Brevet FR2839417A1 — publié le 20031107

connexion (22) d'un composant electronique (1). 283941 7 Dispositif de commutation de puissance refroidi s La presente invention concerne un dispositif de commutation de puissance, notamment destine a des botiers d'interconnexion pour vehicules a moteurs a combustion ou bien electriques, utilisant des organes semi-conducteurs de commutation dont il faut evacuer au mieux la puissance thermique dissipee. o Le document FR 2 800 567 fait conna^tre un dispositif de commutation de puissance comportant des organes semi-conducteurs de commutation presentant deux jeux de connexions, lesdits dispositifs semi conducteurs etant fixes par leur base sur une plaque de refroidissement de cuivre ou autre metal conducteur a laquelle est raccorde le premier jeu de s connexions, tandis que le second jeu de connexion des dispositifs semi conducteurs est relic a un circuit de commande et a des connecteurs de puissance. Les organes de commutation vent par exemple de type MOSFET ou SMART POWER; dans le cas d'un MOSFET, le premier jeu de connexion comporte le drain et le second jeu de connexions comporte la o grille et la source; dans le cas d'un SMART POWER, le premier jeu de connexions comporte l'alimentation et le second jou de connexions comporte les enkees 1 a n, les sorties 1 a n, le capteur de courant et la masse. Les organes de commutation comportent avantageusement une semelle (le drain pour un MOSFET) qui est directement accolee a la plaque s de refroidissement, par brasure ou plaquage. Celle-ci est elle-meme accolee a une plaque de support en plastique constituent une partie d'un bo^tier et contrituant a la dissipation thermique vers l'exterieur par rayonnement. Les connexions du second jeu de connexions des organes de commutation vent reliees par des broches transversales a un circuit de routage dispose o parallelement a la plaque de refroidissement; ces broches vent formees par des pastes decoupees et pliees a partir de la plaque de cuivre servant au refroidissement et a la mise a l'equipotentialite des premieres connexions. Le fait que la distribution electrique et le refroidissement thermique soient realises par une seule et meme plaque de cuivre entra^ne des limitations dans les possibilites d'organiser les circuits et de les rendre compacts. 2 283941 7 Le but de ['invention est d'ameliorer encore l'organisation et la compacite d'un tel dispositif de commutation de puissance refroidi. L'invention atteint son but grace a un dispositif de commutation de puissance comportant des organes semi-conducteurs de commutation s presentant deux jeux de connexions, lesdits organes semi-conducteurs etant accoles par leur base sur une plaque de refroidissement electriquement conductrice a laquelle est raccorde un premier jeu de connexions, tandis que le second jeu de connexions des organes semi- conducteurs est relic a un circuit de commande et a des connecteurs de puissance, caracterise en ce o que ladite plaque comporte des bossages sur lesquels vent fixes ou plaques les organes semi-conducteurs par leur base et en ce que le second jeu de connexions est relic au circuit de commande au travers d'un circuit de routage dispose globalement parallelement au voisinage de ladite plaque mais isole d'elle et comportant des ouvertures correspondent aux bossages plats de la plaque sousjacente, lesquels vent dans un plan voisin du circuit de routage, moyennant quoi la connexion des organes semi-conducteurs a la plaque et au circuit de routage peut se faire sensiblement dans le meme plan. Ainsi, selon ['invention, on a dissocie la fonction de distribution electrique sur deux circuits paralleles, a savoir le circuit d'alimentation ou o de drain, avantageusement realise dans la plaque metallique de refroidissement emboutie, qui distribue le positif ou le negatif de la batterie vers le premier jeu de connexions (drain, semelle, broche) des organes de commutation et le circuit de routage, avantageusement realise une plaque metallique decoupee, qui distribue les sorties de puissance et les liaisons - vers la commande. La plaque du circuit de drain continue d'assurer le refroidissement electrique et cette dissipation thermique peut se faire d'une manier-- optimisee puisque la plaque est reservee a ['implantation de l? partie dissipante des composants. Cette plaque peut notamment etre mise en contact presque totalement, et notamment a l'endroit des bossages, avec une o paroi de plastique du bo^tier favorisant les echanges thermiques. La fonction de routage, c'est-a-dire le cheminement des pistes du composant vers l'exterieur ou vers la commande est realise a un autre etage, plus eloigne de la paroi de plastique. La plaque decoupee realisant le circuit de routage permet egalement avantageusement de comprendre le developper des languettes des connecteurs. 