Brevet FR2786658A1 — publié le 20000602

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un élément de refroidissement de composant électronique de puissance. Les composants électroniques de puissance, qui sont en particulier utilisés afin de réaliser des onduleurs destinés à la traction ferroviaire comprennent, de manière habituelle, une semelle de support réalisée par exemple en cuivre. Une multiplicité de structures composites de type conducteur- isolant-conducteur qui assument à la fois une fonction de transfert thermique et d'isolation électrique, sont rapportées sur cette semelle. Elles sont par exemple réalisées sous la forme d'un empilement cuivrecéramique-cuivre encore dénommé Direct Bonded Copper (DBC). Ces structures composites peuvent également être exécutées sous forme de substrats métalliques isolés (SMI) qui comprennent une couche inférieure en aluminium ou en cuivre, une couche intermédiaire en époxy et une couche supérieure en cuivre éventuellement réalisée en plusieurs parties. Sur chaque structure composite sont disposés plusieurs circuits semi-conducteurs de puissance, qui sont par exemple des transistors bipolaires à grille isolée dits IGBT, ou bien encore des diodes. Ces circuits semi-conducteurs sont en outre recouverts, sur une de leurs faces, par des plots de connexion et sont assujettis à la couche métallique libre de la structure composite par leur face exempte de plots. Ces circuits y sont fixés par exemple par soudure tendre d'étain-plomb ou encore d' étain-plomb-argent. Puis on soude, sur chaque plot de connexion, plusieurs fils d'aluminium présentant typiquement un diamètre de 380 à 500 microns. Chacun de ces fils est également soudé sur la couche métallique supérieure de la structure composite. Cet ensemble formé par la semelle, les structures composites et les circuits semi-conducteurs de puissance, est ensuite disposé dans un boîtier rempli de gel silicone et recouvert d'un capot en résine époxy, de manière à former un composant électronique de puissance. Ce dernier est disposé, de manière habituelle, sur un élément de refroidissement qui peut être une plaque à eau, un échangeur de chaleur à air ou encore une base d'évaporateur "caloduc". Un tel élément est destiné à maintenir la température à laquelle est soumis le composant électronique de puissance à une valeur inférieure à 125 C, de manière à en conserver l'intégrité. De manière générale, le problème lié au refroidissement est tout particulièrement crucial dans le domaine des compo- sants électroniques de puissance, dans la mesure o c'est cette température seuil d'environ 125 C qui limite le courant admissible au sein du composant. En particulier, si l'on désire augmenter la capacité nominale en courant de ces composants, il est nécessaire d'augmenter la quantité de matériau semi-conducteur utilisé, ce qui induit évidemment une augmentation du coût de l'ensemble du composant. L'invention a donc pour but d'améliorer le refroidissement des composants électroniques de puissance, de manière soit à augmenter la tenue en courant de ces composants pour un volume et donc un coût donnés, soit à diminuer, pour un courant nomimal donné, le volume et donc le coût de ces composants. L'invention se propose plus particulièrement de réaliser une structure composite de transfert thermique et d'isolation électrique permettant de modifier l'agencement global de tels composants électroniques de puissance, de manière à en améliorer le refroidissement. A cet effet, l'invention a pour objet une structure composite de transfert thermique et d'isolation électrique pour composant électronique de puissance, comprenant une première couche conductrice ou semi-conductrice, ou couche inférieure, destinée à reposer sur une semelle dudit composant, une couche intermédiaire isolante et une deuxième couche conductrice ou semi-conductrice, ou couche supérieure, destinée à supporter au moins un circuit semi-conducteur de puissance, caractérisée en ce que dans l'épaisseur de ladite couche semi- conductrice inférieure sont ménagés des moyens de passage d'un fluide caloporteur. