Brevet FR2810845A1 — publié le 20011228

MODULE DE PUISSANCE A COMPOSANTS ELECTRONIQUES DE PUISSANCE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MODULE L'invention se rapporte à un module de puissance à composant électronique de puissance et à un procédé de fabrication d'un tel module puissance. L'invention se rapporte plus particulièrement à un module de puissance comportant une semelle constituant un échangeur de chaleur chargé d'évacuer les dissipations de puissance par effet joule des composants de puissance. La présente invention trouve application pour la fabrication d'onduleurs dans le domaine des moyennes puissances notamment pour les applications routières de type véhicules électriques pour lesquels les puissances sont de l'ordre de 30 à 200 kW et les tensions aux bornes des modules de puissance sont de l'ordre de 500 V à 2000 V. Il est connu de réaliser un module de puissance constitué de composants de puissance brasés sur une peau en aluminium disposée sur une face d'un substrat céramique en nitrure d'aluminium AIN, l'autre face du substrat céramique AIN étant recouverte d'une peau en aluminium et accolée à une semelle en composite AISiC constituant un échangeur de chaleur. Dans un tel module de puissance, le substrat en AIN assure l'isolation électrique des composants à haut potentiel par rapport à la semelle en AlSiC mise à la masse, cependant un tel substrat en nitrure d'aluminium AIN est relativement coûteux et n'est disponible dans le commerce qu'avec une épaisseur minimale de 0.635 mm alors que pour certaine application, et notamment pour tenir les tensions dans les véhicules électriques, une épaisseur de 0.1 mm serait suffisante pour assurer l'isolation. Tous ces inconvénients conduisent à des modules de puissance trop onéreux pour les applications automobiles. Le but de la présente invention est donc de proposer un module de puissance qui procure une bonne dissipation thermique de la puissance dégagée par les composants de puissance et qui soit simple et économique à fabriquer. L'invention a pour objet un module de puissance à composants électroniques de puissance comportant une semelle constituant un échangeur de chaleur chargé d'évacuer les dissipations de puissance par effet joule des composants de puissance, caractérisé en ce que la semelle comporte une face munie d'une peau en alliage d'aluminium, cette dernière étant recouverte d'une couche isolante d'oxyde d'aluminium obtenue par anodisation de la peau en alliage d'aluminium, la couche isolante d'oxyde d'aluminium constituant un substrat sur lequel des pistes métallisées sont réalisées afin de recevoir les composants électroniques, l'autre face de la semelle étant en contact avec un fluide de refroidissement. Selon des modes particuliers de réalisation, le module de puissance peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - la semelle est en composite AISiC; - la semelle est en aluminium; - la semelle au contact du fluide de refroidissement comporte des picots ou des microcanaux plongeant à l'intérieur du fluide, les picots ou microcanaux étant réalisés directement dans la semelle ou dans une peau d'aluminium rapportée sur la semelle; - les pistes métallisées sont réalisées par dépôt de cuivre; - les composants de puissance sont brasés sur les pistes de cuivre; - les composants de puissance sont des composants IGBT; - trois groupes de composants IGBT sont brasés sur un même substrat, les pistes de chaque groupe d'IGBT étant séparées les unes des autres de telle sorte que deux substrats constituent un onduleur triphasé. L'invention concerne également un procédé de fabrication du module de puissance précédemment décrit, caractérisé en ce que la couche d'oxyde d'aluminium est obtenue par anodisation de la peau en alliage d'aluminium dans de l'acide sulfurique au voisinage de 0 C. Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé de fabrication peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - la couche d'oxyde obtenue est immergée dans de l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'aluminium en surface afin de réduire la porosité de la couche d'oxyde d'aluminium; - la peau en alliage d'aluminium recouvrant la semelle est obtenue directement lors du moulage de la semelle par une forme adaptée du moule; - la couche d'oxyde d'aluminium est métallisée par dépôt électrolytique de cuivre sur des pistes préalablement activées par traitement au laser UltraViolet, les pistes de cuivre étant ensuite nickelées par procédé électroless. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de plusieurs modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un module de puissance, selon un premier mode de réalisation de l'invention, monté sur un collecteur d'eau; - la figure 2 est une vue de dessous du module de puissance de la figure 1; - la figure 3 est une vue de dessus du module de puissance de la figure 1; - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un module de puissance selon un second mode de réalisation de l'invention. Pour faciliter la lecture du dessin, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés. La figure 1 représente un module de puissance 1 associé à un collecteur d'eau 10 en plastique moulé comportant une veine 11 dans laquelle circule de l'eau de refroidissement. Le module de puissance 1 comporte une semelle 3 en composite AISiC (Aluminium Carbure Silicium) fixée de manière étanche sur le collecteur d'eau 10 et comportant une face inférieure munie de picots 3b, représentés sur la figure 2, plongeant dans la veine de fluide 11 du collecteur 10 et favorisant l'échange thermique entre la semelle 3 en AISiC et le fluide de refroidissement. La face supérieure de la semelle 3 en AlSiC comporte une peau 4 en alliage d'aluminium qui est recouverte d'une couche 5 d'oxyde d'aluminium d'une épaisseur de 50 pm à 100 pm assurant une isolation électrique permettant de supporter des tensions différentielles entre les deux faces de la couche d'oxyde l'aluminium de plus de 1000V sans claquage. La semelle 3, munie de sa couche 5 d'oxyde d'aluminium, constitue un substrat sur lequel des pistes 6 sont métallisées suivant un tracé prédéterminé pour servir de collecteur de courant à trois groupes de composants IGBT 7 brasés sur lesdites pistes métallisées 6. Avantageusement, ainsi que cela est représenté sur la figure 3, les pistes 6 d'alimentation de chacun des trois IGBT sont séparées les unes des autres afin de permettre la réalisation d'un demi-onduleur triphasé sur un seul substrat. Le procédé de fabrication d'un tel module de puissance va maintenant être décrit. La semelle 3 en AISiC est réalisée de manière classique par injection d'aluminium dans un moule sur des fibres en carbure de silicium, la forme du moule étant adaptée pour que la peau 4 en aluminium se forme à la surface supérieure de la semelle 3 en AISiC. Dans une variante de réalisation non représentée, la face inférieure de la semelle 3 au contact du fluide de refroidissement pourra également comporter une peau en aluminium, présentant des picots ou des microcanaux, réalisée directement lors de l'opération de moulage de la semelle 3 par une forme adaptée du moule. La peau 4 en alliage d'aluminium de la semelle 3 est ensuite recouverte d'une couche d'oxyde d'aluminium par anodisation de la peau 4 dans de l'acide sulfurique. A température ambiante, cette anodisation permet d'obtenir une épaisseur d'oxyde d'aluminium de l'ordre de 20!lm, l'épaisseur d'oxyde d'aluminium étant limitée par la dissolution de l'oxyde formé dans l'acide. De manière préférentielle, l'anodisation sera effectuée à une température de 0 C afin d'obtenir une épaisseur d'oxyde d'aluminium plus importante, jusqu'à 100 jim, et le dépôt d'oxyde ainsi obtenu sera immergé dans de l'eau chaude afin de diminuer la porosité de la couche 5 d'oxyde d'aluminium par formation d'hydroxyde d'aluminium. Bien entendu, l'épaisseur de la couche 5 d'oxyde d'aluminium ainsi formée dépend également de la teneur en aluminium de l'alliage utilisé pour constituer la peau 4, car plus l'alliage utilisé est riche en aluminium plus l'épaisseur de la couche 5 d'oxyde d'aluminium créée par anodisation est importante. La face supérieure 5a de la couche 5 d'oxyde l'aluminium est ensuite métallisée par dépôt électrolytique de cuivre sur des pistes 6 préalablement activées par traitement laser UV puis nickelées par procédé électroless, l'adhérence des couches métalliques étant renforcée par un recuit à 400-500 C tolérable par l'aluminium et ses alliages. Un procédé semblable de métallisation est décrit dans la demande de brevet FR-Al-2 681 078. Les composants IGBT 7 sont ensuite brasés de manière classique sur les pistes 6 de cuivre. Un tel procédé de fabrication permet d'avoir une très bonne conduction thermique entre la couche d'oxyde d'aluminium 5 et la peau 4 grâce à l'interpénétration de la couche 5 avec la peau 4. Par ailleurs, la peau 4, en étant obtenue directement lors du moulage de la semelle 3 en A1SiC, forme un seul corps avec la semelle 3, sans interface de séparation, ce qui assure un excellente conductivité thermique entre la peau 4 et la semelle 3. En conséquence, un tel procédé de fabrication permet de réaliser un module de puissance peu coûteux assurant un bon refroidissement des composants de puissance du fait de la très bonne conductivité thermique entre les différentes couches du module de puissance. Par ailleurs, le substrat ainsi obtenu présente très peu de différences de dilatation thermique entre les couches et possède donc une très bonne fiabilité en présentant très peu de risque de délaminage des brasures après un nombre important de cycle thermique. Un tel procédé de fabrication