3 283941 7 On conna^t par le document DE 195 18 522 un dispositif de commande pour automobile dans lequel les composants de poissance disposes sur une plaquette de circuit imprime vent refroidis par une plaque de refroidissement parallele a la plaquette et comportant des bossages s venant au voisinage immediat desdits composants. Cette plaque de refroidissement est utilisee comme rail de courant pour l'alimentation de composants electriques distincts tels que des bobines. La plaque de refroidissement ne sert pas a l'alimentation des composants de puissance dont elle est au contraire isolee electriquement. o Avantageusement, selon ['invention, les organes semi conducteurs ont a leur base une semelle (par exemple une semelle de drain) directement bras ee ou plaquee sur les b o ss ages de la plaque de refroidissement. Cependant, d'autres modes de connexion de la base des organes aux bossages vent possibles, tels qutun collage de la semelle et une connexion electrique realisee par une broche. I1 est aussi possible que les MOS ou SMART soient livrees en puces nues: au lieu de souder le drain, on soude la puce directement sur le circuit de drain, et au lieu de souder les broches du composant, on realise une connexion ("bonding") entre la puce et le circuit de routage. Autrement dit, dans ce mode de realisation, le o premier jou de connexion est reduit a une soudure directe et le second jeu de connexion est etabli lors du montage du circuit. Avantageusement, ledit dispositif de commutation constitue un module enferme dans un bo^tier en matiere plastique comprenant des reliefs correspondent aux bossages de la plaque de refroidissement. En effet, du ^s fait que la plaque de refroidissement ne sert qu'a ['implantation des organes de commutation, laquelle se fait sur les bossages precites, il est possible et avantageux de donner une forme adjacente tridimensionnelle quasi' identique au fond du botier sur lequel est accolee la plaque de refroidissement de maniere a favoriser les echanges thermiques, puisque le pouvoir rayonnant du plastique est superieur a celui du cuivre nut Dans le meme but, le fond de bo^tier ou le bo^tier lui-meme peut comporter vers l'exterieur des nervures servant a accelerer les echanges thermiques et aussi a raidir le fond du bo^tier. Avantageusement, le circuit de routage et la plaque de 3s refroidissement vent espaces et reunis par une couche entretoise de matiere 4 283941 7 non conductrice, telle qutune matiere plastique, destinee a assurer un placement relatif precis des deux circuits, ['ensemble formant un circuit double-face. Cette couche entretoise peut etre associee aux deux circuits par collage (resine ou autre matiere) ou par sertissage a chaud ou par ultrasons s au moyen de pions deformes assurant la liaison mecanique. Avantageusement toutefois, la couche entretoise est surmoulee sur le circuit de routage, ce qui permet d'assurer le maintien mecanique des pistes decoupees sur le circuit par exemple. De preference, une couche de couverture est egalement prevue o sur l'autre face du circuit de routage, ce qui permet de proteger et d'etancheifer le circuit et aussi de profter du pouvoir de rayonnement infrarouge de la couche de couverture pour evacuer des calories vers l'exterieur du module. Cette couche de couverture peut etre realisee par un simple vernis ou une resine d'enrobage. Toutefois, il est avantageux de la s prevoir sous la forme diune couche de matiere plastique surmoulee sur le circuit de routage, ce qui permet d'equilibrer les eventuelles tendances au cintrage du circuit de routage lors d'un surmoulage unilateral. La fxation de la plaque de refroidissement au sandwich surmoule constitue de l'entretoise, du circuit de routage et de la couche de o couverture, peut se faire par des rivets obtenus par surmoulage dans des empreintes prevues dans le sandwich precise. Avantageusement, la plaque de refroidissement comporte des ailettes laterales, par