Brevet FR2577101A1 — publié le 19860808

La présente invention se rapporte à une nouvelle structure de montage pour la fixation de dispositifs semi- conducteurs de puissance tels que des triacs ou des redres- seurs commandés au silicium; elle vise, plus particulière- ment, une nouvelle structure de montage isolante qui permet la fixation du dispositif semi-conducteur d'une manière telle que celui-ci est thermiquement lié à un évacuateur de chaleur placé au-dessous mais en est électriquement iso- lé. Les dispositifs semi-conducteurs de puissance ont de nombreuses applications. Par exemple, on peut les utiliser dans des variateurs muraux du type décrit dans les brevets US 3 746 923 et 3 801 874. Le montage de tels dispositifs semi-conducteurs de puissance nécessite un évacuateur de chaleur relative- ment grand auquel le dispositif est relié de façon à pou- voir être correctement refroidi. Il est également habituel- lement nécessaire que le dispositif semi-conducteur soit électriquement isolé de l'évaciateur de chaleur électri- quement conducteur, afin d'éviter le risque de secousse pour un utilisateur qui viendrait en contact avec l'évacua- teur de chaleur. La structure de montage doit également être facile à fabriquer et suffisamment robuste pour per- mettre la manipulation du dispositif semi-conducteur, par exemple pour le raccordement de conducteurs aux bornes du dispositif, sans provoquer de détérioration mécanique. Certains dispositifs semi-conducteurs sont fa- briqués avec un substrat semi-conducteur contenu dans le dispositif et qui est électriquement isolé de sa surface extérieure conductrice. De tels dispositifs isolés peuvent ensuite être mécaniquement reliés à l'évacuateur de chaleur par une attache appropriée, par exemple une vis ou un ri- vet. Ainsi, le dispositif est isolé électriquement de l"é- vacuateur de chaleur, de façon inhérente. Toutefois, ces dispositifs sont plus coûteux que ceux qui ne comportent pas d'isolation interne et ils ont en général des carac- téristiques de transfert de chaleur moins bonnes que les dispositifs non isolés. Un autre procédé connu de montage de dispositifs semi-conducteurs utilise un disque céramique métallisé qui est d'abord soudé au dispositif puis soudé à une plaque in- férieure en matière conductrice qui est fixée à l'évacua- teur de chaleur. L'opération de métallisation et l'opéra- tion de soudage sont coûteuses et de tels dispositifs ten- dent à être sensibles à la chaleur appliquée lors du sou- dage. On introduit également des interfaces thermiques sup- plémentaires. Il est également connu de fixer des dispositifs semiconducteurs à leur évacuateur de chaleur au moyen d'un ciment à base d'époxy, utilisant une couche mince de ciment, électriquement isolante. Ce procédé demande beaucoup de soin pendant la fabrication et un degré élevé de propreté pour une adhérence mécanique correcte. En ou- tre, les adhésifs sont des conducteurs thermiques médiocres dans ce cas. Il est également connu de prévoir des pinces mécaniques qui pressent le dispositif semi-conducteur con- tre une couche isolante mince insérée entre le dispositif et l'évacuateur de chaleur. Ces pinces doivent avoir une grande surface et elles sont habituellement métalliques, de sorte qu'elles doivent aussi être électriquement iso- lées du dispositif ou de l'évacuateur de chaleur. On connaît d'autres systèmes de liaison utilisant des disques en mica avec des rondelles épaulées en nylon et des vis, mais ils sont inefficaces car le mica est un mauvais conducteur de la chaleur et les rondelles en nylon fluent sous pression, ce qui réduit la force de serrage et la transmission de chaleur. Un dispositif semblable à celui- ci est décrit dans le brevet US 3 801 874, dans lequel une feuille isolante mince est disposée entre un dispositif semi-conducteur à configuration TO-220 et l'évacuateur de chaleur. L'orifice dans la patte de fixation du disposi- tif TO-220 est aligné avec un orifice de la feuille iso- lante et un orifice de l'évacuateur de chaleur, et on utilise une vis conductrice unique pour comprimer ensemble les trois composants. Une