Brevet FR2433831A1 — publié le 19800314

L'invention se rapporte a un module à semi-conducteur8 de puissance comprenant un ou plusieurs, de preference deux, elements semiconducteurs fixes sur une plaquette commune de montage et ayant la forme de pastilles qui ne sont pas montées ellesmêmes directement dans un boîtier, dont les bords sont passives ou isolés et qui sont munies d'electrodes, ces pastilles étant montées éventuellement avec des éléments de câblage dans-un bottier commun avec un dispositif de refroidissement, les connexions desti- nées au courant principal et les connexions eventuellement présentes de passage du courant de commande de l'element ou des éléments semi-conducteurs ressortant d'un unique cote du boîtier. Un module a semi-conducteurs de puissance de ce type est utilisable pour la réalisation de circuits redresseurs statiques. Il existe differents modes possibles de câblage interne pour les modules connus de ce type (prospectus "Power Semiconductors" (semi-conducteurs de puissance) de mars 1974 de la société ÂEI Semiconductors (publication 111), pages 48 et 49 ; par ailleurs, notice technique "Thy ristormoduln" (modules a thyristors) Thy F 75/G 75/H 75 de la société Siemens AG, de Erlangen, en R.F.A.). Dans le mode le plus courant de câblage, le module contient-deux thyristors montes en série avec la même polarite et dont le point de jonction est par ailleurs relie à un fil qui ressort du bottier.Selon le mode de liaison des connexions se trouvant sur un cote du module, ce dernier peut être utilise par exemple pour la réalisation d'un pont redresseur å double alternance et dont les prises medianes ou les connexions aux points de jonction entre les thyristors individuels se trouvent a l'extremite de la rangee des connexions au courant principal pour permettre de relier les connexions du courant alternatif et sont donc facilement accessibles, ces prises ou connexions aux points de jonction pouvant aussi etre utilisées pour le montage d1un-circuit convertisseur avec dispositif d'inversion, les thyristors étant alors montes deux a deux en anti-parallele x Il est avantageux pour l'assemblage des circuits redresseurs statiques de'ce type que les modules a semi-conducteur de puissance soient formes d'élements fonctionnels équipés de maniere a pouvoir être reliés mécaniquement et électriquement et constitués d'un ou de plusieurs éléments semi-conducteurs séparés, ces elements fonctionnels pouvant éventuellement être munis d'autres elements de câblage et/ou de composants électroniques de commande. Un autre avantage de ces modules réside dans la réduction du prix de revient par élimination de boîtiers individuels et du montage independant des éléments semi-conducteurs. Les modules connus ont toutefois l'inconvénient de la forte densité de courant de dissipation de chaleur en raison de la forte concentration d'éléments constitutifs qui dégagent de la chaleur, cette concentration compromettant le refroidissement et limitant ainsi la capacite de puissance de ces modules. Il est nécessaire de maintenir a une faible valeur la résistance thermique entre la surface du module qui cède la chaleur et la surface du radiateur qui l'absorbe afin de permettre d'évacuer la chaleur dégagée à l'environnement, par exemple au moyen d'un radiateur métallique, avec un gradient de température admissible.La technique classique d'établissement de contacts sous pression utilisée pour les diodes et thyristors a grande puissance ne peut pas être mise en oeuvre sans soulever de problèmes en raison de la complexité du montage. La solution généralement adoptée actuellement consiste donc à braser les pièces qui dégagent la chaleur, en particulier les pastilles à semi-conducteurs sur des plaquettes de céramique métallisée qui ont une bonne conductibilité thermique, par exemple sur des plaquettes d'oxyde de béryllium, puis A braser ces plaquettes de leur côté sur une plaque d'assise commune, par exemple de cuivre. Cette disposition est sujette aussi aux faibles deformations de la plaque d'assise (avec rupture des éléments de ceramique etjou des éléments semi-conducteurs) d'une part par suite de la contrainte mécanique (du montage) et d'autre part de la contrainte thermique (gauchissement par suite de l'inegalite de la distribution des tempêratures). Les plaques d'assise épaisses ne sont pas avantageuses en raison de la deformation thermique, car la résistance aux efforts alterne-s dus aux variations de température en est trop amoindrie. Les plaques d'assise minces compromettent la résistance mécanique (montage).Il n'est par ailleurs judicieux d'augmenter les dimensions des pastilles à semi-conducteurs que dans d'étroites limites, car la fraction de la puissance de dissipation qui a pour cause la tension inverse est fonction des dimensions de la pastille. Par ailleurs, les grandes pastilles sont plus