Brevet FR2479566A1 — publié le 19811002

La présente invention s'applique aux composants électroniques semi-conducteurs de forte puissance, notamment aux thyristors, et concerne plus particulièrement l'évacuation de la chaleur qu'ils dissipent en fonction nement Les jonctions semi-conductrices perdent brutalement leurs propriétés pour une température bien définie, généralement de l'ordre de 140 -180 C. D'un autre côté, les thyristors de forte puissance sont, pour diverses raisons pratiques, utilisés en un point de fonctionnement proche de la température de destruction de leurs jonctions. Il est donc nécessaire de leur assurer un refroidissement énergique, de façon que la chaleur qu'ils dissipent n'amène en aucune façon la température de jonction à dépasser son seuil fatidique de destruction. De manière connue, ce refroidissement s'effectue à l'aide de pièces massives mises en contact avec les bornes conductrices du thyristor. Jusqu a présent, on prend le thyristor en "sandwich" entre deux pièces massives de cuivre, qui forment sortie de courant, venant au contact des deux bornes opposées de puissance. Un ou plusieurs canaux sont percés dans chaque pièce de cuivre, et une circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau est réalisée de manière à évacuer la chaleur dégagée par le thyristor, assez vite pour stabiliser son point de fonctionnement (jonctions) aux alentours de 120-1250C. Il en résulte la nécessité d'un usinage précis de ces pièces de cuivre ; et il faut aussi mettre en place une tubulure, en général en cuivre elle aussi, qui leur est fixée par brasure. Le processus est, dans son ensemble, délicat, complexe et onéreux. Par ailleurs, des raisons pratiques amènent à faire passer de préférence le même fluide de refroidissement dans les deux pièces situées de part et d'autre du même thyristor. Celles-ci tétant pas au même potentiel, des tubulures isolantes doivent être interposées. De plus, l'eau elle-même est un peu conductrice, dès lors qu'elle n'est pas distillée. Pour éviter les effets néfastes dus à cette conductibilité électrique de l'eau, il est d'usage de prévoir une ou plusieurs conduites de plusieurs mètres entre l'unie et l'autre des masses de cuivre enserrant le même thyristor. Cet impératif accroît encore les problèmes de refroidissement. La présente invention vient apporter une solution simple au double problème ci-dessus. L'invention propose en premier lieu un procédé de fabrication d'un dispositif d'évacuation de chaleur pour composants électroniques de puissance, tels que des thyristors. Selon ce procédé, on moule autour d'au moins une tubulure de fluide de refroidissement un bloc de matière composite, formable, pratiquement non conductrice électriquement, et comportant, à l'état dispersé dans une matière synthétique réticlalahle, une charge qui lui confère une bonne conductibilité thermique, ainsi qu'une bonne résistance mécanique jusqu a une température de l'ordre de 1250C. Très avantageusement, la charge est constituée d'une poudre finement divisée, à base de métal ou d'oxyde métallique. Dans un mode de réalisation actuellement préférentiel, la matière synthétique réticulable comprend un composé du type polyester. En variante, la matière synthétique réticulable peut comprendre une résine époxyde. En pratique, on utilise une matière composite, qui résiste pratiquement sans déformation à une compression sous 100 bars, et présente une conducti- bilié thermique de l'ordre du dixième de celle des métaux. De préférence, la charge contient de l'aluminium. L'invention concerne également un dispositif d'évacuation de chaleur pour composants électroniques de puissance, tels que des thyristors, du type comprenant une pince massive percée d'une conduite de fluide de refroidissement. Le dispositif proposé comprend au moins une tubulure moulée dans un bloc de matière composite selon le procédé définit ci-dessus. Avantageusement, deux blocs sont disposés l'un après l'autre sur une même paire de tubulures, pour un montage de deux thyristors tête-bêche. De préférence, l'un des deux blocs enferme alors un coude interconnectant les deux tubulures. Dans une réalisation particulière, les tubulures sont en cuivre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés pour illustrer à titre non limitatif un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et sur lesquels - la figure 1 est une vue latérale illustrant d'une manière générale un dispositif d'évacuation de chaleur pour deux thyristors montés tête-bêche - la figure 2 illustre le schéma électrique correspondant dans deux thyristors T1 et T2 montés tête-bêche ; - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un élément du dispositif d'évacuation de chaleur selon la présente invention ; et - la figure 4 illustre la structure d'ensemble du dispositif de refroidissement de l'invention, appliqué à deux thyristors montés tête-bêche. Sur la figure 1, on reconnaît en T1 et T2 deux thyristors de puissance. Au contact des bornes supérieures de puissance