Brevet FR2786657A1 — publié le 20000602

La présente invention concerne un composant électronique de puissance. De manière habituelle, les composants électroniques de puissance, qui sont en particulier utilisés pour réaliser des onduleurs destinés à la traction ferroviaire, comprennent une semelle réalisée par exemple en cuivre. Une multiplicité de structures composites de type conducteurisolant-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 semiconducteurs 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 tempéra- ture à laquelle est soumis le composant électronique de puissance à une valeur inférieure à 125 C, de manière à en conserver l'intégrité. De façon générale, le problème du refroidissement est tout particulièrement crucial dans le domaine des composants électroniques de puissance, dans la mesure o c'est cette température seuil d'environ 125 C qui détermine la valeur du courant admissible par le composant. En particulier, si l'on désire augmenter la capacité nominale en courant de tels composants, il est nécessaire d'augmenter la quantité de matériau semi-conducteur utilisé, ce qui induit bien évidemment une augmentation du prix de revient. 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 prix de revient donnés, soit à en diminuer, pour un courant nominal donné, le volume et donc le prix de revient. L'invention se propose plus particulièrement de réaliser un composant électronique de puissance dont la structure globale soit différente de celle des composants de l'art antérieur, et permette de ce fait d'en améliorer le refroidis- sement. A cet effet, l'invention a pour objet un composant électronique de puissance comprenant une semelle métallique destinée à reposer sur un premier élément de refroidissement, au moins une première structure composite de transfert thermi- que et d'isolation électrique supportée par ladite semelle, et au moins un premier circuit semi-conducteur de puissance disposé sur ladite première structure composite et comprenant, sur sa face opposée à ladite structure, des plots métalliques de connexion, caractérisé en ce que lesdits plots de connexion sont assujettis, par leur face opposée à ladite première structure composite, à un réseau plan d'éléments conducteurs isolés entre eux, ce réseau plan appartenant à un ensemble de liaison rapporté, qui est apte à entrer en contact, par sa face opposée au réseau plan, avec un deuxième élément de refroidis- sement. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'ensemble de liaison comprend au moins une deuxième structure composite de transfert thermique et d'isola- tion électrique; - l'ensemble de liaison comprend au moins un deuxième circuit semi-conducteur de puissance; - l'ensemble de liaison comprend un troisième élément de refroidissement intercalé entre les premier et deuxième circuits semi-conducteurs de puissance; - l'ensemble de liaison comprend un émetteur et une grille communs à plusieurs circuits semi-conducteurs de puis- sance disposés sur la semelle; et - les plots de connexion du premier circuit semi- conducteur sont assujettis au réseau plan de l'ensemble de liaison, par soudure d'au moins un bossage, notamment d'étain- plomb-argent. L'invention a également pour objet un procédé de fabrica- tion d'un composant électronique de puissance, dans lequel on dispose successivement sur une semelle métallique, au moins une première structure composite de transfert thermique et d'isola- tion électrique et au moins un premier circuit semi-conducteur de puissance comprenant, sur sa face opposée à ladite première structure composite, des plots métalliques de connexion, caractérisé en ce qu'on assujettit sur la face des plots opposée à ladite première structure composite, un réseau plan d'éléments conducteurs isolés entre eux, ce réseau plan appartenant à un ensemble de liaison, dont la face opposée au réseau plan est propre à entrer en contact avec un deuxième élément de refroidissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, on dispose, sur le réseau plan de l'ensemble de liaison, au moins un bossage de soudage, notamment en étain-plomb-argent, on rapproche ce réseau plan par rapport au premier circuit semi- conducteur de puissance de manière à faire rentrer en contact le ou chaque bossage avec les plots de connexion et on fait fondre le ou chaque bossage de manière à assujettir les plots avec le réseau plan. L'invention va être décrite ci-dessous, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques illustrant trois phases successives de la fabrication d'un premier composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion; - la figure 4 est une vue schématique illustrant le composant électronique