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la couche inférieure comprend des première et deuxième plaquettes en matériau conducteur ou semi-conducteur assemblées l'une à l'autre, au moins l'une desdites plaquettes étant pourvues de gorges, et des canaux de passage du fluide caloporteur sont ménagés dans ledit élément, les canaux étant réalisés par coopération de formes entre les plaquettes; - les plaquettes sont pourvues de séries de gorges respectives et les canaux sont réalisés de part et d'autre du plan de joint des deux plaquettes, par coopération de formes entre lesdites gorges en regard; les canaux ont une section transversale de forme sensiblement hexagonale; - les canaux ont une hauteur voisine de leur largeur; - les moyens de passage du fluide caloporteur débouchent sur la face inférieure de ladite couche inférieure; - les moyens de passage comprennent au moins un conduit s'étendant sur au moins une partie d'au moins une dimension de ladite couche inférieure; - les conduits ont une largeur comprise entre 50 et 300 micromètres, de préférence entre 150 et 250 micromètres; - les conduits s'étendent sur au moins une partie de l'épaisseur de la couche inférieure; - la couche inférieure est conductrice, notamment métallique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une structure composite de transfert thermique et d'isolation électrique pour composant électronique de puissance, dans lequel on rapporte sur une première couche conductrice ou semi-conductrice, ou couche inférieure, une couche intermédiaire isolante et une deuxième couche conductrice ou semi-conductrice, ou couche supérieure, caractérisé en ce que la fabrication de ladite couche inférieure comprend les étapes suivantes: on réalise, à la surface d'une première et d'une deuxième plaquettes en matériau conducteur ou semi- conducteur, des séries de premières et deuxièmes gorges respectives, - on rapporte l'une sur l'autre lesdites plaquettes en faisant coïncider lesdites premières et deuxièmes gorges desdites séries, et - on assemble lesdites plaquettes de manière à réaliser par coopération de formes entre lesdites gorges, des canaux de passage d'un fluide caloporteur dans ladite couche inférieure ainsi formée. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - on réalise les gorges sous forme de U à ailes inclinées, en suivant les plans cristallins du matériau constitutif des première et deuxième plaquettes; - on réalise les gorges par gravure; - on assemble les plaquettes par soudage; - la couche inférieure est réalisée en silicium monocristallin. L'invention a enfin pour objet un composant électronique de puissance, comprenant au moins une structure composite de transfert thermique et d'isolation électrique et au moins un circuit semi- conducteur de puissance, caractérisé en ce que la structure composite est telle que décrite ci-dessus. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la structure composite est supportée par une semelle qui comprend des moyens d'amenée d'un fluide caloporteur et des moyens d'évacuation du fluide, les moyens de passage dont est pourvue la couche conductrice inférieure mettant en communication les moyens d'amenée avec les moyens d'évacuation; - les moyens d'amenée et les moyens d'évacuation dudit fluide caloporteur comprennent au moins une première ouverture traversante et au moins une deuxième ouverture traversante ménagées à distance l'une de l'autre dans ladite semelle; chaque ouverture traversante comprend un évidement s'étendant sur une partie de l'épaisseur de la semelle, un orifice traversant mettant en communication le fond dudit évidement avec la face inférieure de la semelle. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective de deux plaquettes en matériau semi-conducteur permettant la mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est une vue partielle de côté de l'une des plaquettes de la figure 1, illustrant une première étape du procédé conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1, illustrant une couche semi-conductrice formée conformément à l'invention; - la figure 4 est une vue analogue aux figures 2 et 3, illustrant un composant électronique de puissance conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; - la figures 5 et 6 sont des vues schématiques illustrant deux phases successives de la réalisation d'une structure composite du type conducteur-isolant-conducteur, conforme à un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 7 est une vue de dessous de la structure