Brevet FR2026610A1 — publié le 19700918

Les éléments structurels pour dispositifs semi-conducteurs, en particulier les "boîtiers ou les éléments de protection et de support en matière plastique coulée ou moulée, se sont avérés très avantageux pour le montage et la fabrication de dispositifs 5 semi-conducteurs. Toutefois, les dispositifs semi-conducteurs à éléments semiconducteurs entièrement noyés dans un isolant présentent, dans de nombreux cas, un comportement thermique défavorable déterminé par les propriétés de l'isolant et ne sont souvent capables de sup-10 porter les surcharges que dans une mesure limitée» On connaît déjà des formes d'exécution dans lequelles ces inconvénients sont amoindris par une liaison surface contre surface du boîtier en matière plastique avec un élément structurel métallique de refroidissement, par surdimensi onnemest de toutes 15 les parties élémentaires du dispositif en vue d'augmenter la capacité calorifique, par mélange d'additifs augmentant la conduction thermique avec la matière isolante, ou par encastrement d'ailettes de refroidissement dans 1'enveloppe en matière plastique et ceci aussi près que possible de la surface extérieur©. Mêan-20 moins, la plupart du temps, ces mesures supplémentaires ne permettent pas non plus d'obtenir le résultat désiré et exigent en outre, en particulier dans les composants semi-conducteurs pour faible capacité de courant, une dépense technique et économique souvent indésirable qui contre-balance dans une large mesure les 25 avantages obtenus lors de la construction et de la fabrication de tels composants semi-conducteurs. Les dispositifs semi-conducteurs qui comprennent un élément de support de la pastille semi-conductrice servant en même temps de partie inférieure de boîtier, et une partie supérieure de "boî-30 tier en matière plastique, sont la plupart du temps très coopli-qués en ce qui concerne 1'agencement de l'élément de support et sa liaison avec des pastilles semi-conductrices à capacité de courant moyenne ou élevée. Lors de la mise en service de tels dispositifs, par suièe a'une dilatation thermique différent® des par-35 ties du boîtier et -le 19 échauffement plus rapide de 18 élément de support, des contraintes mécaniques peuvent apparaître dans la partie supérieure en matière plastique du boîtier. Enfin, de tels dispositifs semi-conducteurs ne sont pas utilisables dans le cas où 1'élément de support du semi-conducteur ne doit conduire aucun 40 potentiel électrique. 69 33256 2 2026610 L1invention, a pour objet de créer des dispositifs semi-conducteur s à boîtier isolant} dans lesquels les inconvénients qui s'attachent aux formes d'exécution connues sont supprimés, mais dans lesquels les avantages liés à l'utilisation d'éléments 5 structurels en matière isolante sont conservés. L'invention concerne un. dispositif semi-conducteur dans lequel uoie ou plusieurs pastilles semi-conductrices sont fixées suivant une disposition électrique désirée sur un élément de support en matière céramique servant en même temps de partie inférieure 10 de boîtier et sont strictement enfermées avec des parties de connexions de conduction de courant dans un élément en matière plastique formant la partie supérieure du boîtier. Le Brevet Allemand N° 1.021.491 décrit un procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur, dans lequel les parties 15 conductrices de courant d'un élément semi-conducteur disposé entre des plaques en matière céramique traversent ces plaques de façon étsache au vide, et dans lequel une structure de ce type est entourée de tous côtés d'une masse isolante, de préférence de cire. Mais avec cette disposition, il se pose un problème pour 20 éviter la pénétration d'humidité le long des parties conductrices de courant jusqu'à l'élément semi-conducteur. Une amélioration d« 1'évacuation de la chaleur de dissipation ne peut pas être obtenue avec la construction proposée. On a également proposé de faire passer vers l'extérieur les 25 parties conductrices de courant d'éléments semi-conducteurs qui forment un montage redresseur et sont disposés dans une capsule en matière céramique, à travers des perçages métallisés pratiqués sur l'un des côtés de la capsule puis de remplir la capsule d'un» résine. Avec cette autre disposition proposée, se posait égale-30 ment le problème d'éviter l'influence nuisible de 1•humidités'infiltrant le long des parties conductrices de courant sur l'élément semi-conducteur. En. outre, le but que se propose l'invention n'est pas atteint avec les dispositions proposées. L'invention réside en ce que l'élément de support est réali-35 aé sous la forne d'une plaque, est en matière céramique oxyde électriquement isolante mais bonne conductrice de la chaleur dans le domaine de température de fonctionnement du dispositif semiconducteur et présente, dans des zones prédéterminées de ses bords, des saillies ou des évidements concentriques, en ce que 40 l'élément de support est métallisé sur l'une de ses faces, tandis 69 33256 3 2026610 que sa face opposée est plane pour assurer sa mise en contact thermique et est soumise à un traitement superficiel approprié, et en ce que la partie supérieure en matière plastique du boîtier entoure les saillies de l'élément de support ou s'engage dans les 5 évidements de celui-ci et est lié à lui mécaniquement de façon rigide. