Brevet FR2614469A1 — publié le 19881028

"Dispositif de refroidissement, en particulier pour semi-conducteur de puissance" La présente invention concerne un dispositif de refroidissement, en particulier pour semi-conducteur de puissance. D'une manière générale, un semi-conducteur de puissance est monté dans un boîtier qui en plus de son rôle de support mécanique pour la pastille de silicium, permet d'évacuer vers l'extérieur, notamment par rayonnement et par convection naturelle, la chaleur dissipée par le semi-conducteur. La structure des boîtiers varie notamment en fonction de l'intensité des courants qui traversent les semi-conducteurs. Pour des courants importants avec des pastilles de silicium à partir d'environ 20 à 30 mm de diamètre, les boîtiers couramment utilisés, notamment sous la dénomination "press-pack", comportent un disque en molybdène sur lequel est soudée la pastille de silicium, l'ensemble ainsi formé étant inséré entre deux rondelles de cuivre qui sont respectivement aux potentiels de l'anode et de la cathode du semi-conducteur et maintenues par un élément annulaire en céramique formant le boîtier étanche Un radiateur, généralement à ailettes, est fixé ensuite par l'utilisateur sur chaque rondelle de cuivre.Le dispositif est complété par des moyens de serrage, tels que des tirants à vis, montés entre les deux radiateurs pour assurer la pression de contact aux surfaces de jonction entre les radiateurs et les rondelles de cuivre, et ainsi réduire la résistance thermique de contact. Ce type de montage présente des inconvénients liés notamment à la présence des deux radiateurs qui augmentent notablement son encombre#ment, et à la nature du dispositif de serrage qui ne permet pas toujours d'appliquer des forces de serrage déterminées et uniformément réparties aux surfaces de jonction entre les radiateurs et les rondelles de cuivre. Enfin, dans le cas ou l'on augmente l'évacuation de la chaleur par convection forcée au moyen d'un ventilateur, la quantité de poussières qui vient s'accumuler sur les ailettes des radiateurs, est d'autant plus importante que les radiateurs sont respectivement portés aux potentiels de 1 anode et de la cathode du semi-conducteur. De plus, pour une utilisation en extérieur, avec risques d'aspersion et de projection de neige, cas des engins de traction, il est nécessaire de rendre étanche l'espace entre les deux radiateurs afin d'éviter des amorçages électriques entre les potentiels d'anode et de cathode. D'une manière générale, l'invention a pour objet de pallier ces inconvénients et présente en outre d'autres avantages. D'une manière plus précise, l'invention propose un dispositif de refroidissement, en particulier pour semiconducteur de puissance monté dans un boîtier ayant deux faces planes parallèles respectivement portées aux potentiels de l'anode et de la cathode dudit semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend deux parties respectivement en contact avec les deux faces planes dudit boîtier et disposées de part et d'autre d'une surface de jonction recouverte d'une couche électriquement isolante pour isoler lesdites parties, et suffisamment mince et étendue pour offrir une résistance thermique la plus basse possible et permettre un transfert de chaleur de l'une des parties dudit dispositif vers l'autre partie équipée d'un radiateur. Cette couche qui doit satisfaire les propriétés précitées est constituée, selon une forme de réalisation de l'invention, par une feuille ou film de matière plastique telle qu'une résine polyimide, en particulier celle commercialisée sous la marque "Kapton". En variante elle peut être en une résine polyester du type thermoplastique, en particulier celle commercialisée sous la marque "Mylar", ou en une gomme silicone, ou en un composite d'isolants, ou en un composite métal/isolant/métal le métal protégeant le film isolant lorsque son épaisseur est inférieure à 50 microns, ou en une couche isolante en céramique réalisée par dépôt ou en plaque. Selon une autre caractéristique de l'invention, le radiateur est fixé a l'une des parties du dispositif de refroidissement avec interposition d'une couche électriquement isolante pour l'isoler électriquement du semi-conducteur. Cette couche doit aussi être suffisamment mince et s'étendre sur toute la surfacé de jonction entre le radiateur et le dispositif de refroidissement pour offrir une résistance thermique la plus basse possible. Avantageusement, cette couche est également constituée par une feuille du type précité d'une épaisseur d'environ 50 microns. Selon un autre aspect de l'invention, le boîtier du semi-conducteur est serré entre les deux parties du dispositif de- refroidissement par l'intermédiaire de moyens élastiques qui exerçent