Brevet FR2382099A1 — publié le 19780922

L'invention se rapporte à un dispositif de serrage d'un composant à semi-conducteurs du type à cellule en disque et à contacts thermiques et électriques sous compression, ledit composant étant disposé entre deux plaques de compression et de dissipation entre lesquelles il est comprimé à l'aide de tiges filetées et de lames de ressort avec une force réglable et mesurable sur ledit dispositif de serrage, lesdites tiges filetées étant guidées par des ressorts et la partie centrale des ressorts attaquant la zone centrale d'une surface convexe de l'une des plaques de compression et de dissipation. Dans un dispositif connu de serrage de ce type (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DT-OS n0 2 210 180), une force réglable et mesurable par l'inflexion des extrémités des lames de ressorts ainsi que l'exercice ponctuel de cette force au centre de l'une des plaques de compression -sans liaison fixe- permet d'obtenir une symétrie exacte de la compression. Seules des tolérances serrées de la force de compression et l'exactitude de la symétrie de la compression garantissent le passage optimal du courant et de la chaleur sur les surfaces de contact. On sait que l'intensité de la force de contact est essentiellement fonction de la faiblesse exigée des résistances thermiques de la cellule en disque elle-même et des résistances thermiques entre cette dernière et les radiateurs.La somme de toutes les résistances thermiques à gradient donné de température est une mesure de l'intensité admissible, c'est-à-dire de la dissipation admissible de l'élément à semi-conducteurs. L'étroitesse de la tolérance de la force de compression est due à la nécessité du dimensionnement de la force de contact en fonction de la surface du cristal et de son maintien à une valeur constante dans des tolérances relativement étroites indépendamment des températures. Il faut entendre dans le présent contexte par "du type à cellule en disque" (ou à cellule à disques scellés) ou par "cellule en disque" un disque semi-conducteur ayant été préalablement renfermé dans un bottier isolant avec interposition de plaques de dissipation. D'autres plaques de dissipation ou enceintes réfrigérantes peuvent être appliquées avec contact sous compression à l'extérieur du boîtier isolant. Les composants à semi-conducteurs de puissance de ce type sont bien connus (par exemple type CS 500 de la Société BROWN BOVERI & Cie, MANNHEIM, RFA, ou d'après la Revue "VDI-Zeitschrift" Tome 107, (1965) n0 34 - décembre, page 1656). Le dernier article mentionné décrit par ailleurs la fixation de la cellule en disque dans des radiateurs et son refroidissement naturel ou son refroidissement par circulation forcée d'air ou encore son refroidissement par liquide indépendamment de l'intensité admissible recherchée. Un autre montage connu consiste à fixer sur ces composants le coté d'absorption de chaleur de tubes calorifiques (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DT-OS n0 2 417 106). L'invention a pour objet un dispositif de fixation avec serrage du type mentionné, qui autorise, comme dans l'art antérieur, la mesure de la force sur le dispositif lui-même et donc qui permet l'étroitesse de la tolérance de la force de compression et donc l'uniformité de la répartition de la compression, mais qui est applicable par ailleurs à des cellules en disque de très grand diamètre et qui permet de contrôler de très grandes forces de contact. Les forces de contact des cellules en disque atteignent actuellement déjà des valeurs de 28 kN, et pourtant ces valeurs ne représentent pas des limites définitives. Selon une particularité essentielle de l'invention, la lame de ressort appliquée sur au moins l'une des plaques de compression et de dissipation consiste en une plaque de serrage à grande surface au centre de laquelle est encastré un prisonnier taraude et qu'un angle de rotation déterminé, proportionnel à la force, d'une vis de compression centrale prenant appui sur la surface convexe met sous contrainte, la retenue de cette plaque étant assurée par quatre tiges filetées qui la traversent aux angles diamétralement opposés. La plaque de serrage utilisée est de préférence carrée et fixée à tous les quatre angles. Alors que dans le montage connu, mentionné plus haut, (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne citée DT-OS n0 2 210 180), la force nécessaire de compression s'obtient par serrage alterné des écrous montés sur les tiges filetées, il suffit avantageusement, dans le dispositif de serrage de l'invention, de faire tourner une unique vis centrale de compression. Le dispositif de serrage de l'invention a un encombrement notablement moindre que celui des modes de réalisation connus par exemple à ressorts Belleville, à lames courbes superposées ou en boudins (demandes de brevets de la République Fédérale d'Allemagne