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint dont les fig. 1 à 4 représentent des exemples d'exécution qui mettent en 10 évidence le montage et le mode de fonctionnement de l'objet de l'invention. Sur ce dessin : - la fig. 1 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 1B de la fig. 2, d'un dispositif semi-condcteur suivant l'in- 15 vention; - la fig. 2 est une vue du dessus d'un redresseur en pont encapsulé monté comme représenté sur la fig. 1; - la fig. 3 est une vue, également du dessus, d'un redresseur en pont pour courant triphasé, et 20 - la fig. 4 représente un élément redresseur semi-conducteur pour fortes intensités. Sur toutes les figures, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références numériques. Sur la fig. 1, on voit en 1 un élément de support en forme 25 de plaque en matière céramique oxyde électriquement isolante mais "bonne conductrice de la chaleur et par exemple en alumine ou en oxyde de béryllium. La face inférieure de l'élément de support 1 est plane et convenablement traitée pour assurer un bon contact thermique avec les éléments structurels de refroidissement adja-30 cents. La face supérieure ou opposée est métallisée en vue de recevoir des pastilles semi-conductrices 3» et est subdivisée d'une manière appropriée suivant la disposition et le nombre des pastilles semi-conductrices. Sur au moins deux côtés frontaux de préférence opposés, l'élément de support 1 présente une saillie 1a 35 en forme de nervure qui sert à assurer une liaison rigide par emboîtement avec un élément de protection en matière isolante 5- Sur la métallisation 2, ou sur chacune des métallisations 2, sont fixées de façon rigide, de préférence par soudage, un certain nombre de pastilles semi-conductrices 3» suivant le montage 40 et/ou la capacité de courant désirée, et ces pastilles sont intep- 69 33256 4 2026610 connectées en un montage électrique approprié au moyen d'un ou plusieurs éléments structurels conducteurs de courant 4. Cet ensemble est entouré d'une enveloppe en matière plastique 5 qui enferme l'élément de support 1 jusqu'au-dessous des saillies 1a et 5 assure ainsi une liaison rigide entre les deux parties 1 et 5 du boîtier. A cet effet, l'élément de support présente, sur les zones prévues pour la Eaison avec la matière plastique une rugosité superficielle appropriée. L'élément de support 1 peut être polygonal ou rond et peut 10 présenter, au lieu des saillies en forme de nervure 1a, des évidements en forme de rainure s*étendant d'une manière analogue. Ed. outre, les saillies 1a peuvent également s'étendre jusqu'à l'arête adjacente à la face métallisée. Pour obtenir des dispositifs redresseurs semi-conducteurs 15 d'un montage désiré et de construction compacte, les pastilles semi-conductrices sont disposées avec des polarités électriques différentes. Pour assurer une fixation dans une large mesure surface contre surface sur les électrodes de contact respectives associées d'une ou plusieurs pastilles semi-conductrices 3» les par 20 ties de conduction de courant 4 sont agencées d'une manière appro priée, par exemple en forme d'arc et le cas échéant aplaties.Pour assurer l'évacuation optimale de la chaleur de dissipation, le dispositif suivant l'invention est fixé, pair la face inférieure plane de l'élément de support 1, sur une tôle de refroidissement 25 6 de forme appropriée. La fig. 2 est une vue du dessus du dispositif représenté sur la fig.•1, mais sans l'enveloppe en matière plastique 5« Ooaae ■aeemple d'exécution, on a choisi un redresseur en pont. Pour réaliser ce montage, deux pastilles semi-conductrices 3 sont dispo-30 sées avec une polarité électrique appropriée sur chacune des deux métallisations 2 en forme de bande séparées par une fente d'isolement 7 convenable. Les parties de conduction de courant 4 formant les connexions de courant alternatif sont guidées de façon appropriée dans leurs sections libres à l'intérieur du dispositif 35 de manière à assurer une distance d'isolement suffisante par rapport à des parties qui sont à un autre potentiel électrique et elles s'étendent de préférence parallèlement à partir d'un côté frontal du dispositif. En un point approprié, à l'extrémité de chacune des métallisations 2 opposée aux connexions de courant 40 alternatif sont prévus des éléments conducteurs de courant 8, 9 bad obiginal 69 33256 5 2026610 respectifs dont la disposition et la direction concordent de préférence arec l'élément conducteur 4- opposé correspondant« les éléments 8 et 9 étant fixés de façon rigide à l'élément de support métallisé et formant une connexion de courant continu. Pour assu-5 rer une bonne liaison surface contre surface des éléments conducteurs 8 et 9 arec l'élément de support métallisé 1 on utilise,par exemple, pour chacun de ces éléments, un pferçage métallisé correspondant à travers lequel on enfile l'extrémité du conducteur, eu une entaille dans laquelle on l'encastre. 