Brevet FR2503526A1 — publié le 19821008

BOITIER ET PROCEDE DE MONTAGE ET D'INTERCONNEXION DE COLIPOSANTS SEMICONDUCTEURS DE MOYENNE PUISSANCE EN BOITIER UNIQUE. La présente invention concerne le montage en bottiers de composants semiconducteurs de moyenne puissance, c'est-à-dire traversés par des courants de l'ordre de quelques ampères à quelques dizaines d'ampères. De façon courante, des composants semiconducteurs sont disposés selon des montages en parallèle, des circuits en pont, ou autres. Ainsi, des fabricants de semiconducteurs, plutôt q#ue de fournir des composants indépendants que l'utilisateur doit interconnecter, fournissent fréquemment des bottiers uniques comprenant deux ou plusieurs éléments. Notamment, on retrouve souvent des montages en bottier unique comprenant deux diodes en série, une diode et un thyristor en série, ou encore deux thyristors en série, un accès étant prévu au point de connexion entre les deux composants individuels. A l'heure actuelle, pour réaliser ce type d'interconne xions, il tend s se normaliser un bottier parallélépipédique dont le fond est constitué d'une plaque conductrice et portant sur sa surface supérieure trois bornes principales en ligne, destinées s une fixation par vis, et, éventuellement dans le prolongement de ces trois bornes principales, deux bornes de commande situées de part et d'autre de la ligne reliant ces trois bornes principales. L'invention vise S réaliser un montage de composants dans un tel bottier de façon particulièrement simple et économique en simplifiant les opérations de fabrication et en utilisant autant que faire se peut des éléments standard ou des tôles conductrices, tout en minimisant le nombre de soudures à effectuer. Pour atteindre cet objet ainsi que d'autres, la présente invention prévoit un bottier parallélépipédique pour le montage de plusieurs composants semiconducteurs de moyenne puissance interconnectés. Ce boîtier comprend : comme face inférieure, une embase métallique destinée à être fixée à un radiateur et dont les composants semiconducteurs sont thermiquement solidaires ; comme parois latérales, un capot plastique fixé à l'embase et destiné à être rempli d'un matériau d'encapsulation ; comme paroi supérieu re, un couvercle en matière plastique d'où sortent plusieurs bornes principales et deux bornes auxiliaires, les bornes principales comprenant des écrous noyés dans le couvercle.La connexion entre les bornes principales et les zones à connecter est assurée par des plaquettes ou bras formés à partir d'une tôle conductrice, ces bras étant pliés à leur partie supérieure au niveau du couvercle pour bloquer les écrous noyés et étant pliés dans le même sens a leur partie inférieure sur des niveaux différents, éventuellement selon des lamelles, pour venir en contact des zones à connecter. Les bornes auxiliaires sont constituées des parties extrêmes d'éléments en L découpés dans une tôle conductrice, les autres extrémités de ces éléments en L étant voisines des zones à connecter des composants semiconducteurs. Ces éléments en L sont fixés par l'intermédiaire d'un manchon isolant sur une lamelle repliée de l'un des bras sus-mentionnés. Selon la présente invention, le procédé de montage d'un tel bottier consiste, avant le placement du capot plastique et de son couvercle, à assembler les composants semiconducteurs et à les connecter auxdits bras ou éléments en L alors que les bras sont réunis matériellement les uns aux autres par des portions d'une même tale S partir de laquelle ces bras sont formés. Diverses variantes et applications de la présente invention seront décrites plus en détail ci-après dans le cas d'applications particulières données à titre d'exemples d'un bottier selon la présente invention en relation avec les figures jointes parmi lesquelles la figure 1 représente le type de bottier que la présente invention vise à réaliser la figure 2 représente un mode de réalisation d'une embase d'un bottier selon la présente invention la figure 3 représente une grille de