sujettes à rupture que les petites. Pour ces raisons, la moyenne du courant continu prélevable sur les modules connus- demeure notablement inférieure à 100 A. L'invention a pour objet un montage permettant d'évacuer la chaleur des composants, en particulier des éléments à semi-conducteurs, avec une faible chute# de température, la chaleur étant répartie sur une surface suffisamment: grande pour permettre de la transmettre à un radiateur classique à liquide ou à air. Selon une particularité essentielle du module à semi conducteurs depuissance tel que spécifié et conforme à l'invention, l'élément primaire du dispositif de refroidissement est constitué d'une chambre délimitée par les cloisons latérales et la plaque de fond du module ainsi que par la plaque de montage, cette chambre étant disposée du coté de cette plaque qui est tournée à ltoppose de celui des pastilles, cette chambre conte- nant un liquide isolant et étant reliée à un radiateur secondaire à liquide ou à air afin de permettre l'échange de chaleur, chaque élément à semiconducteur étant muni d'une pièce de connexion qui est conductr#ice de l'élec- tricité et de la chaleur et qui traverse la plaque de montage pour pénétrer dans ladite chambre. L'avantage de ces dispositions est que le liquide isolant repartit la chaleur sur une grande surface et que cette chaleur peut ainsi etre transmise de maniere simple au radiateur à liquide ou a air qui est en relation d'échange de chaleur avec ladite chambre et donc il est possible de réduire considérablement la densité du courant de dissipation de chaleur par rapport au montage# par exemple uniquement d'une plaque de cuivre. Suivant un premier mode de réalisation, la plaque de montage est dans son ensemble conductrice de la chaleur et conductrice de l'électri- cité au moins dans certaines zones de préférenceducôté connexion des éléments à semi-conducteur. Les zones conductrices de l'électricité permettent donc d'établir les liaisons avec les autres éléments de câblage ou d'autres ele- ments a semi-conducteur. En variante de réalisation, la plaque de montage consiste en un substrat qui est isolant de l'électricité dans sa totalité ou par zones, mais qui est dans son ensemble conducteur de la chaleur, ce substrat formant une isolation-entre lesconnexions des éléments a' semi-conducteurs ou des éléments de câblage qui ne doivent pas eatre connectés Ce mode de réalisation est avantageux lors- que le boitierdoitloger plusieurs éléments de circuit qu Les éléments dégageant de la chaleur et, en particulier, les pastilles àsemi-eonducteurspeuvent etre fixés par brasage, assujettissement à la presse ou collage, avantageusement de manière connue avec interposition de rondelles de molybdène, de manière que les pièces de connexion destinées à l'évacuation de la chaleur (~connexions d'anode ou de cathode ) ressortent sur le côté du substrat tourné vers la chambre du dispositif de refroidissement et que le substrat les sépare hermétiquement des autres électrodes des composants en les isolant les unes des autres. Le boîtier du module est en deux parties, c'est-à-dire celle qui vient d'être décrite et qui enveloppe ladite chambre du dispositif de refroidissement avec la plaque de montage et une partie qui contient les éléments à semi-conducteurs et qui peut consister en une matière de remplissage ou de moulage qui est isolante de l'électricité. Les pastilles à semi-conducteurs sont ainsi avantageusement protégées intégralement contre les fluides corrosifs et la poussière. Il existe un convertisseur statique refroidi à l'air et à plusieurs éléments àsemi-conducteurset dont le bottier comprend aussi deux ehanbres différentes dont l'une, qui renferme les éléments semi-conducteurs, est étanche à la poussoère (demande de brevet DE-OS n0 22 26 057).Mais, dans le cas particulier et comme représenté sur la figure 1 de cette demande, les éléments àsemi-conducteursutilisés sont renfermés ou enrobés indépendamment dans des hoîtiers, tandis que dans un module conforme à l'invention, les éléments à.semi-conducteurs utilisés ne sont pas renfermés indépendamment dans des boîtiers. Par ailleurs, dans le Cas de la demande de brevet citée ci-dessus, les éléments de connexion qui pénètrent dans la chambre du dispositif de refroidissement sont refroidis par un courant forcé d'air, tandis que dans le cas de l'invention, le liquide isolant transmet la chaleur au radiateur secondaire à liquide ou à air et les deux parties du boîtier sont isolées de manière étanche ou hermétique 11 une de l'autre. Il est avantageux que les cloisons latérales de la chambre du dispositif de refroidissement pénètrent partiellement dans la matière de remplissage ou de moulage qui enrobe les éléments à semi-conducteurspour amé liorer l'étanchéité d'ensemble du bottier. Il est par ailleurs avantageux que le bord de la plaque de montage soit entouré par un joint d'étanchéité et que cette plaque soit encastrée entre les cloisons latérales. