Brevet FR2604827A1 — publié le 19880408

Dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance. La présente invention concerne un dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance, comprenant au moins un élément métallique formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant électriquement isolant à vaporisser, en contact thermique indirect avec au moins une face de semi-conducteur, au moins un élément de condensation des vapeurs du liquide réfrigérant, en le même métal que l'élément formant récipient de vaporisation, disposé au-dessus de ce dernier, et de surface externe formant surface d'échange de chaleur avec un fluide plus froid que la vapeurs du réfrigérant, et un élément intermédiaire de mise en communication de ces deux éléments. Il est décrit dans le document US-A-4036291 un dispositif de refroidissement par vaporisation de semi-conducteurs, comprenant des éléments formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant tel qu'un hydrocarbure fluoré, disposés en sandwich entre les semiconducteurs à refroidir, des éléments formant condenseur, disposés individuellement au-dessus de chaque élément formant récipient, et pourvus d'ailettes d'échange de chaleur avec un fluide externe tel que l'air, chaque condenseur étant relié à chaque élément formant récipient de vaporisation par deux tubes coaxiaux, un tube externe de circulation du fluide partiellement vaporisé vers le condenseur, et un tube interne de retour du fluide réfrigérant reliquifié dans l'élément formant récipient de vaporisation.Un tel dispositif n'assure pas l'isolation électrique entre l'élément formant récipient, en contact avec les semi-conducteurs, et l'élément correspondant formant condenseur. Il est par ailleurs d'une certaine complexité de fabrication, puisqu'il comporte deux tubes de communication entre l'élément formant récipient de vaporisation et le condenseur correspondant, qui doivent être maintenus coaxiaux avec une bonne précision pour assurer un fonctionnement régulier. Il a déjà été proposé par ailleurs dans le document US-A-402o399 de munir des tubes de communication entre des éléments de vaporisation intercalés entre des semi-conducteurs et un collecteur commun disposé au-dessous d'un condenseur de bagues en matériau électriquement isolant, assurant ainsi l'isolation électrique entre les éléments de vaporisation et le collecteur. Toutefois, le fait de disposer de telles bagues dans les tubes de communication rend leur fabrication encore plus complexe et plus coûteuse. La présente invention a pour but de procurer un dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance, qui soit de structure simple et de fabrication facile et peu coûteuse, et qui évite les contraintes thermiques et mécaniques en fonctionnement ou lors de la mise en place des semi-conducteurs. Le dispositif de refroidissement selon l'invention est caractérisé en ce que l'élément intermédiaire est en totalité en un matériau électriquement isolant et de coefficient de dilatation thermique voisin de celui des deux éléments métalliques. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Le matériau de l'élément intermédiaire est une résine synthétique époxy. - L'élément intermédiaire est obtenu par surmoulage sur les deux éléments métalliques. - Le matériau de l'élément intermédiaire est une céramique, et celui-ci est assemblé par brasage sur les deux éléments métalliques. - L'élément de condensation est formé par au moins un tube muni d'au moins une ailette hélicoldale externe repoussée. Ceci assure une meilleure conduction calorifique qu'un tube muni d'ailettes brasées ou serties, par ailleurs plus coûteux. - L'élément de condensation est formé par une pluralité de tubes munis d'au moins une ailette hélicoldale externe repoussée. - L'élément de condensation est formé par au moins un tube comportant une strie hélicoidale interne. - Le tube muni d'une ailette externe repoussée comporte à son extrémité supérieure un embout soudé fermé par écrasement de son extrémité, après remplissage en liquide réfrigérant de l'élément métallique formant récipient et mise sous vide. - Le tube muni de l'ailette externe est incliné par rapport à l'horizontale de 100 à 900. - L'élément métallique formant récipient et l'élément intermédiaire sont disposés à l'intérieur d'une enceinte étanche, et l'élément