rondelle épaulée,électriquement isolante,est nécessaire pour assurer l'isolation électri- que entre la vis conductrice et la patte conductrice de l'ensemble semiconducteur. Un collet isolant déformable garnit les intervalles d'air restant dans la structure de montage. Il faut donc un grand nombre d'éléments séparés. La présente invention a pour objet d'éviter les divers inconvénients ci-dessus. Conformément à la présente invention, une feuille rigide mince, de préférence conductrice de la chaleur, élec- triquement isolante, est interposée entre la surface con- ductrice plane d'un dispositif semi-conducteur de puissan- ce et un évacuateur de chaleur électriquement conducteur. On utilise ensuite deux fixations mécaniques conductrices, latéralement espacées, l'une pour fixer la feuille isolan- te au dispositif semi-conducteur en contact étendu de sur- face à surface, et l'autre pour fixer seulement la feuille isolante à l'évacuateur de chaleur. La feuille isolante est suffisamment rigide pour se maintenir d'elle-même, en porte-à-faux, contre l'évacuateur de chaleur. La partie du premier rivet qui se prolonge au- delà de la feuille isolante,dans sa fonction de liaison de la feuille isolante au dispositif semi-conducteur,se loge dans un orifice plus grand de l'évacuateur de chaleur, de sorte que cet élément métallique de fixation n'est pas électriquement relié à l'évacuateur de chaleur. On utilise de préférence des rivets à expansion pour les éléments de fixation, bien qu'on puisse utiliser tout type d'attache usuelle. Les orifices dans la plaque céramique isolante, qui reçoivent la fixation conductrice, sont de préférence Z577101 agrandis de sorte que des forces radiales ne peuvent pas être transmises de l'élément de fixation à l'orifice et qu'il n'y a donc pas de contrainte de cisaillement sur la plaque. La plaque peut être réalisée en matière céramique relativement mince, pour améliorer le transfert de chaleur. La plaque céramique peut être fabriquée par poinçonnement ou moulage à l'état vert avant cuisson. Les orifices pré- formés permettent la mise en place automatique répétitive du semiconducteur lors de sa fixation d'abord à la plaque isolante puis à l'évacuateur de chaleur. L'emploi nouveau d'une feuille isolante unique pour isoler le dispositif semi-conducteur de l'évacuateur de chaleur minimise le nombre d'interfaces thermiques et c'est une caractéristique importante de l'invention. Bien que l'invention nécessite deux éléments de fixation, tels que des rivets ou des oeillets, le coût de montage est di- minuépuisque ce sont des éléments peu coûteux,disponibles dans le commerce. En fonctionnement, des forces de serrage constantes sont maintenues pendant une longue durée de ser- vice,dans une grande plage de température. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de ses modes de réalisation, non limitatifs, représentés sur les dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue en perspective d'un disposi- tif semi-conducteur de puissance du type TO-220 qui est monté sur un évacuateur de chaleur sousjacent, conforme à l'invention; Fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; et Fig. 3 est une vue en perspective éclatée d'un deuxième mode de réalisation de l'invention, appliqué au montage d'un dispositif semi-conducteur de puissance à téton. On se reporte d'abord à la figure 1 qui repré- sente une structure de montage pour un dispositif semi- conducteur de puissance 10 qui comporte un boîtier de type TO-220 bien connu. Le dispositif semi-conducteur 10 peut comporter, de façon usuelle, deux câbles de puissance 10a et 10b et un conducteur 10c d'électrode de commande, comme représenté sur la figure 1. Chacun de ces câbles est électriquement isolé d'une patte 10d thermiquement conductrice qui part du boîtier 10e d'encapsulage plastique du dispo- sitif. Un substrat semi-conducteur (non représenté) est encapsulé dans le boîtier 10e et il est électriquement raccordé aux bornes 10a, 10b, 10c et à la patte conductri- ce 10d. De façon usuelle, la patte 10d est traversée par un orifice central de montage 10f (figure 