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une élévation avec coupe transversale partielle d'un exemple de réalisation. Les sources principales de chaleur sont des pastilles à semiconducteurs I et 2 qui ne sont représentées que schématiquement. Ces pastilles J et 2 à semi-conducteurs comportent différentes régions qui sont en alternance de types de conductivité différents et qui peuvent aussi comprendre au moins une région de commande. Elles comportent desmétallisationssur leur surface principale ainsi qu'une isolation, par exemple, une passivation de verre sur leurs bords qui sont chanfreir1es. Dans l'exemple de réalisation de la figure, les deux pastilles sont tournées à 180a l'une par rapport à l'autre. Les deux surfaces principales de chaque pastille de silicium 1, 2 sont en regard de rondelles de molybdène 3 à 6.L'une de ces rondelles, à savoir la rendelle 3 ou la rondelle 5 de chaque élément àsemi-conducteurs 1 et 2 comporte un contact extérieur de connexion, c'est-à-dire d'une part une connexion à la cathode KI et d'autre part une connexion à l'anode A. Le montage suivant cette polarité est indiqué uniquement à titre d'exemple. Les pastilles peuvent être montées suivant toute orientation voulue et les contacts peuvent être établis avec elles de toute manière convenable. Un élément de connexion 7, 8, de préférence de cuivre, est placé dans le prolongement de chacune des autres rondelles de molybdène 4 et 6. Les éléments de connexion 7 et 8 de l'exemple de réalisation représenté sont conformés en socles.Ils traversent une plaque de montage 9 qui peut être, par exemple,en résine époxyde armée de fibres de verre et qui peut comporter au moins d'un coté une métallisation. Dans ce mode de réalisation qui correspond au premier mode de réalisation mentionné en préambule, les rondelles de molybdène 4 et 6, les éléments de connexion 7 et 8 et la métallisation 10 de la plaque de montage connectent électriquement les composants à semi-conducteurs: qui sont fixés dans cette plaque 9. Ainsi, les électrodes principales de polarités contraires des deux éléments à semi-conducteurs 1 et 2 sont connectées.Un autre fil de connexion partant de la métallisation 10, qui ne doit en principe se trouver quesurlecotédela plaque de montage 10 qui est tourné vers les éléments à semi-conducteur 1 et 2, aboutit à un autre contact extérieur K2, c'est-à-dire assure la liaison avec 1'exterieurde l'anode du premier élément å semi-conducteurs1 et de la cathode du second élément à semi-con- ducteurs 2.Ces éléments1 et 2 ainsi que les rondelles de molybdène3à6 et les éléments de connexion 7 et 8, dans la mesureoùilssetrouventtous du même côté de la plaque de montage 10, sont enrobés dans une matière de remplissagebou de moulage 13 avec les éléments de câblage éventuellement nécessaires, par exewr ple un élément RG se composant d'un condensateur il et d'une résistance 12, les pièces de connexion extérieure Kl, K2 et A étant aussi enrobées partiellement par cette matière 33. Les éléments de connexion 7 et 8 ainsi que la résistance 12 se trouvant dans une cuvette correspondante 14 pénètrent de l'autre côté de la plaque de montage 9 dans une chambre de refroidissement 15 remplie d'un liquide isolant tel que l'huile, du fluorure de carbone ou autre,et délimitée par des cloisons latérales 16 et une plaque d'assise 17. La plaque 17 comporte des trous 18 de montage du module. Les cloisons latérales 16 pénètrent dans la matière de remplissage ou de moulage 13. Elles comportent dans cette zone une gorge 19 qui loge le bord de la plaque de montage 9 qu'entoure un joint d'étan cheité 20.La plaque de montage 9 peut être isolée électriquement des cloisons latérales 16 en ayant sa métallisation 10 qui s'arrête au devant de ces cloisons..Dans la variante de réalisation de la plaque de montage 9 constituée d'un substrat isolantdel'électricité,maisconducteur de la chaleur, elle assure d'elle-même l'isolation vis-à-vis des cloisons latérales 16. Il doit etre bien compris que le module ayant une forme allongée peut aussi être fermé par des cloisons latérales 21 le long de ses côtés longs. Les cloisons latérales 16 et 21 ainsi que la plaque d'assise 17 forment ainsi un récipient renfermant le liquide isolant. Ce récipient peut être en une pièce et etre réalisé en aluminium. Dans le cas d'un récipient fermé, il faut prévoir un corps compressible 22, par exemple un corps de refroidissement en caoutchouc rempli de gaz et autorisant la dilatition du liquide isolant et de refroidissement en cas d'échanffement. Ce récipient peut représenter aussi le radiateur secondaire air et il suffit à cette fin de munir les cloisons latérales 16 et/ou 21 d'ailettes de refroidissement 23 (qui sont simplement indiquées schématiquement sur le dessin par