connexions adaptée au montage de thyristors faisant partie d'un pont les figures 4 et 5 représentent respectivement en vue de dessus et en vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 4 un montage de thyristors selon la présente invention la figure 6 représente en perspective une partie du montage des figures 4 et 5 ; la figure 7 représente en perspective une autre partie du montage de la figure 5 ;; la figure 8 représente un bottier selon la présente invention à une étape presque finale de fabrication ; la figure 9 illustre de façon partielle un montage en parallèle et de type Darlington de transistors selon la présente invention ; la figure 10 représente sous forme de schéma électrique le montage réalisé sous forme matérielle en figure 9. On notera qu'entre ces diverses figures et à l'intérieur d'une même figure, aucune échelle n'a été respectée. En effet, les dimensions des divers éléments pourront simplement être@tre choisies par l'honine de l'art en fonction des normes existantes ou qu'il s'impose pour la configuration externe du bottier. ta figure 1 représente l'aspect externe schématisé d'un bottier du type de celui que vise la présente invention. Ce I bortier, de forme parallélépipédique, comprend une embase métallique l destinée s être fixée sur un radiateur, par exemple l'aide de trous de fixation 2. Sur cette embase) est fixé un capot 3 muni d'un couvercle 4 au sommet duquel apparaissent trois bornes de connexion principales 5, 6 et 7 et deux bornes de connexion auxiliaires 8 et 9. Des composants semiconducteurs sont disposés l'intérieur du bottier en contact thermique avec l'embase 1 et leurs diverses bornes sont interconnectées et/ou reliées aux bornes d'accès 5 S 9 de façon choisie. La présente invention vise plus particulierement la constitution et le procédé d'assemblage des éléments d1intercon- nexion entre les bornes 5 9 et les divers composants semiconducteurs contenus dans le bottier. La présente invention vise également des variantes de réalisation particulières d'éléments constitutifs du bottier. la figure 2 représente un mode de réalisation d'une embase 10 pouvant remplacer l'embase 1 illustrée en figure 1. Cette embase, contrairement l'usage qui consiste S utiliser une plaque très conductrice relativement épaisse pour assurer sa rigidité, est constituée S partir d'une tôle relativement mince et emboutie pour présenter un fond ll, des flancs longitudinaux 12 et des flancs latéraux 13. Les flancs latéraux 13 sont prolongés par des oreilles 14 portant des alésages 15 et destinés à etre repliés selon une ligne 16 indiquée en pointillés. Après repliement, les alésages 15 se trouvent en vis-S-vis d'alésages 17 creusés au fond du bottier. Ceci permet d'assurer la fixation de l'embase sur un radiateur.Dans l'intervalle entre le fond il de l'embase et la partie repliée de l'oreille 14, sera inséré un prolongement du capot plastique tel que le capot 3 de la figure 1 pour aider à son maintien et une entretoise métallique de façon à améliorer la fixation. Cette réalisation emboutie permet d'alléger le bottier, d'utiliser moins de matière et d'employer un matériau de conductivité moyenne, par exemple de l'acier, au lieu de cuivre et donc de réduire doublement les colts de matière. Elle permet en outre de réduire l'épaisseur de l'embase à rigidité égale, donc d'en améliorer la conductivité thermique sans autres inconvénients. Dans une opération de fabrication ultérieure, et dans le cas particulier qui sera décrit maintenant en relation avec les figures 3 à 8 d'un montage de deux thyriators, l'anode de l'un étant reliée 9 la cathode de l'autre, on disposera au fond de l'embase 10 une ou deux plaquettes Isolantes électriquement et conductrices thermiquement, par exemple des plaques d'alumine, les faces de ces plaques étant métallisées pour assurer leur soudabilité. Ensuite, sur ces plaques, on montera une grille de connexion 20, telle que représentée en figure 3 et constituant un mode de réalisation d'un aspect fondamental de la présente