2). Il est prévu une seule feuille isolante 11 en céramique, qui peut être en alumine, d'une épaisseur de 1,0 millimètre, d'une lar- geur de 13,7 mm et d'une longueur de 31,7 mm. Il est en- tendu que d'autres dimensions et épaisseurs de plaque peu- vent être utilisées, si nécessaire, par le concepteur. La plaque d'alumine 11 a pour caractéristiques d'avoir de bonnes propriétés d'isolatiQn,électrique et une bonne con- ductivité thermique. On peut utiliser d'autres matières ayant des propriétés similaires. La plaque 11 comporte deux orifices 18 et 19 de diamètre agrandi (figure 1). Par exemple, ces orifices peuvent avoir des diamètres de 2,6 mmn chacun. Les orifices peuvent être formes dans la céramique par usinage, ou bien ils peuvent être formés lorsque la plaque est verte et avant cuisson. Il est également prévu un support conducteur principal 13 de montage. De façon typique, dans le cas d'un variateur mural, le support 13 est la plaque conductrice du variateur qui porte les composants, comme décrit dans le brevet 3 746 923. De préférence, la plaque 13 est en aluminium d'une épaisseur de 2,5 mm, mais elle peut être en d'autres matières, avec d'autres épaisseurs et configu- rations. Afin de refroidir correctement le dispositif semi-conducteur 10 pendant son fonctionnement, il est né- cessaire que le dispositif 10 soit solidement fixé à la feuille céramique 11 et à la plaque 13 d'évacuateur de chaleur, thermiquement et électriquement conductrice. L'é- vacuateur de chaleur comporte donc deux orifices traver- sants 20 et 21 qui reçoivent des rivets conducteurs de fi- xation, comme décrit ci-après. Un premier élément de fixa- tion 12 électriquement conducteur est représenté sur les figures 1 et 2, sous la forme d'un rivet à expansion com- prenant un rivet 13a de plus grand diamètre, une tige 13b de plus petit diamètre et une deuxième tête 13c de plus grand diamètre qui se trouve au-dessus de la patte élec- triquement conductrice 10d du dispositif semi-conducteur 10. Le rivet 12 peut être un rivet à expansion, en métal, d'un type disponible dans le commerce, dans lequel la tige 13d est élargie à son extrémité 13c au moyen d'un mandrin d'expansion approprié qui est illustré en position par un mandrin 13d sur la figure 2. Le dispositif représenté exerce une force de com- pression élevée entre la feuille céramique 11 et la patte conductrice 10d, de manière à relier solidement ces parties en contact de surface à surface. L'orifice 20 de la plaque 13 est assez grand pour ne pas venir en contact électrique avec une partie quelconque de la tête de rivet 13a. Le diamètre extérieur de la tige 13b est volontairement plus petit que le diamètre de l'orifice 18. Par conséquent, il n'est pas possible de transmettre des forces radiales dues à l'expansion du diamètre de la tige 13b pendant la forma- tion de la tête 13c. Dans un mode de réalisation représen- tatif de l'invention, le rivet 12 a une longueur de 5,4mm et un diamètre de tige de 2,4 mm, la tête 13a ayant un dia- mètre de 4,8 mm. On utilise un deuxième rivet 14 pour relier la feuille 11 et l'évacuateur de chaleur 13 en contact solide 2577 101 de surface à surface, d'une manière semblable à celle qui a été décrite pour le rivet 12. Ainsi, le rivet 14 comprend une tête 15a, une tige 15b et une tête 15c. La tête 15c est formée au moyen d'un mandrin pour rivet à expansions du type décrit plus haut. Le rivet 14 fixe alors solidement la feuille 11 à l'évacuateur de chaleur 13. Il faut noter que le diamètre extérieur de la tige 15b est sensiblement inférieur au diamètre de l'orifice 19, pour éviter la transmission d'efforts de cisaillement à la feuille céra- mique 11 pendant la formation de la tête de rivet 15c. Avant d'assembler les diverses parties,de la manière illustrée, on peut appliquer une graisse conduc- trice usuelle entre les surfaces opposées, afin d'amélio- rer la transmission de chaleur de la patte conductrice 10 à la feuille 11 et de la feuille 11 à l'évacuateur de cha- leur 13. Si on le désire, on peut remplir l'orifice 20 de l'évacuateur de chaleur 13 avec du brai, de l'époxy ou du caoutchouc