des lignes). Les cloisons latérales 16 et/ou 21 peuvent aussi comporter une bride à surface dressée de montage sur un radiateur secondaire à liquide ou à air qui assume le refroidissement commun pour plusieurs modules. (et qui n est pas représenté), En variante, le récipient peut comporter un raccord d'entrée et de sortie du liquide de refroidissement d'un radiateur extérieur secondaire liquide. Une autre possibilité consiste à conformer les éléments de connexion 7 et 8 en tubes calorifiques. La demande de brevet précitée DE-OS n0 22 26 057 mentionne déjà l'utilisation de tubes calorifiques de ce type, nais toutefois non pas avec couplage thermique direct avec les éléments semiconducteurs, mais avec le cté d'entrée de l'air de la chambre de refroidissement du dispositif décrit.En cas d'utilisation de tubes calorifiques, ces tubes qui ressortent du substrat, c' est-à-dire de la plaque demontage9, et/ouîesen- veloppes ou cuvettes métalliques telles que la cuvette 14 de composants soumis faible charge peuventpénétrer dans des évidements correspondants d'un corps massif et être isolés électriquement de ce dernier par exemple par du caoutchouc au silicone. Un tube calorifique abaissant considérablement la densité du courant de dissipation de chaleur, le contact thermique est suffisant. La faible conductibilité thermique spécifique du caoutchouc est compensée par la grande surface de transfert. La disposition qui vivent d'etre décrite peut être utilisée aussi bien en combinaison avec un récipient totalement fermé et rempli de liquide isolant qu'en combinaison avec un récipient relié à un radiateur extérieur à liquide faisant partie d'un circuit de refroidissement à circu- lation de liquide. REVENDICATIONS 1. - Module àsemiconduoteursde puissance comprenant un ou plusieurs, de préférence deux,éléments àsemi-cor.ducteursfixés sur une plaque de montage commune et ayant la forme de pastilles qui ne sont pas renfermées individuellement dans un boîtier, dont le bord est isolé ou passivé et qui sont munies d'électrodes, ledit module comprenant également un boîtier commun dans lequel lesdites- pastilles sont montées éventuellement avec des éléments de c blage et qui est équipé d'un dispositif de refroidissement, les connexions principales de transmission de courant et les connexions éVentuellenent pré. sentes de transmission d'un courant de commande de l'è'lément ou des élémentssà semi-conducteurs ressortant du boîtier sur un seul côté, module caractérisé en ce qu'une chambre (15) formant l'élément primaire du dispositif de refroidissement et délimitée par les cloisons latérales (16, 21) et la plaque d'assise (17) du module et par ladite plaque de montage (9) est disposée dans le prolongement de cette dernière sur le coté tourné à l'oppose de celui sur lequel se trouvent lesdites pastilles (1, 2), ladite ch#mbre,qui contient un liquide isolant, étant reliée à un radiateur secondaire à liquide ou à air de manière à assurer l'échange de chaleur et chaque élément àsemî-conducteurs (1, 2) est muni d'un élément de connexion (7, 8) qui est conducteur de l'électricité et de la chaleur et qui traverse la plaque de montage (9) pour pénétrer dans ladite chambre de refroidissement (15). 2. - Module àsemi-condUcteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite plaque de montage (9) est conductrice de la chaleur dans son ensemble et conductrice de l'électricité au moins dans certaines zones et au moins du coté de la connexion des éléments à semiconducteurs (i, 2) 3. - Module àsemi-conducteurs de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque de montage (9) consiste en un substrat qui est isolé en électricité dans sa totalité ou par zones t qui est conducteur de la chaleur dans son intégralité, ce substrat isolant les éléments de connexion des éléments à semi-conducteurs ou des éléments de câblage qui ne doivent pas être relies les uns avec les autres. 4. - Module à sef conducteursde puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de boîtier (13) qui contientles élémentsà semi-conducteurs (1, 2) se compose d'une matière de. remplissage qui est isolante de l'électricité. 5. - Module jsemi-conducteurs de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de boîtier (13) qui contient les éléments àsemi-conducteurs (1, 2) consiste en une matière de moulage qui est isolante de l'électricité. 6. - Module à semi-conducteurs depuissance selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les cloisons latérales (16, 21) de ladite chambre.de refroidissement (15) pénètrent partiéllement dans la matière de remplissage ou de moulage. 7. - Module àsemi-conducteursde puissance selon la revendication 1 ou l'une quelconque des revendicacions suivantes, caractérisé en ce que la plaque de montage, dont un joint d'étanchéité (20) entoure le bord, est encastrée dans les cloisons latérales (16, 21).