10 L'élément de support 1 peut présenter sur l'un ou l'autre*• deux cStés frontaux opposés, suivant les dimensions et l'utilisation envisagée, une pièce rapportée en forme de plaque 10 présentant un trou de fixation 11, ceame représenté en trait interrompu sur la fig. 2. Pour éviter des contraintes mécaniques lors do la 15 fixation, des dispositions spéciales doivent éventuellement être prises, pour temir compte de la faible résistance à la flexion de la matière céramique. Sur la fig. 3 est représenté un pont redresseur triphasé 12 réalisé suivant le type de montage de la fig. 2 d'un dispositif 20 semi-conducteur. Chacune des métallisations 2 forme un pôle commun pour les éléments conducteurs de courant 8 et 9. La construction de dispositifs semi-conducteurs suivant l'invention n'est pas limitée aux exemples d'exécution représentés ot convient aussi bien pour tous les montages redresseurs semi-con-25 ducteurs, ainsi que pour une combinaison avec différents composants semi-conducteur s et pour la disposition d'un ou plusieurs montages sur un même élément de support. Les éléments conducteurs de courant d'un ou plusieurs montages ou d'un ou plusieurs composants semi-conducteurs peuvent être disposés et agencés de toute 30 manière désirée. En outre, la construction suivant l'invention est également avantageuse pour des composants semi-conducteurs à grande capacité de courant. Sur la fig. 4 est représenté un exemple d'exécution de cette variante d'application. La saillie en forme de nervure 1a conforme à la représentation de la fig. 1 est 35 disposée sur l'arête supérieure de l'élément de support 1. Sur la métallisation 2 de la face supérieure de l'élément de support est fixé le dispositif constitué, d'une manière connue en soi, par exemple, par une pastille semi-conductrice 14, par une rondelle de contact 15, par exemple en molybdène, ainsi que par la conne-40 xion conductrice de courant supérieure qui comprend une pièce de BAD ORIGINAL 69 33256 6 2026610 contact 16 et tm conducteur flexible 17» Pour établir un contact avec la pastille semi-conductrice, sur sa face liée à l'élément de support 1, on utilise un élément conducteur de courant 18 qui est par exemple de forme annulaire dans sa section prévue pour 5 l'établissement du contact et qui, de préférence en entouramt la pastille semi-conductrice, est fixé de façon rigide à la faee métallisée. Cette construction est, d'une manière correspondant au dispositif de la fig. 1 et à son montage, enfermée dans une matière isolante 5 coulée ou moulée. La fixation d'un tel composant 10 semi-conducteur sur un élément structurel métallique de refroidis soient est la même que celle qui est prévue dans les éléments redresseurs semi-conducteurs de grande puissance connus dits "à fond plat". La construction représentée sur la fig. 4- présente des avantages, en particulier du fait que l'élément de base métat* 1$ lique dont la fabrication et le traitement ultérieurs sont ceâ-, teux, dos formes d'exécution connues, ainsi que la rondelle om molybdène om om tungstène habituellement nécessaire entre 1* élément de base et la pastille semi-conductrice, et toute une série d*opérations do traitement exigées par oes éléments structurels 20 sont supprimés. Pour fabriquer un dispositif semi-conducteur suivant l'invention, on fixe de préférence par soudage sur la ou les faess métallisées d'un élément de support convenablement agencé, une ou plusieurs pastilles semi-conductrices avec une polarité électri-25 que déterminée à l'avance par le montage désiré des composants. En outre, par un procédé connu, les éléments conducteurs de oou-rant 4-, 8 et 9 sont liés de façon rigide par des dispositions appropriées, tant à la ou aux faces métallisées 2 qu'à l'électrode ou aux électrodes libres des pastilles semi-conductrices. Ensuite, $0 le dispositif est noyé dans une matière coulée ou moulée durcis-sable qui peut, le cas échéant, pour augmenter la conductibilité thermique, contenir des additifs appropriés. Les éléments conducteurs de courant sont fixés d'une manière appropriée afin de pouvoir être noyés dans la matière isolante pour assurer au disposi-35 tif semi-conducteur fini des connexions de conduction montées de façon irréprochable, et s'étendant à une distance