de silicone ou toute matière analogue, pour isoler complètement la tête électriquement active 13a du rivet 12. Cela est particulièrement nécessaire si la sur- face avant 23 de l'évacuateur de chaleur 13 risque d'être touchée par un opérateur ou un utilisateur du dispositif. La surface arrière 24 peut être protégée de façon usuelle par le couvercle arrière d'un variateur mural ou d'un ap- pareil analogue. Bien que des rivets à expansion soient les élé- ments de fixation préférés, comme représenté sur les figu- res 1 et 2, il est entendu que la présente invention peut être mise en oeuvre avec d'autres types de rivets,oeillets, vis ou attaches en matière conductrice ou en matière iso- lante. La figure 3 illustre un deuxième mode de réali- sation de l'invention, dans lequel le principe de l'in- vention est mis en oeuvre pour le montage d'un dispositif semi-conducteur de puissance à téton,au lieu de l'ensemble du type TO-220 représenté sur les figures 1 et 2. Ainsi, sur la figure 3, un dispositif semi-conducteur 26 du type à montage par téton usuel comporte une collerette en cuivre 26a qui présente une surface annulaire plane (non repré- sentée) entourant une vis solidaire 27 en cuivre qui cons- titue un téton 28. La surface annulaire plane est dispo- sée dans un plan parallèle à l'axe du téton 28. Le dispo- sitif semi-conducteur 26 peut comporter une borne de ca- thode 26b et une borne de porte 26c. L'anode du dispositif peut être la collerette ou la partie conductrice 26a lors- que le dispositif est, par exemple, un redresseur au sili- cium commandé. Un bloc mince 29 en alumine est ensuite prévu comme élément électriquement isolant mais thermiquement conducteur, analogue à la feuille 11 des figures 1 et 2. Le bloc d'alumine 29 comporte en son centre un orifice agrandi 30, suffisamment grand pour recevoir avec jeu le téton 28, ce qui évite le contact entre les parois de l'orifice 30 et le téton 28 après installation du dispo- sitif. Un écrou 31 est vissé sur le filetage 27 de ianière à fixer le dispositif 26 au bloc 29. On fixe ensuite la plaque d'alumine ou bloc 29 à un évacuateur de chaleur 32 qui peut avoir toute-configu- ration désirée, à condition de présenter une surface qui corresponde à la surface opposée de la plaque d'alumine 29. Ainsi, une pluralité d'orifices 34 prévus dans la plaque 29 reçoivent des vis de fixation respectives 33,avec un jeu suffisant pour éviter de transmettre un effort à la plaque. Les vis 34 se vissent dans des trous taraudés res- pectifs 36 de l'évacuateur de chaleur 32. Un autre orifice 35 est ménagé dans l'évacuateur de chaleur 32, de manière à laisser un jeu et à empêcher le contact entre l'évacuateur de chaleur 32 et l'écrou 31. Il est entendu que des modifications peuvent être appor- tées dans la construction du dispositif,sans sortir de l'invention. Revendications 1. Structure de montage pour un dispositif semi- conducteur de puissance (10) d'un dispositif de réglage de tension à bottier mural, ce dispositif semi-conducteur présentant une surface de montage plane (10d) électrique- ment conductrice, cette surface de montage conductrice plane comportant un premier orifice traversant (10f) à axe perpendiculaire à la surface plane de montage, caractéri- sée en ce qu'elle comprend: une feuille isolante (11) min- ce, mécaniquement rigide, qui est coextensive à au moins une partie de la surface plane de montage; un évacuateur de chaleur (13) présentant une surface plane qui est coex- tensive à au moins une partie de la feuille isolante; un premier et un deuxième éléments métalliques de fixation (12,14); la feuille isolante comportant un deuxième (18) et un troisième (19) orifices traversants, latéralement espacés; l'évacuateur de chaleur comportant un quatrième (20) et un cinquième (21) orifices traversants; les pre- mier (10f) et deuxième (18) orifices étant mutuellement alignés; le premier élément de fixation (12) traversant les premier et deuxième orifices et appliquant une force de compression entre le dispositif semiconducteur (10) et la feuille isolante (11) de manière à presser l'une contre l'autre leurs surfaces en contact; le quatrième orifice (20) étant aligné avec les premier et deuxième orifices; le premier élément de fixation s'étendant dans le quatrième orifice mais étant espacé de ses parois et étant donc électriquement isolé de l'évacuateur de chaleur; les troisième (19) et cinquième (21) orifices étant mutuel- lement alignés; et le deuxième élément de fixation (14) s'étendant à travers les troisième et cinquième orifices et appliquant une force de compression entre la feuille isolante et l'évacuateur de chaleur, de manière à presser l'une contre l'autre leurs surfaces en contact. 