composite illustrée à la figure 6; - la figure 8 est une vue schématique en perspective illustrant une semelle destinée à supporter la structure composite représentée aux figures 6 et 7; et - la figure 9 est une vue schématique en coupe suivant les lignes IX-IX à la figure 7, illustrant un composant électronique de puissance formé à partir de la semelle et de la structure composite représentées respectivement aux figures 7 et 8. Les deux plaquettes représentées à la figure 1 et appelées par convention première plaquette 2 et deuxième plaquette 4, sont réalisées en silicium monocristallin. Elles présentent des dimensions analogues l'une de l'autre, à savoir qu'elles possèdent une épaisseur e d'environ 1 mm et des dimensions principales d'environ 50 sur 50 mm. La figure 2 illustre une première étape du procédé conforme à l'invention, à savoir la réalisation de gorges 6 au sein de la première plaquette 2. Ces gorges sont exécutées de manière connue en soi, par l'intermédiaire d'un procédé de gravure humide par attaque chimique. Etant donné la nature du silicium monocristallin, cette opération est particulièrement aisée et conduit à la formation de gorges présentant un profil en U à ailes inclinées, la gravure s'effectuant en suivant les plans cristallins. L'angle c définissant l'inclinaison des ailes 6A des gorges est voisin de 57 . On réalise ces gorges parallèlement à l'une des directions principales de la plaquette, entre deux bords opposés. L'opération de gravure est arrêtée lorsque la profondeur p de la gorge 6 est égale à environ la moitié de sa largeur L. Dans l'exemple de réalisation considéré, on exécute, sur la plaquette 2, environ 50 gorges, ce qui correspond à une densité d'environ 10 gorges par cm. Dans l'exemple décrit et représenté, les gorges sont en forme de U à ailes inclinées mais elles peuvent également présenter une forme de V. La figure 2 illustre uniquement la réalisation des gorges 6 au niveau de la plaquette 2, étant entendu que dans le mode d'exécution décrit, on réalise au niveau de la deuxième plaquette 4 des gorges analogues qui seront désignées par la référence 8 dans ce qui suit. Le stade suivant du procédé conforme à l'invention consiste à assembler mutuellement les deux plaquettes 2 et 4. A cet effet, on dispose les séries de gorges respectives 6, 8 en regard les unes des autres, puis on assujettit de manière connue les deux plaquettes par soudage. Cette opération est réalisée à une température d'environ 600 C. La couche semi-conductrice formée par l'assemblage des deux plaquettes 2 et 4 est désigné dans son ensemble par la référence 10. Elle est pourvue d'une multiplicité de canaux 12 réalisés par coopération de formes des gorges 6 et 8 en regard, qui sont ménagées dans les plaquettes respectives 2 et 4. Ces canaux 12 s'étendent de part et d'autre du plan de joint P entre les deux plaquettes 2, 4, présentent une forme sensiblement hexagonale et possèdent une largeur L sensiblement égale à leur hauteur H. Ces canaux sont débouchants ou traversants, à savoir qu'ils s'étendent entre deux chants opposés de la couche 10. Dans le présent exemple, des gorges sont réalisées au sein des deux plaquettes 2 et 4. On peut également prévoir d'exécuter de telles gorges sur une seule plaquette, les canaux étant formés par ces gorges et la surface plane de l'autre plaquette. La figure 4 représente un composant électronique de puissance, désigné dans son ensemble par la référence 14, incluant la couche 10 décrite ci-dessus. Au-dessus de cette dernière est rapportée une couche isolante 16 réalisée en silice, sur laquelle est disposée une couche 18 de silicium mono-cristallin. La réalisation de cette structure composite incluant les couches 10, 16 et 18, s'effectue par des procédés de dépôts couches minces et électrolytiques, utilisés de manière classique dans l'électronique. Ces couches 10, 16 et 18 sont respectivement dénommées inférieure, intermédiaire et supérieure. Un circuit semi-conducteur de puissance 20, tel qu'un IGBT ou une diode, est assujetti de manière classique sur la face libre de la couche supérieure 18, au moyen d'une couche de soudure 22 d'étain-plomb. De manière habituelle, des fils d'aluminium 24 s'étendent entre la couche supérieure 18 et des plots 26 du circuit 20. Les canaux 12 ménagés dans la couche 10 sont