de puissance formé à partir des éléments représentés aux figure 1 à 3, ce composant étant intercalé entre deux éléments de refroidissement; - la figure 5 est une vue schématique illustrant un deuxième composant électronique de puissance conforme à l'invention; - la figure 6 est une vue de dessus du composant illustré à la figure 5, et la figure 7 est une vue schématique illustrant un troisième composant électronique de puissance conforme à l'invention, intercalé entre deux éléments de refroidissement. La figure 1 illustre une première étape de fabrication d'un composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion. Il s'agit de rapporter, sur une semelle 2 réalisée par exemple en cuivre, deux structures composites 4 de type conduc- teur-isolant-conducteur, destinées à assumer des fonctions de transfert thermique et d'isolation électrique. Ces structures composites 4, qui comprennent deux couches conductrices 6A, 6B respectivement opposée et adjacente à la semelle, et une couche intermédiaire isolante 8, sont fixées à la semelle 2 par soudure, de manière classique. Deux circuits semi-conducteurs de puissance 10 sont disposés sur la face supérieure de chaque couche conductrice 6A opposée à la semelle 2. Chaque circuit 10 comprend, de manière habituelle, une multiplicité de plots 12 métalliques. Il est à noter que, contrairement aux composants électroniques de puissance habituelle, les plots 12 ne sont pas reliés à la couche conductrice 6A au moyen de fils d'aluminium. La figure 2 montre une deuxième étape de la fabrication d'un composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion. Une semelle 14, analogue à celle 2 représentée à la figure 1, supporte deux structures composites 16 propres à assurer une fonction de transfert thermique et d'isolation électrique. Chacune de ces structures comprend une couche conductrice 18B adjacente à la semelle, une couche isolante 20, et un réseau plan 18A d'éléments conducteurs isolés entre eux. L'agencement de ce réseau est adapté à la configuration électrique des circuits semi-conducteurs 10 que ce dernier doit revouvrir. L'ensemble ainsi formé par la semelle 14 et les structures composites 16 forme un ensemble de liaison désigné dans son ensemble par la référence 22 qui, comme cela sera explicité dans ce qui suit, permet de mettre en relation les plots 12 des circuits 10 avec un élément de refroidissement non représenté sur les figures 1 et 2. La figure 3 illustre une troisième phase de réalisation d'un composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion, phase qui consiste tout d'abord à revêtir la face libre des plots 12 au moyen d'un multicouche de titane-nickel-or 24, dont l'épaisseur est d'environ 0,8 micromètres et qui est déposé par exemple au moyen d'un procédé de pulvérisation. Sur ce multicouche 24, on dispose un bossage 26 réalisé en étainplomb-argent, dont la taille correspond à celle du plot 12. Dans l'exemple considéré, ce bossage a une composition d'environ 2 % d'étain, de 95,5 % de plomb et de 2,5 % d'argent. Il est à noter que la présence du multicouche 24 confère une excellente tenue mécanique du bossage 26 sur le plot 12. Il s'agit ensuite, comme le montre la figure 4, de retourner l'élément de liaison représenté à la figure 2 et de mettre en contact le réseau plan 18A avec le bossage 26 disposé sur chaque plot 12 de chaque circuit semi-conducteur de puissance 10. Puis on opère une fusion de chaque bossage 26 en le chauffant par exemple à environ 330 OC pendant 10 secondes. Les plots 12 sont alors assujettis au réseau plan 18A de l'élément de liaison 22. Le composant électronique de puissance ainsi formé, désigné dans son ensemble par la référence 28, est alors susceptible d'être intercalé entre deux éléments de refroidis- sement respectivement inférieur 30 et supérieur 32. Ces éléments de refroidissement, dont la structure est classique, sont par exemple des radiateurs à ailettes. La conformation du composant électronique de puissance 28 de l'invention permet de s'affranchir de la présence des fils d'aluminium dont sont habituellement pourvus les composants de l'art antérieur. En l'espèce, le réseau plan 18A de l'élément de liaison 22 assume le rôle habituellement dévolu à ces fils d'aluminium. Dans l'exemple décrit et représenté ci-dessus, il est prévu de disposer chaque structure composite de l'élément de liaison 22 sur une semelle 14. La présence de cette dernière est optionnelle, dans la mesure o il est également envisagea- ble de rapporter chaque structure composite 4 de manière indépendante audessus des plots 12, puis de mettre directement en contact les structures composites 16 ainsi assujetties aux plots 12, avec