invention. Cette grille de connexion 20 est fabriquée par découpe et pliage à partir d'une tôle d'un matériau conducteur, par exemple du cuivre. Après découpe et pliage, la pièce illustrée en figure 3 comprend trois plaquettes ou bras 21, 22, 23. Ces trois bras verticaux sont reliés par des bras transversaux 24 afin d'assurer la tenue de l'ensemble. A leur partie inférieure, chacun des bras est solidaire d'une plaquette ou d'une lamelle repliée orthogonalement à la direction générale du bras. Par exemple, le premier bras 21 est replié à sa portion inférieure en une plaquette 25 et en une lamelle 26 sur des niveaux différents. Le deuxième bras 22 conprend une lamelle repliée 27, en léger décrochement transversal par rapport à ce bras dans l'exemple représenté. Le troisième bras 23 se prolonge par une plaquette repliée 28. Cette plaquette 28 comprend un segment en décrochement 29 dans le plan des bras 21, 22, 23, ce segment en décrochement 29 se prolongeant par une lamelle repliée 30.Chacun des bras 21, 22 et 23 comprend un alésage 31, 32, 33 à sa partie supérieure. Le trait en pointillés 34 figure une ligne de découpe selon laquelle, comme cela sera exposé ciaprès, les bras verticaux 21, 22, 23 sont découpés pour faire sauter les bras transversaux 24 et rendre les divers bras électri quement indépendants. Les plaquettes 25 et 28 ont un role de conducteur électrique et de répartiteur thermique. Les lamelles 27 et 30 ont un roule de conducteur électrique. Par contre, la lamelle 26 m'a ni rôle électrique, ni rôle thermique, mais un rôle mécanique de support pour le montage d'autres éléments de connexion. L'assemblage de composants sur la grille 20 et l'embase 10 va être décrit et représenté plus en détail ci-après en relation avec les figures-4 à 7. Dans la vue de dessus de la figure 4, on peut voir la grille de connexion 20 soudée ou collée par ses deux plaquettes 25 et 28 sur le fond 11 de l'embase 10 par l'intermédiaire de plaquettes 40 et 41 électriquement isolantes et thermiquement conductrices, par exemple en alumine ou une couche isolante unique tel qu'un polyimide. Sur ces plaquettes 25 et 28 servant de répartiteur thermique, sont soudées les anodes de thyristors 42 et 43. Ainsi, les bras 21 et 23 constituent des connexions d'anodes. La cathode du thyristor 42 est reliée par un élément de connexion auxiliaire dont un mode de réalisation sera décrit en relation avec la figure 6, à la lamelle 30 et, par l'élément en décrochement 29 à la plaquette 28.La cathode du thyristor 43 est reliée par un élément de connexion, dont un mode de réalisation est également représenté en figure 6, à la lamelle 27. Ainsi, le bras 22 constitue la connexion de cathodes de l'un des thyristors. La gâchette du thyristor 42 est reliée par un fil de connexion à un élément de connexion 44. De même, la gâchette du thyristor 43 est reliée par un fil conducteur un élément de connexion 45. La figure 6 représente une vue agrandie de la plaquette 28 reposant sur une plaquette d'alumine 41. Le thyristor 43 est préparé de façon à présenter un fil d'accès à la gâchette et une feuille conductrice 47 qui est soudée à sa cathode et à déborder en dehors de la surface semiconductrice. C'est cette partie en débordement qui est soudée à la lamelle 27.De même, une feuille conductrice de cathode 48 du thyristor 42 est soudée à la lamelle 30. Comme on le voit mieux en figure 7, les éléments de connexion 44 et 45 ont, par exemple, une forme en L et seront appelés ci-après, par souci de rationalisation, éléments en L, même si leur forme peut différer de cette forme en L pour satisfaire à des conditions géométriques spécifiques. Ces éléments en L 44 et 45 sont fixés sur la lamelle support 26 avec interposition d'une gaine isolante 50 ayant également une fonction de positionnement des éléments en L. Dans l'exemple représenté, la gaine isolante est constituée d'un élément moulé dans une résine époxy et venant stenclipser sur la lamelle 26. Du côté du bras 21, l'élément isolant comprend une garde 51. Les éléments