permet également d'adapter l'épaisseur la couche d'oxyde d'aluminium constituant l'isolant électrique au besoin du module de puissance afin de minimiser l'épaisseur de couche d'oxyde et réduire ainsi sa résistance thermique. La figure 4 présente une second mode de réalisation du module de puissance selon l'invention se différentiant du premier mode de réalisation précédemment décrit par le fait que la semelle 3 est entièrement réalisée en alliage d'aluminium. Conformément à cette figure 4, le module de puissance 1 comporte une semelle 3 en aluminium présentant une face inférieure, au contact du fluide de refroidissement, munie de picots 3b obtenus directement lors du moulage de la semelle 3 en aluminium. La face supérieure de la semelle 3 est recouverte d'une couche 5 d'oxyde d'aluminium obtenue par anodisation selon un procédé similaire à celui décrit pour le premier mode de réalisation de l'invention. Des pistes sont métallisées sur la couche 5 d'oxyde d'aluminium, selon un procédé similaire à celui décrit pour le premier mode de réalisation, afin de servir de collecteur de courant à trois groupes de composants IGBT 7, ces derniers étant brasés sur les pistes au moyen d'une brasure tendre du type étain, plomb ou argent capable d'accommoder les dilatations différentielles. Une telle variante de réalisation de l'invention permet de réduire encore le coût de fabrication du module de puissance en supprimant l'utilisation de composite en AISiC et en le remplaçant par de l'alliage d'aluminium. Toutefois, le module de puissance ainsi obtenu présentera une moins bonne fiabilité en cycle thermique du fait de la plus forte dilatation différentielle entre les composants de puissance et la semelle en aluminium et nécessitera donc l'utilisation d'une brasure tendre pour braser les composants. REVENDICATIONS 1) Module de puissance (1) à composants électroniques de puissance (7) comportant une semelle (3) constituant un échangeur de chaleur chargé d'évacuer les dissipations de puissance par effet joule desdits composants de puissance, caractérisé en ce que ladite semelle (3) comporte une face munie d'une peau (4) en alliage d'aluminium, ladite peau (4) étant recouverte d'une couche isolante (5) d'oxyde d'aluminium obtenue par anodisation de ladite peau (4), ladite couche isolante (5) constituant un substrat sur lequel des pistes métallisées (6) sont réalisées afin de recevoir lesdits composants électroniques (7), l'autre face de ladite semelle (3) étant en contact avec un fluide de refroidissement. 2) Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite semelle (3) est en composite AlSiC. 3) Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite semelle (3) est en aluminium. 4) Module de puissance selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la face de la semelle (3) au contact du fluide de refroidissement comporte des picots (3b) ou des microcanaux plongeant à l'intérieur dudit fluide, lesdits picots (3b) ou microcanaux étant réalisés directement dans la semelle (3) ou dans une peau d'aluminium rapportée sur ladite semelle (3). 5) Module de puissance selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pistes métallisées (6) sont réalisées par dépôt de cuivre. 6) Module de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits composants de puissance (7) sont brasés sur lesdites pistes (6) de cuivre. 7) Module de puissance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits composants de puissance (7) sont des composants IGBT. 8) Module de puissance selon la revendication 7, caractérisé en ce que trois groupes de composants IGBT (7) sont brasés sur un méme substrat, les pistes (6) de chaque groupe d'IGBT (7) étant séparées les unes des autres de telle sorte que deux substrats constituent un onduleur triphasé. 9) Procédé de fabrication d'un module de puissance (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite couche (5) d'oxyde d'aluminium est obtenue par anodisation de la peau (4) en alliage d'aluminium dans de l'acide sulfurique au voisinage de 0 C. 10) Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que la couche (5) ainsi obtenue est immergée dans de l'eau chaude pour former de l'hydroxyde d'aluminium en surface afin de réduire la porosité de ladite couche (5) d'oxyde d'aluminium. l)Procédé de fabrication selon l'une quelconques des revendications 9 à 10, 1 0 caractérisé en ce que la peau (4) en alliage d'aluminium recouvrant la semelle (3) est obtenue directement lors du moulage de ladite semelle (3) par une forme adaptée du moule. 12)Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que la couche (5) d'oxyde d'aluminium est métallisée par dépôt électrolytique de cuivre sur des pistes (6) préalablement activées par traitement au laser UltraViolet, lesdites pistes de cuivre (6) étant ensuite nickelées par procédé électroless.