l'élément de refroidissement supérieur 32. Les figures 5 et 6 représentent un deuxième mode de réalisation d'un composant électronique de puissance conforme à l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 128. Les éléments identiques à ceux représentés aux figures 1 et 4 seront désignées, dans ces figures 5 et 6, par les mêmes numéros de référence augmentés de 100. Le composant électronique de puissance 128 inclut deux barres conductrices 134, 136 réalisées par exemple en cuivre. La première barre 134 est soudée sur la première rangée de plots 112A de l'ensemble des circuits de puissance 110 disposé sur la semelle 102. Cette première barre 134 joue le rôle d'un émetteur commun à l'ensemble de ces circuits 110. Elle est reliée à l'extérieur du composant pour former un interrupteur de base. De manière analogue, la seconde barre 136 est soudée sur la seconde rangée de plot 112B de l'ensemble des circuits 110. Cette seconde barre 136 assume une fonction de grille commune pour l'ensemble des circuits 110 et se trouve reliée à l'exté- rieur du composant pour la commande de ce dernier. Ces deux barres conductrices 134, 136 sont assujetties aux plots 112 par soudure au moyen de bossages d'étain-plomb-argent 126, de manière analogue à ce qui a été décrit en référence aux figures 1 à 4. L'ensemble formé par ces barres 134 et 136 constitue un réseau plan d'éléments conducteurs isolés entre eux. Le composant électronique de puissance 128 peut être intercalé entre deux éléments de refroidissement non représen- tés, destinés respectivement à entrer en contact avec la face supérieure des barres 134, 136, ainsi qu'avec la face infé- rieure de la semelle 102. La figure 7 représente un troisième mode de réalisation d'un composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion, désigné dans son ensemble par la référence 228. Les éléments identiques à ceux représentés aux figure 1 à 4 seront désignés, dans cette figure 7, par les mêmes numéros de référence augmentés de 200. L'ensemble 222, qui assure la liaison entre les plots 212 des circuits 210 et l'élément de refroidissement supérieur 232, comprend des structures composites 238 analogues à celles 16 décrites précédemment. Ces structures 238 sont soudées, par leur réseau plan conducteur 238A, sur la face supérieure des plots 212 au moyen de bossages étain-plomb-argent 226, de manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus. Un troisième élément de refroidissement 240 est disposé sur la face supé- rieure de chacune des structures 238, au-dessus duquel sont successivement empilés des structures composites 242 identiques à celles 204, des circuits semi-conducteurs de puissance 244 et des structures composites 246 supplémentaires. Ces dernières sont soudées sur les plots 248 des circuits 244, de manière analogue à ce qui a été décrit précédemment. Ces structures 246 possèdent un réseau plan 246A d'éléments conducteurs isolés entre eux, de manière adaptée à la configuration électrique des circuits semi-conducteurs 244 auxquels ce réseau est adjacent. Le réseau plan 238A de chaque structure composite 238 assure le rôle habituellement exercé par les fils d'aluminium dans les composants de l'art antérieur, alors que les couches supérieures des structures composites 246 sont en contact avec l'élément de refroidissement supérieur 232. Il s'opère donc, au niveau de chaque circuit semi- conducteur 210 et 244, un refroidissement depuis les faces supérieures et inférieures de ces derniers. On peut prévoir d'intercaler une semelle analogue à celle 202, immédiatement au-dessous ou au-dessus du troisième élément de refroidissement 240, ou bien encore immédiatement au-dessous de l'élément de refroidissement supérieur 232. De plus, on peut prévoir de connecter de manière électrique les deux circuits de puissance 210, 244 entre eux. Dans l'ensemble des exemples décrits représentés ci- dessus, il a uniquement été fait mention de deux structures composites reposant sur l'unique semelle, chacune de ces structures supportant deux circuits semi-conducteurs de puissance. Bien entendu, on peut prévoir d'adapter un nombre quelconque de telles structures composites sur une unique semelle et de disposer également un nombre quelconque de circuits semiconducteurs de puissance sur une même structure composite. Ces circuits semi-conducteurs de puissance peuvent être par exemple des diodes ou des IGBT. Le composant électronique de puissance conforme à l'inven- tion permet d'atteindre les objectifs précédemment mentionnés. En effet, il permet de s'affranchir de la présence des fils d'aluminium dont sont pourvus les composants de l'art anté- rieur. Or, ces fils constituent un facteur limitant