intermédiaire est relié à cette enceinte étanche par un joint. Ceci permet d'éviter une pollution des éléments sous tension, et des amorçages éventuels, ou un nettoyage périodique de ces éléments. - L'élément métallique formant récipient de vaporisation, l'élément intermédiaire et l'élément de condensation forment un ensemble rigide. Il est décrit ci-après, à titre d'exemples et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs de refroidissement de semiconducteurs de puissance selon l'invention, utilisant comme fluide réfrigérant un hydrocarbure fluoré. La figure 1 représente en élévation avec coupe partielle un dispositif de refroidissement d'un semi-conducteur. La figure 2 représente schématiquement en élévation un ensemble de semi-conducteurs munis de diverses variantes de dispositif de refroidissement. La figure 3 représente une coupe selon l'axe III-III de la figure 2. Dans la figure 1, l'élément 1 formant récipient de vaporisation du fluide frigorifique 3, en aluminium, est relié à l'élément tubulaire de condensation 2, également en aluminium, par élément intermédiaire #, de forme tubulaire, en matière céramique brasée sur l'embout d'extrémité 18 du récipient de vaporisation et sur l'extrémité 19 de l'élément tubulaire de condensation. Le récipient de vaporisation 1 est maintenu en contact avec une face du semi-conducteur de puissance 11 par pression entre deux flasques d'extrémité 5A, 5B situés de part et d'autre des récipients de vaporisation. Les deux flasques sont reliés par des tirants 6 assemblés par des écrous 7 et forment un ensemble indéformable.La pression de contact nécessaire pour établir un bon contact électrique et thermique est obtenue par vissage de la vis de pression 8 sur le flasque 5B, qui vient comprimer un ensemble de rondel les élastiques 9. Des cales isolantes 10 disposées sur les faces externes des récipients de vaporisation assurent l'isolation électrique de l'ensemble formé par le semi-conducteur et les récipients de vaporisation. L'ensemble ainsi constitué est suspendu à une platine 12 qui assure la séparation physique entre l'enceinte 13 entourant les éléments à maintenir dans une ambiance propre et le flux d'air de refroidissement des tubes de condensation insufflé au contact de ces tubes, dont l'écoulement est représenté par la flèche 14, cet air étant chargé de poussières telles que 15. La suspension de l'ensemble dans l'enceinte 13 est assurée par des vis 16 et des rondelles 17. L'élément tubulaire de jonction 4 est relié d'un côté au récipient de vaporisation 1 par l'embout 18 en partie supérieure de ce dernier, et de l'autre côté à l'extrémité inférieure 19 de l'élément tubulaire de condensation 2. Par ailleurs, une collerette 20 disposée sur le pourtour de l'élément tubulaire de jonction est munie d'un joint en élastomère 21 venant prendre appui sur la platine 12, qui assure l'étanchéité de l'enceinte 13 à l'encontre des poussières véhiculées par l'air de réfrigération. Le fond de l'enceinte 13 est fermé par une tôle plane 22 reliée à la platine 12 avec interposition d'un joint 23. Deux câbles représentés par leurs extrémités 24A, 243, assurent l'alimentation électrique du semi-conducteur sur des méplats 25A, 25B situés en partie basse des récipients de vaporisation. Le tube de condensation 2 comporte une double ailette hélicoidale repoussée 26, 26A. Son extrémité supérieure est formée par un embout soudé 30 dont la pointe supérieure 31 est fermée par pincement. L'étanchéité peut être parfaite par un point de soudure sur la partie pincée. Le tube 2 est creusé sur son pourtour interne d'une strie intérieure 27 de guidage des gouttes de fluide réfrigérant telles que 29 condensées au contact de la paroi, évitant un reflux direct de celles-ci vers le récipient vaporisateur et permettant d'améliorer encore l'échange de chaleur avec l'air de réfrigération et d'assurer un certain sous-refroidissement du fluide condensé. Lors du remplissage du dispositif en fluide frigorifique, on verse par l'extrémité supérieure de l'embout la quantité nécessaire de fluide. On fait le vide sur le tube et ferme l'embout, en pinçant sa partie supérieure, puis ajoute un point de soudure le cas échéant. L'inclinaison par rapport à l'horizontale du tube de condensation sera de préférence entre 100 et 900, de façon à assurer une bonne