Brevet FR2017808A1 — publié le 19700522

La présente invention a pour objet essentiellement des perfectionnements à un dispositif semiconducteur du type à garniture plate, comprenant un élément semiconducteur plat, disposé dans un anneau isolant di point de vue électrique, prévu pour être 5 refroidi par ses côtés opposés, au moyen d'électrodes métalliques fixées respectivement de chaque côté. Alors que les dispositifs semiconducteurs ont fait croître à la fois la capacité debLocage de la tension et du courant, une perte de chaleur générée dans le matériau semiconducteur s'est 10 accrue Par exemple, la perte de chaleur pouvait atteindre 1 à 2 kilowatts. Egalement en raison de leurs caractéristiques, les dispositifs semiconducteurs doivent fonctionner à des températures n'excédant pas le domaine de température particulier prescrit pour un élément semiconducteur, par exemple, de l'odre de 100°C à 15 200°C. A cette fin, il est nécessaire d'assurer une résistance thermique du système réfrigérant entier, s'étendant de la jonction p-n, compris dans l'élément semiconducteur, jusqu'au moyen réfrigérant associé, qui soit aussi faible que possible, tout en établissant un bon transfert de chaleur entre la jonction p-n, et 20 le moyen réfrigérant au travers du système réfrigérant, pour accroître l'effet de refroidissement. Afin d'atteindre cette condition, plusieurs dispositifs semiconducteurs"du typa'à garniture plate ont déjà été proposés, dispositifs comprenant un disque de substance semiconductrice comprenant au moins une jonction 25 p-n» envelopés d'une manière hermétique à l'aide d'une enveloppe plate, et deux blocs . matériau conducteur thermique, disposés de chaque côté de l'enveloppe, et inséresés d'une manière élastique entre deux plaques de pression, les sommets des blocs étant vissés sur les plaques de pression associées, ainsi, 30 tous les éléments sont maintenus en "place tout en observant un certain contact pression, et la chaleur générée dans le disque de matériau semiconducteur est éliminée par les blocs thermique-ment conducteurs. Dans les dispositifs semiconducteurs du type à garniture 35 plate, de construction précitée, la force de coriact par compression exercée par la cheville sur le bloc réfrigérant th.ermique-ment conducteur, se transmet de la plaque de pression à travers 69 30828 2 2017808 le bloc réfigérant, thermiquement conducteur, jusqu'au disque de matériau semiconducteur. Si le bloc réfrigérant est un corps creux traversé par un. passage de réfrigération, on peut craindre que le passage de réfrigération puisse se defeimer lors du serrage 5 de la cheville du bloc réfrigérant contre la plaque de pression associée. Selon un objet de la présente invention, il s'agit d'élaborer un. dispositif semiconducteur du type à garnituré plate, un dispositif perfectionné, pour éviter que la force susmentionnée ne se transmette au bloc à cavité réfrigérante. 10 Selon un autre objet de l'invention, il s'agit de constituer un dispositif semiconducteur du type à garniture plate comportant un dispositif de réfrigération perfectionné , de fabrication peu coûteuse, efficace et sûre lors de l'opération de refroidissement . 15 Selon l'invention, on prévoit un dispositif semiconducteur du type à garniture plate, comportant un disque plat de matériau semiconducteur, placé dans un corps isolant électrique annulaire, et prévu pour être refroidi par ses côtés opposés, au moyens d'électrodes métalliques fixées respectivement de chaque côté, 20 "caractérisé par un bloc de support métallique, pour répartir sur chaque électr de métallique, de chaque côté du disque une force de contact par compression, et un container disposé de manière à se détacher pour recouvrir la surface externe de chacun de blocs de support, et pour établir - la circulation du moyen de 25 réfrigération au travers d'un espace établi entre le container et le bloc de support évitant ainsi la transmission de la force de contact par compression exercée sur le bloc de support métallique, au container associé. . les blocsmétalliques de support, chacun étant de préférence, 30 en forme de cône tronqué^ comportent une surface de grand diamètre en vis à vis de l'électrode métallique, associée, -et une surface de diamètre plus petit, d'où s'étend une saillie,, l'application de la force de contact par compression sur l1électrode métallique se faisant.au moyen, de cette saillie. - . .. . • 35 Avantageusement, la saillie peut être filetée pour venir coopérer par engagement avec un écrou fileté,.du container. associé, et se "trouve en légère saillie de" la paroi externe du 69 30828 3 2017808 container. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins 5 schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 est une vue en section éclatée dans l'élément -semiconducteur du type à garniture plate, de construction conven- 10 tionnelle ; - la figure 2 est une section de l'élément semiconducteur de la figure 1, après son assemblage en une structure unitaire ; - la figure 3 est une vue schématique d'un dispositif semiconducteur du type à garniture plate, comportant l'élément ^5 semiconducteur illustré sur les figures 1 et 2, et prévu pour être refroidi par air, - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, mais illustre un dispositif à refroidissement par liquide ; - la figure 5 est une vue en élévation éclatée, en section 20 partielle, de la partie essentielle du dispositif semiconducteur du type à garniture plate selon l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique, partielle et en section, du dispositif semiconducteur illustré sur la figure 5 après sa finition ; - la figure 7 est une section d'une variante de l'invention. Sur les figures 1 et 2 on trouve illustré un élément semiconducteur du type à garniture plate, généralement référencié par le numéro 10. Le montage illustré comprend un disque plat.12, de matériau semiconducteur quelconque, tel que du silicone, comportant au moins une jonction p-n (non illustrée), établit à l'intérieur, et une plaque métallique de support 14 fixée sur l'une des faces principales, dans ce cas, la surface inférieure, comme l'illustrent les figures 1 et 2, au moyen d'aluminium, ou de . lame d'or (non indiquée). La plaque de support H est de préférence ^ en un matériau métallique quelconque, tel que du molybdène, ou du tungstène de même coefficient de dilatation thermique que le matériau semiconducteur du disque 12. Afin de réaliser un 25 30 69 30828 4 2017808 contact ohmique sur l'autre face principale, du disque 12, ce dernier peut comporter une f euille d'or ou d'aluminium.- Alternativement, on peut vaporiser sur l'autre face principale du disque,de l'aluminium, du nickel, de l'or ou de l'argent, puis procéder 5 à son frittage. Ensuite, une électrode protectrice 16 de même matériau/4ue la plaque de support 14,est vaporisée par de l'argent, de l'aluminium, ou du nickel, et disposée sur l'autre face principale du disque, sur le contact ohmique. Afin d'isoler le disque 12, de l'air ambiant ,, on prévoit ÏO un élément combiné formant logement et électrode, généralement référencié par le numéro 20, comportant une isolation électrique annulaire 22, par exemple en céramique, un diaphragme 24 en matériau non conducteur du point de vue électrique et thermique, comme l'argent ou le cuivre, d'épaisseur d'environ 0,2 à 1,0 mm, 15 et brasé sur une face,.dans ce cas la face inférieure illustrée sur les figures 1 et 2 de l'isolation 22, sur le bord périphérique, et un anneau de soudage 26 également brasé sur la face opposée de l'isolant. L'anneau 26 est de préférence essentiellement en un matériau métallique facile à souder, par exemple du fer ou 20 nickel. Après, avoir soumis le disque 12, à un traitement de . surface appropriée , d'une manière bien connue, le disque fixé \ a la plaque de support 14, est placé dans l'élément combiné 20 formant logement et électrode. Puis l'électrode protectrice 16 comme nous l'avons mentionné } est placée sur la surface présentée 25 par le disque 12. Ensuite, le côté ouvert de l'élément 20 est formé à l'aide d'une autre électrode généralement référenciée par le numéro 30. Plus spécifiquement, l'électrode 30 comprend un diaphragme 32 identique à la fois quant .au matériau et quant à la forme au 30 diaphragme 24, et un anneau de soudage 34 également identique qaunt au matériau et à la forme à l'anneau 26 et brasé sur la partie périphérique du diaphragme 32. Après avoir couvert le côté ouvert de l'élément 20 formant logement et électrode, à l'aide de-l1électrode 30, les périphéries externes des anneaux 26 et 34 35 sont soudé es ensemble, par un procédé de soudage à l'arc sous argon, ce qui a pour résultat, que le disque 12 est isolé de l'atmosphère, tandis qutn même temps, il-est maintenu dans l'élement 69 30828 5 2017808 20 d'une manière hermétique, lors cU- forctÊmement de l'élément 10 