désirée l'une de l'autre. Pour permettre une fabrication en série économique de dispositifs semi-conducteurs, l'élément de support peut être préfabri-40 qué par exemple sous forme de baguette et présenter à des inter- fiAD ORIG/NAL 69 33256 7 2t)26610 valles réguliers perpendiculairement à l'axe longitudinal sur l'un de ses grands côtés des évidements en forme de rainure 13 comme représenté en trait interrompu sur la fig. 3» de façon qu' après l'exécution simultanée des opérations de fabrication décri-5 tes ci-dessus sur les surfaces métallisées de l'élément de support et après découpage de celui-ci le long des rainures 13» on obtienne un nombre correspondant de dispositifs finis. Cette fabrication rationnelle avantageuse est utilisable aussi bien pour les dispositifs semi-conducteurs de faible capacité de courant 10 comportant plusieurs composants que pour les composants redresseurs semi-conducteurs de capacité de courant moyenne et élevée. Les avantages du dispositif suivant l'invention résident en ce que, grâce à l'utilisation d'un élément de support servant à la fois d'élément de base et de partie inférieure de boîtier, de 15 construction simple et en oxyde métallique, l'évacuation de la chaleur de dissipation est assurée avec une intensité jusqu'à présent inégalée même en utilisant des éléments de support métalliques et en ce que, grâce à la fixation directe d'un nombre désiré quelconque de pastilles semi-conductrices et grâce à la pro-20 tection, qui porte également sur leurs éléments conducteurs de courant, dans une enveloppe en résine durcissable, on obtient une construction remarquablement simple, économique et mécaniquement stable de dispositifs semi-conducteurs des formes d'exécution les plus diverses. 69 33256 8 2026610 REVENDICATIONS 1) Dispositif semi-conducteur dans lequel une ou plusieurs pastilles semi-conductrices sont fixées suivant une disposition électrique désirée sur un élément de support en matière céramique servant en même temps de partie inférieure et sont stricte-5 ment enfermées avec des parties de connexions de conduction de courant dans un élément en matière plastique formant la partie supérieure du boîtier, caractérisé en ce que l'élément de support est réalisé sous la forme d'une plaque, est en matière, céramique d'oxyde électriquement isolante mais bonne conductrice de 10 la chaleur dans le domaine de température de fonctionnement du dispositif semi-conducteur et présente dans des zones prédéterminées de ses bords des saillies ou des évidements concentriques, en ce que l'élément de support est métallisé sur l'une de ses faces, tandis que sa face opposée est plane pour assurer sa mise 15 en contact thermique et est soumise à un traitement superficiel approprié, et en ce que la partie supérieure en matière plastique du boîtier entoure les saillies de l'élément de support ou s'engage dans les évidements de celui-ci et est liée à lui mécaniquement de façon rigide. 20 2) Dispositif semi-conducteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de support est polygonal ou rond et est en alumine ou en oxyde de béryllium. 3) Dispositif semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les saillies 25 et/ou les évidements de la surface périphérique de l'élément de support.présentent une section droite polygonale ou ronde. 4) Dispositif semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les saillies et/ou les évidements sont disposés sur des sections opposées de 30 la surface périphérique de l'élément de support. 5) Dispositif semi-condueteur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que les saillies et/ou les évidements se referment sur eux-mêmes. 6) Dispositif semi-conducteur suivant l'une quelconque des 35 revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que, pour former un montage redresseur prédéterminé, deux ou plus de deux éléments redresseurs semi-conducteurs à capacité de courant appropriée sont disposés avec une polarité électrique convenable et une interconnexion électrique appropriée sur l'élément de support en 69 33256 9 2026610 matière céramique, et par le fait que des connexions conductrice» de courant associées présentent, le cas échéant, un écartement entre conducteurs approprié à leur incorporation à des plaque» conductrices. 5 7) Dispositif semi-conducteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait qu'une pastille se-mi-conductriee à grande capacité de courant est disposée sur 1' élément de support et par le fait que, sur la métallisation de l'élément de support, sont disposés un conducteur de courant 10 pour l'établissement d'un contact avec l'un des côtés de la pastille semi-conductrioe et un autre conducteur de courant monté sur l'électrode de contact libre de la pastille semi-conductri-ce, cette construction étant enfermée d'une manière appropriée dans une matière isolante»