2. Structure suivant la revendication 1, carac- térisée en ce que les premier et deuxième éléments de fi- xation comportent chacun des têtes de plus grand diamètre à chaque extrémité, ces éléments de fixation étant de pré- férence des rivets à expansion. 3. Structure suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif semi-conducteur est un ensemble semi-conducteur du type TO-220. 4. Structure suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la feuille isolante est une céramique thermiquement conductrice et électrique- ment isolante. 5. Structure de montage pour un dispositif semi- conducteur (26), caractérisée en ce qu'elle comprend: un évacuateur de chaleur comportant un orifice agrandi (35), une feuille isolante mince (29) présentant une première et une deuxième surfaces sensiblement parallèles et qui est coextensive à une région donnée de l'évacuateur de chaleur et un premier (27) et un deuxième (33) éléments conducteurs de fixation, le premier élément conducteur de fixation traversant le dispositif semi-conducteur et la feuille isolante et comprimant ladite première surface de la feuille isolante contre une surface conductrice plane opposée du dispositif semi-conducteur, une partie(28)du premier élément conducteur de fixation s'étendant au-delà de la deuxième surface de la feuille isolante et pénétrant dans l'orifice agrandi de l'évacuateur de chaleur mais sans toucher les parois de cet orifice, le deuxième élément con- ducteur de fixation s'étendant à travers la feuille isolan- te et dans au moins une partie de l'évacuateur de chaleur et comprimant ladite deuxième surface en contact avec l'é- vacuateur de chaleur, de sorte que le dispositif semi- conducteur est mécaniquement fixé à l'évacuateur de chaleur et en est électriquement isolé mais est thermiquement relié à cet évacuateur à travers la feuille isolante, et de sorte qu'aucun moyen supplémentaire d'isolation n'est nécessaire pour les premier et deuxième éléments conducteurs de fixa- 1 1 tion. 6. Structure suivant la'revendication 5, caracté- risée en ce que le dispositif semi-conducteur (26) est un ensemble semi-conducteur de type TO-220. 7. Structure suivant la revendication 5, carac- térisée en ce que le dispositif semi-conducteur (26) com- porte une collerette conductrice (26a) sous laquelle fait saillie un téton 28, ce téton constituant une partie du premier élément conducteur de fixation. 8. Structure suivant l'une des revendications à 7, caractérisée en ce que la feuille isolante est une céramique thermiquement conductrice et électriquement iso- lante. 9. Structure suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les premier et deuxième élé- ments métalliques de fixation comprennent des tiges de dia- mètres donnés qui connectent leurs têtes de plus grand dia- mètre, lesdits diamètres donnés étant inférieurs aux diamè- tres des deuxième (18) et troisi lème (19) orifices de la feuille isolante, de sorte qu'aucun effort radial n'est appliqué par les premier et deuxième éléments de fixation à la feuille isolante. 10.Structure suivant la revendication 5, carac- térisée en ce que la feuille isolante comporte des orifi- ces traversants préformés (30,34) dans lesquels passent les premier et deuxième éléments de fixation, la périphé- rie des parties des dits éléments de fixation qui s'é- tendent dans lesdits orifices étant espacée des périphé- ries respectives de ces orifices de sorte qu'aucun effort radial n'est appliqué par les éléments de fixation à la feuille isolante.