules en parallèle, opposées l'une à l'autre pour servir de li- miteur de signal. 240 Redresseur selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des connexions série oU des connexions parallèle, ou par une combinaison de telles connexions, servant à constituer des circuits logiques, ou des circuits pour applications particulières. 25. Redresseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lton emploie des cellules utilisant un matériau semi-conducteur autre que le silicium. 26. Composants mécaniquement identiques à ceux faisant ltobjet de l'une quelconque des revendications précédentes, mais utilisant des cellules type Zener.