en L 44 et 45 sont montés sur cette pièce isolante 50, par exemple par des ouvertures de section appropriée prévues au voisinage du coin du L.Les éléments en L 44 et 45 comprennent chacun une première branche (horizontale), respectivement 52 et 53, ou branche de connexion et une deuxième branche (verticale), respectivement 54 et 55, dont la partie supérieure est destinée à servir de borne pour correspondre aux bornes 8 et 9 illustrées en figure l. Au niveau de ces parties supérieures, on prévoira de préférence des alésages 56 et 57 destinés à une connexion plus simple de fils de connexion externes, ou encore ces parties supérieures seront conformées selon des normes établies pour pouvoir s'enficher dans des connecteurs femelles de type Faston. De même, au niveau des branches horizontales, on pourra prévoir de tels alésages (non représentés) pour assurer une connexion plus fiable avec les fils de gâchette.Le matériau cons tituant ces éléments en L 44 et 45 est un matériau conducteur d'électricité, mais pas nécessairement trbs bon conducteur d'électricité. Ces éléments pourront par exemple être découpés dans des tôles d'acier. En effet, il est important qu'ils aient une bonne rigidité et résistance la flexion ou S la torsion, mais il n'est pas nécessaire que leur conductivité électrique soit excellente étant donné qu'ils ne sont destinés qu'à véhiculer des courants de commande, savoir des courants de gâchette dans l'exemple d'un montage de thyristors. Une fois que la grille de connexion 20 a été montée sur l'embase 10 et que les composants semiconducteurs ont été connec- tés de façon appropriée aux diverses parties de la grille de connexion et des éléments en L, on procède à l'encapsulation du bottier. ta figure 8 représente une étape intermédiaire ultérieure de montage. Un capot 60 correspondant au capot 3 de la figure 1 est monté sur l'embase 10. De la résine est coulée pour remplir ce capot et, après découpe des bras de liaison horizontaux 24 selon la ligne 34 (figure 3), un couvercle 61 est posé sur le capot, ce couvercle comprenant des rainures propres laisser passer les bras 21, 22 et 23 et les branches verticales 54 et 55 des éléments en L 44 et 45. Ce couvercle comprend des évidements propres à contenir et S bloquer en rotation des écrous 62 qui sont ensuite enr prisonnés par repliement des pattes 21, 22 et 23. On obtint alors un bottier du type illustré en figure 1, mais d'une fabrication particulièrement simple. La présente invention a été décrite ci-dessus en relation avec un montage de thyristors disposés en série avec accès à leur borne d'interconnexion. Mais, ce bottier est susceptible de nowr breuses autres applications et pourra contenir d'autres types de composants. La figure 9 illustre le montage de plusieurs transistors connectés de la façon représentée sous forme de schéma électrique en figure 10, à savoir trois transistors 70, 71 et 72 en parallèle et un quatrième transistor 73 monté comme un transistor pilote pour que l'ensemble fonctionne en montage Darlington. Ce montage comprend des bornes principales de collecteur 74 et d'émetteur 75, une borne de commande normale 76 et, éventuellement, une borne supplémentaire 77 d'accès direct aux bases des transistors 70, 71 et 72. Selon un aspect de la présente invention, il est envisagé de monter quatre transistors déjà encapsulés dans des bottiers plastiques 80 d'où sortent des connexions de base 81, de collecteur 82 et d'émetteur 83, disposés sur une embase métallique 84. Cette embase métallique est par exemple au potentiel du collecteur 82. Mais, dans certains cas, il pourra s'agir de transistors S collecteurs isolés, il faudra donc modifier de façon appropriée le montage représenté. Dans cette figure 9, on a utilisé autant que faire se peut les mêmes références que dans les figures précédentes. La grille de connexion comprend seulement deux bras principaux 23 et 21. Le bras 23 est relié aux diverses embases ou connexions de collecteur (non visible sur la figure). Le bras 21 est replié S sa