semiconducteur, on doit prendre soin de la température de mise en oeuvre. C'est à dire, la chaleur générée à l'intérieur de l'élément 10 doit être en1-dis si pat im œitinie, afin d'éviter une 5 élévation de température dans l'élément 10, au-delà , d'une valeur prédéterminée, lors de l'opération. A cette fin, l'élément semiconducteur 10 peut être refroidi par air de la manière illustrée sur la figure 3. Comme on peut le voir, un bloc réfrigérant, généralement désigné par la référen-10 ce numérique 50 est relié lors de son fonctionnement à un des diaphragmes 24 ou 32. Le bloc réfrigérant 50 comprend une partie cylindrique solide 52 en matériau lion conducteur du point de vue électrique et thermique, tel que du cuivre, ou de l'aluminium, et une pluralité d'ailettes de réfrigération 54, de même matériau 15 que la partie cylindrique 52,. transversales sont espacés les unes des autres, et s'étendent au-delà de cette partie cylindrique 52. Les parties cylindriques de réfrigération comportent une extrémité substantiellement de même contour que la partie plate du diaphragme associé qu'elle vient toucher, les autres 20 extrémités sont reliées respectivement à deux plaques de pression 56 disposées parallèlement l'une par rapport à l'autre, au moyen de cheville 58 à écrou fileté, formant 1'isolation' électrique, sur les plaques de pression,afin d'assembler tous les -composants en une. structure unitaire. " ' 25 Afin de maintenir un bon contact thermique et•électrique entre le disque semiconducteur 12 et chapun des diphragmes 24 ou 32, et chacun des diaphrgmes 24 ou 32 avec la partie cylindrique de réfrigération 52 associé on dispose normalement d'un moyen 60 pour équilibrer la force de contact par prëssion ou 30 compression, entre une des parties cylindriques 52, dans ce cas, la partie supérieure comme l'illustre la figure 3, et la plaque de pression adjacente 56 comme l'illustre la figure 3. Ce-moyen 60 peut être de construction quelconque bien connue, et comprend par exemple,, une bille d'acier susceptible de-glisser sur une 35 surface concave en forme de cône ou de douille. ' Alternativement, l'élément semiconducteur peut être refroidi par un fluide comme l'illustre la figure- 4. Dans le montage illus 69 30828 6 2017808 tré sur la figure 4, un bloc de réfrigération généralement référencié par le numéro 50', comporte un passage réfrigérant (non indiqué) relié à. j» un conduit d'entrée 62 et à un conduit de sortie 64» remplaçant les ailettes 54* Un moyen quelconque 5 de réfrigération approprié, tel qu'une huile isolante, un gaz réfrigérant, ou de l'eau peut circuler au travers du passage, dans chacun des blocs réfrigérant En d'autres points, le montage est substantiellement identique à celui de la figure 3, et les mêmes références numériques désignent les composants analo-10 gues à ceux de la figure 3. Dans chacun des montages conventionnels illustrés sur les figures 3 et 4, on peut tracer .d'une part, un chemin le long duquel la chaleur générée dans le disque semiconducteur 12 est dissipée ;, depuis le disque, au travers de l'électrode protec-15 trice 16, du diaphragme supérieur 32, du bloc réfrigérant adjacent 50 ou 50', et jusqu'au moyen de réfrigération, ou d'air, et d'autre part,"à partir de ce disque au travers de la plaque de support 14, du diaphragme inférieur 24 et du bloc réfrigérant adjacent 50 ou 50', et enfin: jusqu'au moyen de réfri-20 gérâtion ou d'air, suivant le cas. Le chemin de conduction thermique que"nous venons de décrire offre-une résistance thermique à un courant"de chaleur qui le traverse, en raison des résistances •' thermiques des composants mêmes formant le chemin et en raison des résistances thermiques aux interfaces des composants adjacents. 25 ; Par conséquent, plus le chemin est long, et plus grand est le nombre d! 