des deux thyristors vient une lame de cuivre tandis qu'au contact de leurs bornes de puissance inférieures vient une autre lame de cuivre B2. Des connexions appropriées sont effectuées par exemple dans des alésages des bornes B1 et B2. Les bornes de gâchette des deux thyristors, non représentées, reçoivent les signaux de commande convenables. Lé schéma électrique d'ensemble est illustré-sur la figure 2. De part et d'autre du thyristor T1 sont placées deux chambres à eau C1 et C'1, qui viennent serrer les bornes du thyristor, avec interposition des lames électriques B1 et B2. De même, des chambres à eau C2 et C'2 sont montées de part et d'autre du thyristor T21 pour enserrer celui-ci par l'intermédiaire des lames B1 et B2. Des étriers de serrage, non représentés, assurent une pression convenable des chambres à eau sur les lames conductrices, et par conséquent sur les bornes de liaison. Les flèches illustrées sur la figure 1 rappellent l'existence de cette pression. Jusqu'# présent, les chambres à eau sont réalisées en cuivre, soit sous la forme d'un bloc de cuivre dans lequel sont pratiqués un ou deux alésages, soit sous la forme d'une boîte de cuivre creuse, assemblée, dans laquelle peut circuler un fluide de refroidissement. Des tubulures également en cuivre sont soudées par brasage aux différentes chambres à eau, de manière à permettre une circulation d'eau entre celles-ci. Dans le cas particulier illustré sur la figure 1, l'eau arrive en haut et à gauche, entre dans la boîte à eau C1, puis passe de celle-ci à la boîte à eau C2, suit ensuite un trajet d'une longueur de quelques mètres dans une tubulure isolante, retrouve en partie basse la boîte à eau C'2, puis la boîte à eau C'1, pour ressortir enfin vers une évacuation. On voit immédiatement que la réale sation des chambres ou boîtes à eau elles-mêmes est assez délicate. Il est de surcroît nécessaire de fixer par brasage de nombreux éléments de tubulure entre ces boîtes, de manière à permettre une circulation d'eau qui s'effectue de manière satisfaisante à des températures allant jusqu'à plus de 1000C.La réalisation pratique d'un tel montage doit donc être menée avec précaution, pour obtenir un fonctionnement satisfaisant. Par ailleurs, on notera que les chambres à eau en cuivre C1 et C2, ainsi que les tubulures en cuivre qui les joignent sont portées au même potentiel que les bornes des thyristors auxquels elles se trouvent reliées. Il s'agit en l'espèce de la borne d'anode de l'un des thyristors et de la borne de cathode de 1' autre. Pour éviter un court-circuit électrique réalisé par les tubulures, il est nécessaire comme on lla déjà indiqué de prévoir une liaison isolante entre la sortie de la chambre à eau C21 et l'entrée de la chambre à eau C'2. Mais le même problème se pose également avec l'eau de refroidissement elle-même, dont on sait qu'elle conduit l'électricité dès lors qu'elle n'est pas rigoureusement pure, et enferme donc des sels minéraux. Pour cette raison, il est nécessaire que la longueur de la liaison de fluide entre la sortie de la boîte à eau C2 et l'entrée de la boite à eau C'2 soit de plusieurs mètres. Cette nécessité pratique augmente encore les contraintes de réalisation du dispositif de refroidissement, ainsi que son encombrement. Cette solution est considérée actuellement comme la seule possible, compte tenu des divers impératifs que doit satisfaire un dispositif d'évacuation de chaleur aux composants électroniques de puissance tels que les thyristors. De façon à priori surprenante, il a été observé que l'on#peut obtenir un dispositif d'évacuation de chaleur satisfaisant, en moulant autour d'au moins une tubulure de fluide de refroidissement un bloc de matière composite, formable, comportant à l'état dispersé dans une matière synthétique réticulable une charge qui lui confère une bonne conductibilité thermique, ainsi qu'une bonne résistance mécanique jusqu'à une température de l'ordre de 1250C. Un exemple de matière composite considérée actuellement comme convenable est le produit vendu sous le nom de PLhSrIMETAL par SILITRO, ou le polysteel de la société DISMA. L'un des constituants de cette substance est un polyester, réticulable pratiquement à froid, et l'autre comporte une poudre fine à base d'aluminium. En réunissant les composants sur la base de volumes égaux, on peut arriver à une conductibilité thermique de l'ordre de 0,01 à 0,1 W/cm. 0C, 2 ainsi qu'à un module d'élasticité d'environ 6 200 kg/cm ou dureté Brinnel d'environ 31. A titre d'exemple, on a réalisé de cette manière des blocs de 3 cm x 3,5 cm, pour 1,6 cm de hauteur, moulés autour de deux tubes en cuivre de diamètre extérieur 12 mm et de diametre intérieur 10 mm. Un tel bloc moule résiste pratiquement sans deformation à une compression sous 100 bars. Et un dispositif de refroidissement complet ainsi fabriqué a pu refroidir de manière satisfaisante une paire de thyristors du type C380 de GENERAL ELECTRIC, dans leur condition normale: de fonctionnement. Dans l'application à une paire