destinés au passage d'un fluide caloporteur liquide ou gazeux et sont, à cet effet, mis en relation avec une source d'un tel fluide. La figure 5 représente une structure composite de type conducteurisolant-conducteur. Elle comprend une première couche 102, ou couche inférieure réalisée par exemple en cuivre et surmonté par une couche isolante 104 intermédiaire spportant une deuxième couche métallique 106, ou couche supérieure, également en cuivre. Les couches conductrices 102 et 106 présentent par exemple une épaisseur de 3 à 4 mm et des dimensions principales de 48 x 48 mm alors que la couche isolante possède une épaisseur de 0,635 mm et des dimensions principales de 50 x 50 mm. Les figures 6 et 7 représentent une structure composite conforme à l'invention désignée dans son ensemble par la référence 108, qui a été réalisée à partir de la structure représentée à la figure 5. La couche inférieure 102 de cette structure 108 est pourvu d'une multiplicité de conduits ou micro-canaux 110 destinés à constituer des moyens de passage d'un fluide caloporteur. Ces conduits sont réalisés parallèlement à l'une des dimensions principales de la couche inférieure 102, à partir de la face inférieure de cette dernière, comme le montre en particulier la figure 6. Chacun de ces conduits s'étend sur une partie substantielle de l'épaisseur de cette couche inférieure 102, c'est-à-dire par exemple sur une hauteur comprise entre 2 et 3 mm. On peut également prévoir que les conduits 110 s'étendent sur toute l'épaisseur de la couche inférieure 102. La largeur de ces conduits est par exemple de 200 micromètres et leur longueur comprise entre 40 et 50 mm. Dans l'exemple de réalisation décrits, ces conduits 110 sont prévus au nombre d'environ 50, de sorte que deux conduits voisins sont espacés d'une distance comprise entre 200 et 300 micromètres. Etant donné que la zone dans laquelle sont ménagés les conduits 110 ne s'étend pas sur l'ensemble de la face inférieure de la couche inférieure 102, ces conduits définissent, avec les bords de cette couche inférieur 102, une région périphérique 112. Les conduits 110 peuvent être formés par exemple au moyen d'un train de fraises, par gravure ou bien encore par laser. La semelle représentée à la figure 8 et désignée par la référence 114 présente des dimensions principales légèrement supérieures à celles de la couche inférieure 102, et une épaisseur comprise entre 10 et 20 mm. Cette semelle est par exemple réalisée en aluminium, mais pourrait également être réalisée par exemple en matériau plastique, dans la mesure o elle n'assume aucune fonction thermique comme les semelles classiques de l'art antérieur, mais joue uniquement un rôle de support de la structure composite et de transport de fluide caloporteur vers celle-ci, comme cela sera explicité dans ce qui suit. Deux évidements 116, 118 sont ménagés dans le corps sensiblement parallélépipédique de cette semelle 114. Ces évidements 116, 118 s'étendent de manière sensiblement perpendiculaire aux conduits 110 et définissent, par leurs bords extérieurs, une région 120 représentée en traits mixtes à la surface supérieure de la semelle 114 dont la surface est sensiblement égale à la zone des canaux 110 sur la couche inférieure 102. La largeur L de ces évidements est par exemple de 5 mm. Chacun de ces évidements s'étend, comme le montre en particulier la figure 9, sur une hauteur sensiblement égale à la moitié de l'épaisseur de la semelle 114. Des orifices 122 prolongent vers le bas chaque évidement 116, 118 et mettent en communication chacun de ces derniers avec la face inférieure de la semelle. Ces orifices 122 présentent par exemple une section carrée, dont les dimensions sont nettement inférieures à celles des évidements 116, 118. La fixation de la couche inférieure 102 sur la semelle 114 est assurée en soudant, sur la face supérieure de la semelle, la face en regard de la région périphérique 112 de la couche inférieure 102. Cette soudure est par exemple assurée au moyen de soudure tendre. On peut prévoir d'autres modes de fixation en fonction du matériau constitutif de la semelle 114, comme par exemple de la colle. On peut également prévoir des moyens de fixation supplémentaire rapportés, comme par exemple des moyens de mise en pression de la semelle par rapport à la couche