exemple disposees contre les cotes du bo^tier et augmentant encore la dissipation thermique. Ces ailettes peuvent etre s realisees par pliage en meme temps que l'emboutissage pour former les bossages. La plaque de circuit de commande peut etre disposee- perpendiculairement ou parallelement a la plaque de refroidissement et au circuit de routage (comme dans le document FR 2 800 567- precite) au so moyen de pastes transversales. Mais, plus avantageusement, le circuit comporte une plaque de commande laterale, sur un cOte du circuit de routage; il est alors facile de prevoir des broches de connexion disposees sur le cote du circuit de routage et destinees a s'enfcher dans la plaque du circuit de commande. s 283941 7 Avantageusement, le boitier renferme deux modules de circuits superposes, disposes en vis-a-vis, et relies a la mCme plaque de circuit de commande. D'autres avantages et caracteristiques appara^tront a la lecture de s la description de ['invention, ainsi que des dessins annexes sur lesquels: - la figure l est une vue en coupe transversale, selon le plan I-I de la figure 4, du dispositif de ['invention; - la figure 2 est une vue du detail A du dispositif de la figure l; - la figure 3 est une vue en coupe perpendiculaire a celle de la o figure l, selon le plan III-III de la figure 4, du dispositif de ['invention; - la figure 4 est une vue en perspective de dessus du dispositif de ['invention dans son bo^tier; - la figure 5 est une vue en perspective de dessous du meme i5 dispositif; - la figure 6 est une vue en eclate montrant les trots strafes destinees a 8tre empilees pour former un module conforme a ['invention; - la figure 7 est une vue en perspective d'un module conforme a ['invention. - la figure 8 est une vue schematique en perspective avec coupe d'un circuit metallique surmoule comportant des degagements reserves pour le surmoulage des rivets de sertissage. s - La figure 9 est une vue schematique montrant sous un autre angle ['assemblage de la figure 8 apres le surmoulage du rivet. Le dispositif de ['invention tel que represente renferme dans un bo^tier plat l deux modules de commande respectivement inferieur et o superieur 2 et 2'. Le bo^tier l est constitue de deux demi-bo^tiers plats inferieur et superieur 3 et 3', formes d'un fond globalement plan 5, S' sensiblement rectangulaire entoure d'un bord releve teas 6, 6' sur trots cotes et d'un bord de nature differente 7, 7' sur le quatrieme cote. Les demi-bo^tiers vent 6 2839417 assembles entre eux par des attaches 4 sur les bords 6, 6' et eventuellement sur le bord 7, 7'. Les fonds 5, 5' comprennent un certain nombre de bossages 8, 8' de meme hauteur, tournes vers l'interieur du bo^tier 1. Ces bossages 8, 8' s forment un plateau 9, sensiblement rectangulaire, sureleve par rapport au plan moyen 10 du fond 5, 5', et entoure d'une zone de raccordement en pente vers le plan 5, 5'. Le fond 5, 5' comprend un reseau de nervures 12, 13, 13', 14 disposees diagonalement (12) ou bien entourant les bossages (nervures 13, 13') ou bien peripheriquement (nervures 14, 14'). Ces o nervures contribuent au raidissement du fond mais surtout augmentent la surface d'echange thermique, notamment autour des bossages. Le cote 7, 7' des demi-bo^tiers 3, 3' est conforme de maniere a menager un volume secondaire 15, globalement orthogonal au volume principal 16 defini entre les fonds 5 et 5' en vis-a-vis. Ce volume secondaire , adjacent au volume principal 16 le long d'un cote du bo^tier 1, est delimite en partie par une paroi 17 perpendiculaire au fond 13' et renforcee par deux equerres 18. Les deux modules 2 et 2' vent formes de la meme maniere et on ne decr*a en detail que le module 2. Il comprend essentiellement un circuit ^^o double-face forme d'un circuit de drain 20, d'une entretoise 30 et d'un circuit de routage 40 et, le cas echeant d'une couverture 50 Le circuit de drain 20 est realise par une plaque electriquement conductrice, metallique, par exemple en cuivre, sensiblement rectangulaire, comportant des bossages 21 sensiblement rectangulaires (ou d'une autre s forme) correspondent aux bossages 8 du fond 5 de bo^tier. La plaque 20 comporte sur deux cotes deux ailes laterales relevees 22, par exemple a angle droit; chaque aile s'etend sur un peu moins de la moitie d'un cote et sa hauteur est presque celle du volume 16 entre les deux demi-bo^tiers opposes; cette disposition