'interfaces, plus l'efficacité de la dissipation . de chaleur sera faible. outre, dans le montage de la figure 4, on doit noter que lorsque" le passage de réfrigération traverse le bloc réfri-30 gérant, un accroissement de la dimension du passage engendre un croissement de la force mécanique du bloc. Par conséquent il devient difficile d'accroître la force de contact par compression pour faire décioiire, la résistance thermique aux interfaces clas composants formant le chemin de conduc-35 tion thermique. En outre, on peut craindre que les blocs réWgéiais s'affaissent lors du serrage des plaques de pression par les chevilles des blocs réfrigérants. L'invention vise à éliminer la difficulté du problème qui 69 30828 7 2017808 •vient d'être" citée en élaborant un nouveau dispositif pour diviser le bloc réfrigérant conventionnel tel que le bloc 50', en une partie où s'applique la force de contact par compression, et en une autre partie en prévoyant un logement pour éviter toute 5 perte de noyen réfrigérant qui fait d écroitre la résistance thermique de tout le système. Dans un mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 5 et 6, un élément semiconducteur 10 qui peut être de préférence analogue à l'élément 10 précédemment décrit, dans les 10 figures 1 et 2, comporte un contact avec chacun des diaphragmes ou électrodes 24 ou 32, un bloc support généralement référencié par le numéro 70. Le bloc support 70 est en un matériau hon conducteur du point de vue électrique et thermique tel que du cuivre ou de l'aluminium, d'une forme quelconque désirée, et , 15 de préférence en forme de cône,obtenu par moulage,, usinage, et d'autres moyens. Le bloc de support 70 comporte une surface de grand diamètre 72 substantiellement de même contour que la partie de surface plate du diaphragme, et très lisse dans le but d'établir un contact intime, en observant un bon transfert 20 de chaleur, avec le diaphragme associé. Le bloc 70 a également un tenon 74 fileté faisant saillie au-delà de sa surface mais ne venant pas toucher l'élément semiconducteur 10 ou sa surface de diamètre inférieur, et assez épais pour résister à une force de contact par compression, par laquelle l'élément 10 est maintenu 25 fermement entre les deux blocs supports 70. la partie conique du bloc 70 est munie sur sa surface périphérique, d'une pluralité de crêtes de circonférence 76, placées parallèlement les unes par rapport aux autres, afin d'accroître l'aire de réfri gération. Le bloc de support 70 lors de son assemblage , à pour 30 fonction ai phB âe dissiper la chaleur générée dans l'élément semiconducteur 10, de transmettre la force de contact par compression précitée à l'élément 10 tout en servant de liaison électrique de conduction vers une source d'énergie électrique ou "une charge, selon le cas. 35 Afin de faire circuler le moyen réfrigérant.,tel que l'eau / autour du bloc support cudispess d'un container en forme de coupe généralement désigné par la référence numérique 80;, Le container 80 peut être en une mince feuille d'acier. Alternativement, il 69 30828 8 2017808 peut être moulé dans un plastique convenable, selon le type du moyen réfrigérant, le container 80 est muni sur toute sa périphérie du côté ouvert, d'une rainure 82, et dans le fond, lors de l'assemblage précité, un anneau en forme de 0 de matériau quelconque élastique^ comme du tetrafluorure d'éthylène 10. ou du caoutchouc à base de silicone.ed; d'abord adapté dans la rainure 82 de chacun des containerg 80, tandis que le tenon fileté 74 de chaque bloc de support 70'- est tempoiaiceœnt vissé dans la perforation 84 au fond du container, le bloc étant disposé dans le container en forme de coupe.■ Puis les surfaces des extrémités 15 terminées 72 de bloc support 70 viennent en butée contre'les diaphragmes 24 et 32 de l'élément semiconducteur 10 de manière à insérer l'élément entre elles. Puis les blocs 70 et l'élément 10 sont serrés en une structure unitaire de la manière décrite en référence à la figure 3 en utilisant deux plaques de pression 20 56, des chevilles 58 d'isolation électrique, et lé dispositif ' . 60 d'équilibrage des forces, comme l'illustre la figure 3- Après avoir serré les blocs de support 70 et l'élément semiconducteur 10, les uns contre le ^autres, suivant uae pression prédéterminée, les containers.80 pivotent autour des tenons 25 associés 74, jusqu'à ce que les anneaux en forme de 0 viennent toucher les diaphragmes respectifs 24 et 32 sous pression, pour le scellement, le montage résultant est illustré sur la figure 6. On doit noter que le tenon fileté 74 fait saillie légèrement du fond du container associé 80, pour jecevoir la force de contact 30 par compression appliquée par les plaques de pression respectives 56. lors de la mise en oeuvre, un moyen quelconque réfrigérant approprié, s'écoule au travers du conduit.d'entrée 86. dans chaque container 80. le moyen réfrigérant circule à l'intérieur du container 80 pour dissiper -la chaleur engendrée dans 35 l'élément semiconducteur 10, puis qUitbele container 80 par la .conduit de sortie 88. D'après