DT-AS n0 1 276 209, 1 204 751 et 1 248 813 ainsi que brevet britannique no 777 985), car l'élasticité s'obtient par la grande surface de la plaque de serrage. La disposition selon l'invention conserve ce même avantage sur celle de la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DT-OS ho 2 210 189; car pour réaliser en pratique cette disposition connue et pour obtenir par exemple ladite pression de contact de 18 kN, il faut superposer trois 2 lames de ressort de 22 x 4 mm et en conséquence la course d'élasticité n'est que de 1,5 mm,dont l'affichage optique peut conduire à des écarts inadmissibles de la force d'élasticité recherchée. La plaque de serrage carrée selon l'invention ayant par exemple 4 mm d'épaisseur peut permettre d'exercer, avec par ailleurs les mgnescotes du dispositif, une force de contact pouvant atteindre 25 kN avec une course d'élasticité d'environ 4 mm. La réduction de la pente de la courbe caractéristique d'élasticité ainsi que celle du frottement partiel élèvent la précision du réglage des forces. Leur lecture optique en est aussi facilitée; en effet, il est évident que l'angle de rotation de la vis de compression se repère dans les limites correspondantes de tolérance sur la plaque de serrage et donc que celle-ci peut se mettre sous la contrainte nécessaire et donc qu'il est possible d'exercer la force de compression nécessaire sur la cellule en disque.La course d'élasticité est donc suffisante pour maintenir la tolérance admissible dans la limite usuelle de plus 10% de la force de serrage. Les plaques de compression et de dissipation utilisées de préférence pour les grandes puissances sont en général réalisées sous forme d'enceintes à réfrigération par liquide. On sait que ces dispositions permettent d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur supérieurs à ceux des montages à radiateurs à#refroidissement direct à l'air Alors que dans le cas connu (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne citée plus haut n0 2 210 180) les tiges filetées passent par les plaques de compression et de dissipation, de manière que l'appui ponctuel de la surface convexe se trouvant sur l'une des plaques de compression se trouve avec précision sur l'axe de symétrie afin que la compression soit elle-même symétrique, la vis centrale de compression du dispositif de serrage selon l'invention reste avec précision sur l'axe de symétrie et les enceintes réfrigérantes, par lesquelles les tiges filetées ne passent pas, sont logées dans le dispositif de serrage symétriquement par rapport à l'axe de symétrie central de la cellule en disque et symétriquement par rapport au plan médian du disque. Aucune liaison fixe n'existant non plus entre la surface convexe et la vis de compression, le dispositif de serrage selon l'invention garantit aussi la symétrie de la répartition de la compression. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes a titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation schématique avec coupe transversale partielle d'un dispositif de serrage d'un composant à semi-conducteurs du type à cellule en disque à contacts sous compression et à deux enceintes réfrigérantes à circulation de liquide; la figure 2 est une vue en perspective partielle par le haut du dispositif de serrage de la figure 1; et la figure 3 est une coupe de détail illustrant le montage de la tige filetée sur une plaque de serrage. La cellule en disque 1 est montée entre deux enceintes réfrigérantes 2 et 21 (figure 1) dont l'une prend appui sur une traverse 4 par l'intermédiaire d'un élément de compression 3. Quatre tirants ou tiges filetées 6 sur lesquelles sont vissés des écrous 6' passent dans des manchons isolants 5 appliqués contre cette traverse 4. Des tubes isolants 7 empêchent les tirants 6 d'entrer en contact avec la traverse 4. Une pièce de compression 8 comportant une surface convexe 8' sur laquelle prend appui une vis de compression 13 est montée sur l'enceinte réfrigérante supérieure 2' dans la représentation du dessin.Un prisonnier taraudé 12 transmet la force de réaction de la vis de compression 13 à une plaque de serrage carrée 11 de grande surface que les tirants 6, dont l'extrémité supérieure est filetée, mettent de son côté sous contrainte par l'intermédiaire de calottes sphériques 9 et d'écrous 10. La mise sous compression s'effectue de la manière suivante Après que la vis de compression 13 a été desserrée sur la distance a et que la plaque de serrage élastique 11 a été mise en place, il faut serrer les écrous 10 à la main de telle manière que la vis de compression 13 soit bien appliqu** contre la plaque de compression 8. Il faut ensuite faire tourner la vis de compression d'un angle déterminé de manière qu'elle effectue en fonction de son pas une course sur la distance a et donc qu'elle apporte la force nécessaire de serrage F en fonction de son coefficient d'élasticité