à l'égard du problème du refroidissement, dans la mesure o ils s'échauf- fent de manière proportionnelle au carré du courant qui les traversent, et qu'il se révèle difficile de les refroidir puisqu'ils sont noyés dans du gel silicone. De plus, ces fils d'aluminium peuvent être à l'origine de graves dysfonctionne- ments de l'ensemble du composant électronique de puissance. En effet, ils sont soumis, en service à des cyclages thermiques, de sorte qu'ils sont à même de se rompre. Le composant de l'invention, outre qu'il est dépourvu de tels fils d'aluminium, assure un double refroidissement simultané des circuits semi-conducteurs de puissance qui le composent à la fois depuis leurs faces inférieure et supérieu- re. Ceci permet, pour un courant nominal donné, d'utiliser un volume de silicium égal environ au tiers de celui nécessaire pour la réalisation des composants électroniques de puissance de l'art antérieur. De plus, pour un volume de silicium comparable à celui utilisé dans un composant de l'art anté- rieur, le composant conforme à l'invention possède une tenue en courant environ trois fois supérieure. REVENDICATIONS 1. Composant électronique de puissance (28; 128; 228), comprenant une semelle métallique (2; 102; 202) destinée à reposer sur un premier élément de refroidissement (30; 230), au moins une première structure composite (4; 104; 204) de transfert thermique et d'isolation électrique supportée par ladite semelle, et au moins un premier circuit semi- conducteur de puissance (10; 110; 210) disposé sur ladite première structure composite et comprenant, sur sa face opposée à ladite structure, des plots (12; 112; 212) métalliques de connexion, caractérisé en ce que lesdits plots de connexion sont assujet- tis, par leur face opposée à ladite première structure (4; 104; 204), à un réseau plan (18A; 134, 136; 238A) d'éléments conducteurs isolés entre eux, ledit réseau plan appartenant à un ensemble de liaison rapporté (22; 134, 136; 222), apte à entrer en contact, par sa face opposée audit réseau plan, avec un deuxième élément de refroidissement (32; 232). 2. Composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit ensemble de liaison (22; 222) comprend au moins une deuxième structure composite (16; 238, 242, 246) de transfert thermique et d'isolation électrique. 3. Composant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble de liaison (222) comprend au moins un deuxième circuit semi-conducteur de puissance (244). 4. Composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit ensemble de liaison (222) comprend un troisième élément de refroidissement (240) intercalé entre lesdits premier et deuxième circuits semi-conducteurs de puissance (210, 240). 5. Composant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble de liaison (134, 136) comprend un émetteur (134) et une grille (136) communs à plusieurs circuits semi-conducteurs de puissance (110) disposés sur ladite semelle (102). 6. Composant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits plots de connexion (12; 112; 212) dudit premier circuit semi-conducteur (10; 110; 210) sont assujettis audit réseau plan (18A; 134, 136; 238A) dudit ensemble de liaison (22; 134, 136; 222) par soudure d'au moins un bossage, notamment d'étain-plomb- argent (26). 7. Procédé de fabrication d'un composant électronique de puissance (28; 128; 228), dans lequel on dispose successive- ment sur une semelle métallique (2; 102; 202), au moins une première structure composite (4; 104; 204) de transfert thermique et d'isolation électrique et au moins un premier circuit semi-conducteur de puissance (10; 110; 210) compre- nant, sur sa face opposée à ladite première structure composi- te, des plots métalliques de connexion (12; 112; 212), caractérisé en ce qu'on assujettit sur la face des plots opposée à ladite première structure composite, un réseau plan (18A; 134, 136; 238A) d'éléments conducteurs isolés entre eux, ledit réseau plan appartenant à un ensemble de liaison (22; 134, 136; 222), la face dudit ensemble de liaison opposée audit réseau plan (18A; 134, 136; 238A), étant propre à entrer en contact avec un deuxième élément de refroidissement (32; 232). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on dispose, sur le réseau plan (18A) dudit ensemble de liaison (22), au moins un bossage de soudage (26), notamment en étain-plomb-argent, on rapproche ledit réseau plan (18A) par rapport audit premier circuit semi- conducteur de puissance (10) de manière à faire entrer en contact le ou chaque bossage (26) avec lesdits plots de connexion (12), et on fait fondre le ou chaque bossage (26) de manière à assujettir lesdits plots (12) avec ledit réseau plan. (18A).