isolante. Comme le montre la figure 9, on soude de manière classique des circuits semi-conducteurs de puissance 126, qui sont par exemple des IGBT, sur la face supérieure de la couche supérieure 106. Puis, on relie électriquement cette couche supérieure 106 à des plots 128 dont sont munis les circuits 126, au moyen de fils d'aluminium 130. On isole électriquement entre elles des régions de cette couche 106, en fonction de la configuration életrique des circuits 126. On obtient alors un composant électronique de puissance conforme à l'invention désigné dans son ensemble par la référence 132. En service, un des orifices traversants, par exemple celui désigné par la référence 122, est mis en relation avec une source d'un fluide caloporteur, comme par exemple de l'eau. Dans le même temps, l'autre orifice 124 est mis en relation avec un dispositif propre à évacuer cette eau. L'orifice 122 et son évidement 116 associé constituent alors des moyens d'amenée de ce fluide caloporteur, en direction des conduits 110. De plus, l'orifice 124 et son évidement associé 118 constituent des moyens d'évacuation de ce fluide caloporteur, à partir des conduits 110. Ces derniers mettent en communication fluidique les deux évidements 116, 118 et constituent donc des moyens de passage du fluide caloporteur de l'un à l'autre. La description du mode de réalisation des figures 5 à 9 a été faite en référence à une structure composite 108 de type DBC. Bien évidemment, la présente invention trouve également son application à toutes les structures composites du type conducteur-isolant-conducteur, comme par exemple les substrats métalliques isolés (SMI). L'invention permet d'atteindre les objectifs précédemment mentionnés. En effet, la structure composite conforme à l'invention assume, outre les fonctions classiques de transfert thermique et d'isolation électrique des structures de l'art antérieur, une fonction supplémentaire de refroidissement. Ceci permet donc de limiter le nombre d'interfaces entre les diffé- rentes couches qui constituent le composant de puissance de l'invention. Ceci permet également d'augmenter le coefficient d'échange convectif avec le fluide caloporteur circulant dans les canaux 12 ou les conduits 110, par changement de phase du fluide caloporteur. De plus, la structure globale du composant électronique de puissance conforme à l'invention est nettement plus simple que celle des composants de l'art antérieur. En particulier, l'utilisation du silicium permet de réduire de manière notable l'épaisseur du composant de l'invention une fois assemblé. Du fait de sa conformation, le composant de puissance de l'invention possède une tenue en courant supérieure à celle des composants de l'art antérieur, ce qui permet, soit d'améliorer ses performances pour un prix de revient donné, soit, pour des performances données, d'en diminuer le prix de revient. l1 REVEND I CATIONS 1. Structure composite (28; 108) de transfert thermique et d'isolation électrique pour composant électronique de puissance (14; 132), comprenant une première couche conductrice (102) ou semi- conductrice (10), ou couche inférieure, destinée à reposer sur une semelle (114) dudit composant (14; 132), une couche intermédiaire isolante (16; 104) et une deuxième couche conductrice (106) ou semi- conductrice (18), ou couche supérieure, destinée à supporter au moins un circuit semi-conducteur de puissance (20; 126), caractérisée en ce que dans l'épaisseur de ladite couche inférieure (10; 102) sont ménagés des moyens de passage (12; 110) d'un fluide caloporteur. 2. Structure composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche inférieure (10) comprend des première et deuxième plaquettes (2, 4) en matériau conducteur ou semi-conducteur assemblées l'une à l'autre, au moins l'une desdites plaquettes (2, 4) étant pourvues de gorges (6, 8), et en ce que des canaux (12) de passage dudit fluide caloporteur sont ménagés dans ledit élément (10), lesdits canaux (12) étant réalisés par coopération de formes entre les plaquettes (2, 4). 3. Structure composite selon la revendication 2, caractérisée en que que les plaquettes (2, 4) sont pourvues de séries de gorges respectives (6, 8) et les canaux (12) sont réalisés de part et d'autre du plan de joint (P) des deux plaquettes (2, 4), par coopération de formes entre lesdites gorges en ragard. 