c. En d'autres termes, l'angle i représente une mesure de l'intensité de la force de serrage F. La plage de la force de contact peut aller de 5 à 28 kN selon les dimensions du composant à semi-conducteurs. La plaque de serrage 11 couvre cette plage, car elle a avantageusement un coefficient d'élasticité à courbe caractéristique à faibl# pente. Une collerette circulaire 14 du prisonnier taraudé 12 comporte deux méplats 15 placés en face l'un de l'autre (figure 2) afin d'interdire à ce prisonnier 12 de tourner par rapport à la plaque élastique 11. Le trou 16 de cette dernière a une forme correspondante. Le prisonnier taraudé 12 prend appui contre la plaque de serrage 11 par un collet 17. Les tirants 6 passent par des trous 18 de la plaque de serrage Il (figure 3). Ces trous comportent un fraisage 19 dans lequel s'insère la calotte sphérique 9. Il est ainsi certain que les tirants 6 n'ont pas à supporter les forces de flexion et que la plaque de serra#ge peut être placée librement sous précontrainte dans les tolérances prédéterminées. Dans le cas d'un assemblage de plusieurs cellules en disque 1 et d'enceintes réfrigérantes 2, 2' de manière connue en un empilement, il est préférable de remplacer la traverse 4 par une seconde lame de ressort ou plaque élastique capable d'absorber l'augmentation des allongements thermiques résultants dans la plage prescite de tolérance de la force de contact. Il est possible, en variante de réalisation, en cas de refroidissement direct à l'air, de fixer directement les tirants 6 réalisés sous la forme de goujons vissés directement dans l'une des plaques de compression et de dissipation et d'assurer l'isolation électrique par la lame de ressort 11. Par ailleurs, les plaques de compression et de dissipation peuvent aussi être l'extrémité d'absorption de chaleur de tubes calorifiques bien connus par eux-mêmes par exemple d'après leur description dans la Revue 'tChemie-Ingenieur- Technik" 4lème année, 1969, pages 30 à 37, leur utilisation pour le refroidissement de thyristors étant par ailleurs décrites dans la Revue VDI mentionnée en préambule. REVENDICATIONS 1. Dispositif de serrage d'un composant à semiconducteurs du type à cellule en disque à contacts thermiques et électriques sous compression et à deux plaques de compression et de dissipation entre lesquelles ledit composant à semi-conducteurs est disposé et que des tiges filetées et des lames de ressort peuvent serrer en les attirant l'une contre l'autre avec une force réglable, se mesurant sur le dispositif de serrage, lesdites tiges filetées étant guidées par des ressorts et la partie centrale des ressorts attaquant la zone centrale d'une surface convexe de l'une des plaques de compression et de dissipation, ledit dispositif étant caractérisé en ce que la lame de ressort exerçant sa force sur au moins l'une des plaques de compression et de dissipation consiste en une plaque de serrage de grande surface (11) au centre de laquelle est encastré un prisonnier taraudé (12) et qu'un angle de rotation ( d) déterminé, proportionnel à ladite force,d'une vis de compression centrale (13) prenant appui sur la surface convexe (8') met sous contrainte, quatre tirants (6) qui traversent cette plaque aux angles diamétralement opposés en assurant la retenue. 2. Dispositif de serrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites plaques de compression et de dissipation sont constituées en enceintes réfrigérantes (2, 2') à circulation de liquide. 3. Dispositif de serrage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite plaque de serrage (11) est carrée et retenue à tous les quatre angles. 4. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite plaque de serrage (11) comporte au centre un trou (16) dans lequel est logée une collerette (14) dudit prisonnier taraudé (12) qui comporte sur deux côtés opposés des méplats l'empêchant de tourner et qui sinon est ronde, ledit prisonnier comportant sous ladite plaque de serrage (11) un collet (17) de plus grand diamètre que sa collerette (14). 5. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications 1 a 4,caractérisé en ce que les tirants (6) attaquent la plaque de serrage (11) par l'inter- médiaire de calottes sphériques (9) guidées dans des fraisages (19) de cette plaque 6. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que ladite plaque de serrage (11) a un coefficient d'élasticité à courbe caractéristique de faible pente dans une grande plage de force de contact. 7. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revnedications I à 6, caractérisé en ce que l'autre plaque de compression et de dissipation ou autre enceinte réfrigérante (2) prend appui sur une traverse (4) de grande surface guidée sur les dits tirants (6). 8. Dispositif de serrage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite traverse (4) est conformée en lame de ressort ou plaque de serrage.