réfrigération par le flux d'air externe et un reflux convenable du fluide de réfrigération vers le récipient de vaporisation. La figure 2 représente schématiquement l'assemblage de trois semiconducteurs en série 11, 11A, 113. On utilisera par exemple deux dispositifs 32, 33 dont l'élément de condensation 42, 43 est constitué par un tube, et, pour les dispositifs du milieu, devant évacuer plus de calories des semi-conducteurs, un dispositif 34 dont le tube de condensation 44 est rallongé, et un dispositif 35 dont l'élément de condensation 45 comporte deux tubes en parallèle (voir figure 3). Le montage, le serrage et la protection contre la pollution sont assurés de la même manière que décrit à propos de la figure 1. La figure 3 représente une coupe selon l'axe III-III de la figure 2. L'élément de condensation est cette fois constitué de deux tubes à ailettes en parallèle 45A, 45B. L'élément intermédiaire 42 de jonction du récipient de vaporisation 41 et des tubes 45A, 45B, est de dimension dans le plan de la figure supérieure à sa dimension perpendiculaire au plan de la figure, du fait de la présence des deux tubes. Cet élément est en matière plastique électriquement isolante surmoulée sur le pourtour supérieur du récipient de vaporisation et sur les extrémités inférieures des tubes. Bien que le matériau préféré du récipient de vaporisation et des tubes de condensation soit l'aluminium, en raison de sa légèreté, de sa bonne conductibilité thermique et de la facilité d'obtenir une ailette hélicoidale par repoussage, on peut le remplacer par un autre métal conducteur tel que le cuivre. REVENDICATIONS : 1/ Dispositif de refroidissement par vaporisation pour semi-conducteurs de puissance, comprenant au moins un élément métallique (1) formant récipient de vaporisation pour un liquide réfrigérant électriquement isolant à vaporiser (3), en contact thermique indirect avec au moins une face de semi-conducteur (11), au moins un élément (2) de condensation des vapeurs du liquide réfrigérant, en le même métal que l'élément formant récipient de vaporisation, disposé au-dessus de ce dernier, et de surface externe (16) formant surface d'échange de chaleur avec un fluide plus froid que les vapeurs du réfrigérant, et un élément intermédiaire (4) de mise en communication de ces deux éléments, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire (4) est en totalité en un matériau électriquement isolant et de coefficient de dilatation thermique voisin de celui des deux éléments métalliques. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'élément intermédiaire (4) est une résine synthétique époxy. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire est obtenu par surmoulage sur les deux éléments métalliques. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de l'élément intermédiaire est une céramique, et en ce que celui-ci est assemblé par brasage sur les deux éléments métalliques. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'élément de condensation est formé par au moins un tube (2) muni d'au moins une ailette hélicofdale externe repoussée (26). 6/ Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'élément de condensation est formé par une pluralité de tubes (45A, 45B) munis d'au moins une ailette hélicordale externe repoussée. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de condensation est formé par au moins un tube comportant une strie hélicofdale interne (17). 8/ Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le tube muni d'une ailette externe repoussée comporte à son extrémité supérieure un embout soudé (30) fermé par écrasement de son extrémité (31), après remplissage en liquide réfrigérant de l'élément métallique formant récipient et mise sous vide. 9/ Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le tube muni de l'ailette externe est incliné par rapport à l'horizontale de 100 à 900. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément métallique formant récipient et l'élément intermédiaire sont disposés à l'intérieur d'une enceinte étanche (12), et en ce que l'élément intermédiaire est relié à cette enceinte étanche par un joint (21). 11/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'élément métallique formant récipient de vaporisation (1) l'élément intermédiaire (4) et l'élément de condensation (2) formant un ensemble rigide.