permet de prevoir des ailes semblables sur la o plaque analogue du module superieur 2'. Il va de soi qu'on pourrait prevoir un nombre d'ailettes differents, par exemple trots ailettes. Les plateaux des bossages 21 definissent un plan, parallele et decale par rapport au plan du fond 23 de la plaque 20. A ce plan correspond le plan de la surface superieure 41 du :5 circuit de routage 40 constitue par une plaque electriquement conductrice, 7 2839417 metallique, par exemple en cuivre, decoupee de maniere a former d'une part des evidements sensiblement rectangulaires 42 correspondent aux bossages 21 de la plaque de drain 20 et destines a laisser ceux-ci affleurer au meme niveau que la surface 41, et d'autre part des pistes conductrices 43 conduisant a des broches 44 ramenees sur un cote de la plaque de circuit de routage. Sur la figure 6, ces broches vent representees avant le deshuntage qui supprimera la partie de maintien 45. Le circuit de routage 40 comporte, en plus des broches 44 deja mentionnees, d'autres broches 46, 46' montrees sur la fgure 6 avant pliage et sur la figure 7 apres pliage, permettant de o sortir du boltier perpendiculairement au plan des circuits, au niveau de deux connecteurs de puissance 19 situes sur le dessus du bo^tier 1. Les broches 44 quant a elles vent enfichees dans une carte electronique de commande 70 disposee dans le volume secondaire 15. Le circuit de routage 40 est maintenu parallele et a la bonne s distance du circuit de drain 20 grace a une entretoise 30 realisee en matiere non conductrice. Cette entretoise comporte d'une part des evidements 31 correspondents aux bossages 21 du circuit de drain et aux evidements 42 du circuit de routage et d'autre part d'autres evidements 32 correspondent a des passages de broches, telles que les broches 46, 46'. o Des trous 28, 38, 48 se correspondent verticalement dans les trots plans 20, 30, 40 permettent le positionnement relatif lors de l'etape d'assemblage des trots plans et ensuite ['assemblage dans le bo^tier. Le circuit de commande comporte des elements semi conducteurs 60 comportant, dans le cas d'un MOSFET par exemple, a leur s base une semelle de drain 61 brasee sur le plateau d'un bossage 21 de la plaque de drain 20. L'element 61 comporte aussi une ou plusieurs broches de grille: 62 et une ou plusieurs broches de source 63, sous forme de pastes laterales, qui vent brasees sur une piste respective 43 de la surface 41 du circuit de routage, au bord d'un evidement 42. Une couverture 50 de matiere non conductrice de l'electricite est avantageusement formee au-dessus du circuit de routage, de preference par surmoulage sur la plaque de routage, en meme temps qu'on forme l'entretoise 30 egalement par surmoulage, ce qui a comme double avantage de proteger le circuit de routage des deux cotes mais aussi d'eviter le risque 8 283941 7 qu'il gauchisse en cas de surmoulage d'un seul cote. La couche de couverture 50 peut egalement etre realisee dans une resine d'enrobage. Le circuit de commande comprend aussi d'autres elements de circuits tels que les elements 64, ne necessitant pas de refroidissement intense, et disposes directement sur le circuit de routage 40. Une cosse d'alimentation 71 destinee a etre reliee a la batterie est connectee a une paste surelevee 27 formee dans un coin de la plaque de drain 40 de sorte que les deux pastes 27, 27' des deux plaques des modules en vis-a-vis puissent etre reliees a la mOme cosse 71. o L'assemblage des differentes plaques peut se faire sans ou avec pions de sertissage. Selon la premiere methode, on decoupe le cuivre pour former le circuit de routage 40, on procede au bossage et au pliage des oreilles du circuit de drain 20, on prepare une plaque enketoise 30 quton enduit sur ses deux faces d'une colle et on assemble les kois plaques ensemble. La colle est avantageusement une resine, par exemple de type epoxyde, deposee en faible epaisseur (typiquement environ 200 m, l'entretoise faisant elle- meme par exemple 1 mm d'epaisseur). Dans cette methode, l'entretoise assure le maintien mecanique de ['ensemble, avec la colle. o Selon la seconde methode, l'entretoise assure ce maintien, en cooperation avec des elements d'assemblage transversaux, de type pions ou rivets. On decoupe le cuivre pour former le circuit de routage 40, on surmoule le circuit de routage 40 pour former les deux couches de surmoulage 30, 