de thyristors, il est avantageux de partir de deux tubes en cuivre 11 et 12, qui sont découpés à 45a à leurs extrémités, ozt ils sont réunis par brasure à un tube transversal 13 (figure 3). Un bloc de matière moulé selon la présente invention est disposé de manière à enfermer les extrémités communes des deux tubes ainsi que leur liaison 13. Un autre bloc 14 est placé à quelque distance . On peut alors refroidir deux thyristors à partir de deux modules élémentaires obtenus selon la figure 3. Cela s'effectue de la manière illustrée sur la figure 4, où pour simplifier le dessin, on a omis les bornes électri- ques B1 et B2 qui apparaissaient sur la figure 1. Deux blocs 14 et 114 sont comprimés par des étriers de serragenon représentés sur les bornes électriques qui entourent le thyristor T11 l'une côté anode et l'autre côté cathode. Le même montage est réalisé entre les blocs 15 et 115, les mêmes bornes électriques B1 et B2 non représentées, et l'anode et la cathode du thyristor T2 Le fluide de refroidissement, en général de l'eau, arrive par la tubulure 11, qu'il parcourt d'un bout à l'autre pour revenir par la connexion interne du bloc 15 vers la tubulure 12. A l'extrémité libre de celle-ci, il est ramené vers la tubulure inférieure 112, où il traverse le bloc 114 puis le bloc 115 pour finalement revenir par la tubulure 111, l'extrémité de laquelle l'eau de refroidissement est évacuée. Une autre caractéristique très avantageuse des compositions utilisées selon la présente invention est qu'elles ne sont pratiquement pas conductrices de l'électricité. Ainsi, au lieu d'une grande longueur de tubulure souple entre les tuyaux 12 et 112, on peut se contenter d'une liaison directe qui peut être réalisée par exemple en cuivre, du type recuit, ou mieux par une courte longueur de tubulure isolante. L'homme de l'art verra immédiatement que la présente invention permet de fabriquer un dispositif de refroidissement pour thyristor d'une manière extremement simple, et résout de surcroît le difficile problème qui résidait en ce que le dispositif de la technique antérieure était entièrement conductesur, donc porté aux mêmes potentiels que les deux bornes opposées des thyristors. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes. Ainsi, au lieu de la matière Plastimétal indiquée plus haut, on peut utiliser d'autres types de matière synthétique en polyester à charge métallique, telle que celle vendue sous le nom de SODISTEEL par la Société SODIEMA, ou encore le produit Métolux vendu par la société LECOQ, ou encore le produit de marque Métalix de la société SIDNEC. Au lieu de compositions à base de polyester, on peut également utiliser des résines, en particulier des résines époxy, de préférence également à charge métallique. Un exemple d'une telle résine époxyde est le produit Durmétal vendu par la société VELODUR. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée par le mode de réalisation décrit, et s'étend à toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif d'évacuation de chaleur pour composants électroniques de puissance, tels que des thyristors, caractérisé par le fait que l'on moule autour d'au moins une tubulure (11, 12) de fluide de refroidissement un bloc (14 ; 15), de matière composite, formable, pratiquement non conductrice électriquement, et comportant, à l'état dispersé dans une matière synthétique réticulable, une charge qui lui confère une bonne conductibilité thermique, ainsi qu'une bonne résistance mécanique jusqu'à une température de l'ordre de 125 C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la charge est constituée d'une poudre finement divisée, à base de métal ou d'oxyde métallique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la matière synthéti- que réticulable comprend un composé du type polyester. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la matière synthétique réticulable comprend une résine époxyde. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la matière composite moulée résiste pratiquement sans déformation à une compression sous 100 bars, et qu'elle présente une conductibilité thermique de l'ordre du dixième de celle des métaux. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la charge contient de l'aluminium. 7. Dispositif d'évacuation de chaleur pour composants électroniques de puissance, tels que des thyristors, du type comprenant une pièce massive percée d'une conduite de fluide de refroidissement caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une tubulure (11, 12) moulée dans un bloc (14 ; 15) de matière composite selon le procédé de l'une des revendications précédentes. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que deux blocs (14, 15) sont disposés l'un après l'autre sur une même paire de tubulures (11, 12). 9. Dispositif selon la revendication 8, carac térisé par le fait que l'un (15) des deux blocs enferme un coude (13) interconnectant les deux tubulures. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que les tubulures sont en cuivre.