une force de pression ajustable suivant le type de boîtier du semi-conducteur, agissant perpendiculairement aux faces planes du boîtier et dont l'amplitude est réglée par une simple butée mécanique. D'autres avantages, caractéristiques et détails ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin annexé donné à titre d'exemple qui est une vue en élévation coupée d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention. En référence au dessin, le dispositif de refroidissement 1 est monté sur un semi-conducteur de puissance 2 tel qu'un thyristor par exemple. D'une manière classique, la pastille de silicium 2a du semi-conducteur 2 est logée dans un boîtier 3 constitué par deux rondelles de cuivre 3a, 3b disposées de part et d'autre de la pastille de silicium et respectivement portées aux potentiels de l'anode et de la cathode du thyristor 2. Les deux rondelles 3a, 3b du boîtier 3 présentent respectivement deux faces planes 4a, 4b parallèles destinées à être en contact avec le dispositif de refroidissement 1. Cet ensemble est entouré d'un cylindre isolant 5 en céramique raccordé aux rondelles 3a, 3b par des coupelles de fixation élastique Sa, Sb, respectivement. A titre d'exemple, le thyristor 2 sur lequel est monté le dispositif de refroidissement est utilisé avec les caractéristiques suivantes tension anode-cathode de 1200 volts, intensité 350 ampères, avec une dissipation de 900 watts. Cette dernière valeur n'est pas une limite. Le dispositif de refroidissement 1 comprend deux parties 1A, 1B rapportées de part et d'autre du boîtier 3. La partie 1A du dispositif de refroidissement est constituée par une semelle 6 électriquement conductrice, telle qu'une rondelle de cuivre, qui présente au moins une face plane 6a sur laquelle repose la surface plane 4a du boîtier 3. Un radiateur 7 est fixé sur l'autre face 6b également plane de la semelle 6 avec interposition d'une couche isolante 8 pour isoler électriquement le radiateur 7 de la semelle 6. Cette couche 8 doit également avoir une épaisseur faible et s'étendre sur une surface la plus grande possible pour offrir une résistance thermique la plus basse possible. En effet, la puissance transmise par conduction thermique à travers une surface de jonction entre deux éléments solides bons conducteurs thermiques est roportionnelle à la surface de jonction et inversement proportionnelle à l'épaisseur de cette surface de jonction. Autrement dit, la quantité de chaleur transférée entre la semelle 6 et lc radiateur 7 est d'autant plus importante que la résistance thermique de contact est faible. Comme le radiateur 7 doit être isolé électriquement de la semelle 6 et qu'un matériau électriquement isolant est normalement mauvais conducteur de chaleur, il est nécessaire de jouer sur l'épaisseur de l'isolant et sur l'étendue de la surface de jonction entre la semelle 6 et le radiateur 7 pour abaisser la résistance thermique de contact. Pour ces raisons, la semelle 6 s'étend sur une surface assez importante pour augmenter sa surface de jonction avec le radiateur 7. Cette couche 8 à la jonction entre la semelle 6 et le radiateur 7 est avantageusement réalisée sous la forme d'une feuille d'une épaisseur de 50 microns environ et constituée en une matière plastique telle qu'une résine polyimide, en particulier celle commercialisée sous la marque "Kapton". Le radiateur est fixé à la semelle 6 par des vis 9, soit convenablement isolées, soit elles-mêmes constituées en un matériau isolant pour maintenir l'isolation électrique entre la semelle 6 et le radiateur 7. La partie 1B du dispositif de refroidissement 1 est constituée par un poussoir massif 10 monté coulissant juste dans un guide cylindrique 11 terminé à une extrémité par une collerette lia et fermé à son autre extrémité par un couvercle amovible 12. Le poussoir 10 et le guide 11 sont en un matériau électriquement conducteur, tel que du cuivre, alors que le couvercle 12 peut être en matériau isolant. Le guide cylindrique 11 est monté autour du boîtier 3 de manière à venir en contact par la surface d'extrémité annulaire plane de sa collerette lia, avec la face plane 6a de la semelle 6 suivant une surface d-e jonction annulaire recouverte d'une couche isolante 13 Cette couche 13, électriquement isolante pour isoler 1 guide il de la semelle 6, doit aussi présenter une épaisseur suffisamment faible et "tendrc sur une surface plus grande possible, grâce à la collerette lia, pour offrir une résistance thermique la plus basse possible. La couche 13 est par exemple constituée par une feuille du même type que la couche 8 précitée et d'une épaisseur de 50 microns environ. Le guide cylindrique il est solidarisé à la semelle 6 au moyen de vis 15 montées chacune dans un trou prévu dans la