50, puis on surmoule des pions de sertissage; on procede au bossage et au pliage des oreilles du circuit de drain 20, on assemble le circuit de routage surmoule 30, 40, 50 avec le circuit de drain bosse 20 et on vient sertir les pions de sertissage a chaud ou par ultrasons. En alternative, au lieu de surrnouler les pions de sertissage juste apres le surmoulage de la plaque de routage 40 et de les deformer pour le o sertissage apres ['assemblage des plaques, on procede au surmoulage du circuit de routage 40, a la mise en forme du circuit de drain 20, a leur assemblage et on vient en etape fnale directement former des rivets de sertissage 80 par surmoulage, comme illuske aux figures 8 et 9. Pour cela, on a au prealable reserve, lors du surmoulage des couches 30 et 50 sur la s5 plaque de routage 40, des degagements 81, 82, 83 permettant lors du second 9 2839417 surmoulage de former directement le rivet 80, au moins en partie; dans l'exemple represente, les degagements 81, 82 permettent la formation du corps du rivet 80, et le degagement 83 permet la formation du pied du rivet 80. Le rivet 80 peut faire partie integrante du bo^tier surmoule en meme s temps. Dans les modes de realisation representes et decrits jusque la, on a illustre un module de puissance entierement plat. Il pourrait fort bien etre constitue de plusieurs sections planes faisant un angle entre elles, les circuits de drain, de routage et ltentretoise restart paralleles a l'interieur de o chaque section. 283941 7 REVENDICA TIONS 1. Dispositif de commutation de puissance comportant des organes semi conducteurs (60) presentant deux jeux de connexions, lesdits organes semiconducteurs (60) etant fxes par leur base sur une plaque de refroidissement (20) electriquement conductrice a laquelle est raccorde le premier jeu de connexions (31), tandis que le second jeu de connexions (62, 63) des organes semi-conducteurs (60) est relic a un o circuit de commande (70) et a des connecteurs de puissance (19), caracterise en ce que ladite plaque (20) comporte des bossages (21) sur lesquels vent fixes ou plaques les organes semi-conducteurs (60) par leur base et en ce que le second jeu de connexions (62, 63) est relic au circuit de commande et aux connecteurs de puissance au travers d'un circuit de routage (40) dispose globalement parallelement au voisinage de ladite plaque (20) mais isole d'elle et comportant des ouvertures (42) correspondent aux bossages plats (21) de la plaque sousjacente (20), lesquels vent dans un plan voisin du circuit de routage (40), moyennant quoi la connexion des dispositifs semi-conducteurs (60) a la plaque (20) o et au circuit de routage (40) peut se faire sensiblement dans le meme plan. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que les organes semi- conducteurs (60) ont a leur base une semelle (61) brasee sur les bossages (21) de la plaque de refroidissement (20). 3. Dispo itif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caracterise en ce que une entretoise (30) non-conductrice isole le circuit de routage (40) et la plaque de refroidissement (20). 4. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que l'entretoise (30) assure le maintien mecanique entre la plaque de refroidissement (20) et le circuit de routage (40). 11 2839417 5. Dispositif selon la revendication 3, caracterise en ce que l'entretoise (30) est surmoulee sur le circuit de routage (40). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caracterise s en ce que le circuit de routage (40) comporte a sa surface une couche de couverture (50). 7. Dispositif selon la revendication 6 caracterise en ce que la couche de couverture (50) est surmoulee sur le circuit de routage (40). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que la plaque de refroidissement (20) est accolee a une paroi (5) de bo^tier (1) en plastique comportant des bossages (8) correspondent aux bossages (21) de la plaque. 9. Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce que la paroi (5) de bo^tier comporte des nervures exterieures (12, 13, 14). lO.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 9, caracterise o en ce que la plaque de refroidissement (20) comporte des ailes pliees (22). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 10, caracterise en ce qutil comporte dans un meme bo^tier (1) deux ensembles s superposes composes d'une plaque de refroidissement (20), d'une