ce qui précède, on pourra apprécier qu® dans le montage 69 30828 9 2017808 de la figure 6, l'unité de maintien de l'élément semiconducteur entre le bloc de support sous pression, est construite indépendamment du container évitant .une perte . de réfrigérant, assurant ainsi qu'il n'y a plus de force de contact par compression s'appliquant 5 au conta mer. Ceci élimine la nécessité d'accroissement de résistance mécanique du container tout en permettant au dispositif semiconduc-tèur lui-même d'être léger et détaillé réduite . En outre, "les blocs support peuvent être de grande dimension suivant les limites 10 de volume . Ceci engendre un accroissement du coefficient de trnasfert de chaleur entre le bloc de support et un moyen réfrigérant ainsi que"la réfrigération de • l'élément semiconducteur est considérablement accrue. Sur la figure 7 dans laquelle les mêmes références numériques 15 désignant les composants analogues ou similaires à ceux des figures 1, 3, 5 et 6, se trouve illustrée une variante de l'invention. Les deux diaphragmes24 et 32' sont tous deux en forme d'anneau, efcsupportent les blocs de support individuels 70 par leur périphérie interne, ce qui provoque la liaison directe lors de la mise en oeu-20 vre,des blocsàl'électrode protectrice 16, et la plaque support 14, comme l'illustre les figures 1 et 2. lis les blocs de support 70 sont associés lors du montage, au eontainer respectif désigné par la référence 80 sur la figure 5 et 6, après quoi, ils sont assemblés en une structure unitaire illustrée sûr la figure 6. 25 Dans le montage de la figure 7, 1*interface de chacun des blocs de support 70, et du diaphragme adjacent 24 ou 32'ést omis, provoquant un accroissement' du coefficient de transfert de chaleur entre le disque semiconducteur 12 et le moyen réfrigérant, ce qui conduit à l'avantage qu'un chemin conducteur du point de vue 30 thermique s'étend depuis le disque^ jusqu'au moyen réfrigérant en faisant deccroitre la résistance thermique correspondante. Si on le désire, on peut prévoir des ailettes de dissipation de chaleur sur chacune des deux parties coniqueé,' et on peut omettre le tenon du bloc de support et les crêtes- 76. 'Tandis que 35 l'invention a été illustrée et décrite à l'aide d'un élément semiconducteur comportant une unique jonction p-n, on doit 'comprendre que l'invention est également applicable aux transistors de puissance, auxthyristors, comportant trois électrodes. 69 30828 10 2017808 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 particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi 5 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 30828 n 2017808 E_E_V_EJ2_D_I_C_A_T_I_OJ[ 3 1. Dispositif semiconducteur du type à garniture plate, comportant un disque de matériau semiconducteur disposé dans une isolation annulaire électrique, et prévu pour être refroidi de chaque côté au moyen d'électrodes métalliques fixées respective-5 ment de chaque côté caractérisé en ce qu'il comprend un "bloc métallique solide de support se répartissant sur chacune desdites électrodes métalliques précitées de chaque côté du disque semiconducteur , et un container placé de manière à être détaché: pour recouvrir la surface externe de chacun desdits blocs 1 n lu de support et pour engendrer la circulation du moyen réfrigérant au travers d'un espace formé entre ce dernier et ledit bloc de support, la force de contact par compression exercée sur ledit bloc de support ne pouvant se transmettre au container associé. 2. Dispositif semiconducteur du type à garniture plate selon 1 pr 3 la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits blocs métalliques et en forme de cône tronqué comportant une surface de diamètre supérieure en regard de l'électrode métallique associée et une surface de diamètre inférieur comportant une saillie, par laquelle ladite force de contact de compression s'applique à ladite 20 électrode métallique. 3. Dispositif semiconducteur du type à garniture plate selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite saillie dudit bloc de support, est filetée, pour venir coopérer avec un écrou fileté du container associé, et fait légèrement saillie dudit container. 25 4. Dispositif semiconducteur du type à garniture plate selon la revendication 2, caractérisé en ce que le,dit bloc de support, est muni sur la périphérie du cône#d'une pluralité de crêtes des circonférence pour accroître son aiie de réfrigération.