4. Structure composite selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits canaux (12) ont une section transversale de forme sensiblement hexagonale. 5. Structure composite selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits canaux (12) ont une hauteur voisine de leur largeur. 6. Structure composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de passage (110) du fluide caloporteur débouchent sur la face inférieure de ladite couche inférieure (102). 7. Structure composite suivant la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de passage comprennent au moins un conduit (110) s'étendant sur au moins une partie d'au moins une dimension de ladite couche inférieure (102). 8. Structure somposite selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits conduits (110) ont une largeur comprise entre 50 et 300 micromètres, de préférence entre 150 et 250 micromètres. 9. Structure composite selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que lesdits conduits (110) s'étendent sur au moins une partie de l'épaisseur de la couche inférieure (102). 10. Structure composite selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que ladite couche inférieure (102) est conductrice, notamment métallique. 11. Procédé de fabrication d'une structure composite (28) de tranfert thermique et d'isolation électrique pour composant électronique de puissance (14), dans lequel on rapporte sur une première couche conductrice ou semi-conductrice (10), ou couche inférieure, une couche intermédiaire isolante (16) et une deuxième couche conductrice ou semiconductrice (18), ou couche supérieure, caractérisé en ce que la fabrication de ladite couche inférieure (10) comprend les étapes suivantes: - on réalise, à la surface d'une première et d'une deuxième plaquettes (2, 4) en matériau conducteur ou semi- conducteur, des séries de premières et deuxièmes gorges (6, 8) respectives, - on rapporte l'une sur l'autre lesdites plaquettes (2, 4) en faisant coïncider lesdites premières et deuxièmes gorges (6, 8) desdites séries, et - on assemble lesdites plaquettes (2, 4) de manière à réaliser par coopération de formes entre lesdites gorges (6, 8), des canaux (12) de passage d'un fluide caloporteur, dans ladite couche inférieure (10) ainsi formée. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on réalise lesdites gorges (2, 4) sous forme de U à ailes (6A) inclinées, en suivant les plans cristallins du matériau constitutif des première et deuxième plaquettes (2, 4). 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on réalise lesdites gorges (6, 8) par gravure. 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'on assemble lesdites plaquettes (2,4) par soudage. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la couche inférieure est réalisée en silicium monocristallin. 16. Composant électronique de puissance (14; 132), comprenant au moins une structure composite (28; 108) de transfert thermique et d'isolation électrique et au moins un circuit semi-conducteur de puissance (20, 126), caractérisé en ce que ladite structure composite (28; 108) est conforme à l'une des revendications 1 à 10. 17. Composant élecronique de puissance selon la revendications 16, caractérisé en ce que ladite structure composite (108) est supportée par une semelle (114) qui comprend des moyens d'amenée (116, 122) d'un fluide caloporteur et des moyens d'évacuation (118, 124) dudit fluide, les moyens de passage (110) dont est pourvue ladite couche conductrice inférieure (102) mettant en communication lesdits moyens d'amenée avec lesdits moyens d'évacuation. 18. Composant électronique de puissance selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amenée et lesdits moyens d'évacuation dudit fluide caloporteur comprennent au moins une première ouverture traversante (16, 22) et au moins une deuxième ouverture traversante (18, 24) ménagées à distance l'une de l'autre dans ladite semelle. 19. Composant électronique de puissance suivant la revendication 18, caractérisé en ce que chaque ouverture traversante comprend un évidement (116; 118) s'étendant sur une partie de l'épaisseur de la semelle (114), un orifice traversant (122; 124) mettant en communication le fond dudit évidement (116; 118) avec la face inférieure de la semelle (114).