partie inférieure en une lamelle transverse 85 à laquelle sont connectés les émetteurs 83 des transistors 70 à 72. L'élément en L 45 est relié aux bases des transistors 70, 71, 72 et à l'émetteur du transistor 73. L'élément en L 44 est relié à la base du transistor 73. Chacun des transistors est monté sur une céramique ou plaquette d'alumine 86. Dans ce mode de réalisaticn, la grille de connexion a une forme distincte de celle de la figure 3, mais on y retrouve les caractéristiques fondamentales importantes de la présente invention, S savoir d'une part le montage en grille des divers bras de connexion, d'autre part le fait que les connexions de commande sont solidaires d'éléments en L fixés par ltintermédiaire d'une pièce isolante 50 sur une lamelle support 26 solidaire de l'un des bras de connexion 21. Ainsi, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes et m'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits. Elle en englobe au contraire les généralisations incluses dans le domaine des revendications ciaprès. REVENDICATIONS. 1. Bottier parallélépipédique pour le montage de plusieurs composants semiconducteurs de moyenne puissance interconnectés, comprenant - comme face inférieure, une embase métallique (10) destinée à être fixée à un radiateur et dont les composants semiconducteurs sont thermiquement solidaires, - comme parois latérales, un capot plastique (60) fixé à l'embase et destiné à être rempli d'un matériau d'encapsulation, - comme paroi supérieure, un couvercle (70) en matière plastique d'où sortent plusieurs bornes principales et deux bornes auxiliaires, les bornes principales comprenant des écrous noyés dans le couvercle, caractérisé en ce que la liaison entre les bornes principales et les zones à connecter est assurée par des bras (21, 22, 23) formés à partir d'une tôle conductrice, pliés à leur partie supérieure au niveau du couvercle pour bloquer les écrous noyés et pliés dans le même sens à leur partie inférieure pour venir en contact ou en regard de zones à contacter par des plaquettes (25, 28) ou des lamelles (27, 30) situées à divers niveaux, et en ce que chacune des bornes auxiliaires est constituée d'une branche (54, 55) d'éléments en L (44, 45) coupés dans une tôle conductrice dont l'autre branche (52, 53) est voisine de zones à contacter des composants semiconducteurs, ces éléments en L étant fixés par l'intermédiaire d'un isolant (50) sur une lamelle support (26) de l'un des bras. 2. Bottier parallélépipédique selon la revendication 1 pour le montage de deux thyristors en série avec accès à leur borne de connexion, caractérisé en ce que le premier bras (21) porte une première plaquette de connexion (25) fixée à la face d'anode du thyristor et une lamelle support (26), en ce que le deuxième bras (22) comprend une première lamelle de connexion (27) destinée à être connectée à la cathode du deuxième thyristor, et en ce que le troisième bras (23) comprend une deuxième plaquette de connexion (28) sur laquelle est soudée la face d'anode du deuxième thyristor, et une deuxième lamelle (30) solidaire de la deuxième plaquette (28) pour assurer la connexion entre cette deuxième plaquette et la cathode du premier thyristor, chacun des éléments en L étant relié à l'une des gâchettes desdits thyristors. 3. Bottier parallélépipédique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'embase (10) est constituée d'une pièce mé- tallique emboutie de façon à comprendre un fond plan (11) et des flancs (12, 13). 4. Bottier parallélépipédique selon la revendication 1 pour le montage de plusieurs transistors en parallèle avec montage Darlington, caractérisé en ce que ces transistors sont initialement sous forme encapsulée et en ce que l'un des éléments en L est relié S la base du transistor pilote et l'autre élément en L est relié aux bases des transistors de puissance et à l'émetteur du transistor pilote, un premier bras étant relié aux collecteurs des transistors et un deuxième bras étant relié aux émetteurs des transistors de puissance.