collerette lia et dans un trou borgne correspondant de la semelle 6. Pour maintenir l'isolation électrique entre le guide 11 et la semelle 6, chaque vis 15 est montée dans un guide 16 en matière isolante. Le poussoir massif 10, de forme cylindrique, vient en contact par sa surface d'extrémité plane 10a avec la face plane 4b du boîtier 3, contact qui est soumis à une force de pression exercée sur le poussoir 10 perpendiculairement aux faces planes 4b du boîtier 3 et 10a du poussoir 10 par des moyens élastiques 20 montés entre le poussoir 10 et le couvercle 12 fixé, par exemple par vissage, au guide 11. La surface de contact 10b entre le poussoir 10 et le guide 11 est telle que le jeu mécanique entre ces parties est juste coulissant et que cette surface soit rendue la plus grande possible par une remontée du poussoir 10 jusqu'au niveau du couvercle 12 afin d'offrir une résistance thermique la plus faible possible. La force de contact exercée par le poussoir 10 s'applique également à la surface de jonction entre l'autre face plane 4a du boîtier 3 et la semelle 6, si bien que le boîtier 3 se trouve serre entre les deux parties du dispositif de refroidissement. Les surfaces de jonction entre le boîtier 3 et le dispositif de refroidissement étant planes et la force de contact appliquée par l'intermédiaire du poussoir 10 agissant perpendiculairement à ces surfaces de jonction, il en résulte des surfaces de contact continues et une force de contact uniformément répartie à ces surfaces de jonction. Ces moyens élastiques 20 sont constitués par un empilement de rondelles Belleville 20a et dont le nombre variable et la disposition détermine la pression de contact sur le boîtier 3. Pour bien centrer ces rondelles 20a et obtenir ainsi une force de pression régulièrement répartie sur la surface de jonction entre les faces planes 4a et 10a, les rondelles 20a sont montées dans une gorge annulaire 19 prévue à la surface d'extrémité du poussoir 10 en regard du couvercle 12. La semelle 6, en contact avec la rondelle 3a du boîtier 3 portée au potentiel de l'anode du thyristor 2, forme une sortie raccordée à un conducteur extérieur 22 au moyen d'une borne 23 telle qu'une vis montée dans la surface périphérique annulaire de la semelle 6. Le poussoir 10, en contact avec la rondelle 3b du boîtier 3 portée au potentiel de la cathode du thyristor 2, forme une deuxième sortie par un prolongement central 10c qui fait saillie par une ouverture centrale 12a prévue dans le couvercle 12. Ce prolongement 10c du poussoir 10 est raccordé à un conducteur extérieur 24 au moyen d'une borne 25 telle qu'une vis montée dans la surface d'extrémité du prolongemert lOb du poussoir 10. La gâchette G du thyristor 2 est raccordée à un conducteur extérieur non représenté au travers du guide 11 en étant isolée de ce dernier. Le principe de fonctionnement du dispositif de refroidissement 1 découle de sa structure précédemment décrite. En fonctionnement la chaleur dissipée par la cathode du thyristor 2 et transmise au poussoir 10 est ramenée par le guide 11 vers la semelle 6 refroidie par le radiateur 7. En variante du mode de réalisation décrit ci-dessus, les couches électriquement isolantes 8, 13 qui doivent également offrir une résistance thermique la plus basse possible, peuvent être constituées par une feuille en une résine polyester du type thermoplastique, en particulier celle commercialisée sous la marque "Mylar". Selon une autre variante, on peut faire appel à des couches d'alumine ou d'autres matières céramiques (nitrure d'aluminium par exemple) qui sont utilisables soit sous forme de feuilles, soit par dépôt sur les surfaces à recouvrir. L'épaisseur peut couramment se situer dans ce cas entre 200 et 300 microns. Selon une variante différente on peut avantageusement faire appel à une feuille composite d'isolants respectivement mou et dur, comme par exemple à une feuille de Kapton revêtue sur l'une au moins de ses faces d'un film de gomme silicone. On bénéficie dans ce cas d'une part de l'excellente isolation électrique de la feuille de Kapton, et d'autre part du comportement thermique amélioré grâce à la souplesse de la gomme, laquelle assure aussi une protection mécanique de la feuille. Selon une variante encore différente, une feuille isolante, en Kapton ou autre, est disposée en une structure sandwich entre deux feuilles métalliques de protection. Selon les matériaux choisis, l'épaisseur de la couche d'isolation électrique et de transmission thermique selon l'invention pourra varier ainsi entre environ 50 microns dans le cas d'une simple feuille et environ 1 millimètre dans le cas d'une structure stratifiée. Les surfaces de contact thermique peuvent être graissées ou non selon les types de contact : méalmétal ou isolant/métal et les variétés d'isolants utilises. L'invention est particulièrement bien adaptée au thyristor blocable par la gâchette appelée thyristor GTO, grâce à la très bonne répartition de l'effort de serrage sur le boîtier, et grâce à une bonne évacuation de la chaleur dissipée par le boîtier dans le cas où le contact d'anode est monté sur la semelle 6. Le montage mécanique des thyristors GTO est tel que 1 'évacuation de la chaleur. est meilleure du côté du potentiel de l'anode. Le dispositif peut servir de fixation et de refroidisseur pour des composants associés au semi-conducteur pour son fonctionnement en commutation, tels que circuits snubbers de commutation au blocage et à la mise en conduction. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, relatif au refroidissement d'un thyristor, mais s'applique d'une manière générale à tout semi-conducteur de puissance dissipant une quantité de chaleur qu'il faut nécessairement évacuer pour maintenir les caractéristiques de fonctionnement du semi-##onducteur. REVENDICATIONS 1) Dispositif de refroidissement, en particulier pour semi-conducteur de puissance monté dans un boîtier ayant deux. faces planes parallèles respectivement portées aux potentiel. de l'anode et de la cathode dudit semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend deux parties (1A,1B) respectivement en contact avec les deux faces planes (4a,4b) dudit boîtier (3) et disposées de part et d'autre d'une surface de jonction recouverte d'une couche (13) électriquement isolante, suffisamment mince et étendue pour offrir une résistance thermique la plus basse possible et permettre un transfert de chaleur de l'une des parties (lA) dudit dispositif vers l'autre partie (1B) équipée d'un radiateur (7). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche (13) est constituée par une feuille de matière plastique telle qu'une résine polyimide. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche (13) est constituée par une feuille de matière plastique telle qu'une résine polyester du type thermoplastique. 4) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite couche (13) a une épaisseur de 50 microns environ 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche (13) est constituée par une feuille ou un dépôt de matière céramique. 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche (13) est constituée par une feuille composite d'isolants. 7) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par l'association d'un isolant dur en forme de feuille et d'au moins une couche de revêtement isolant mou. 8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (13) présente une structure stratifiée avec une feuille isolante entre deux feuilles métalliques de protection. 9) Dispositif selon la revendication 1, caractéris, en ce que ladite couche (13) a unc épaisseur comprise entre 50 et 1000 microns. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une (lA) des parties dudit dispositif est constituée par un élément électriquement conducteur tel qu'une semelle métallique (o) présentant au moins une face plane avec laquelle l'une des faces planes dudit boîtier (3) est en contact. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit radiateur (7) est rapporté sur l'autre face également plane de ladite semelle (6) avec interposition d'une couche (8) électriquement isolante, suffisamment minci et étendue pour offrir une résistance thermique la plus basse possible. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite couche (8) est d'une constitution semblable à celle prévue à la surface de jonction entre les deux parties dudit dispositif. 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'autre (1B) desdites parties dudit dispositif est constituée par un poussoir (10) monté coulissant juste dans un guide cylindrique (11) dont une surface d'extrémité plane vient en contact avec l'autre desdites faces planes du boîtier (3), alors que l'autre face d'extrémité dudit poussoir (10) coopère avec des moyens élastiques (20) qui exercent une force de pression sur ladite autre face du boîtier (3) et erpendiculairment à celle-ci. 14) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques (20) sont montés entre ledit poussoir (10) et un couvercle (12) rapporté sur une extrémité dudit guide cylindrique (11). 15) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques sont constitués par au moins une rondelle Belleville comprimée entre ledit poussoir (10) et ledit couvercle (12). 16) Dispositif selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la surface d'extrémité dudit guide (11) opposée audit couvercle (12) se termine par une collerette (1 la) pour augmenter la: surface de contact entre ledit guide (11) et ladite semelle (6).