Brevet FR2859066A1 — publié le 20050225

MODULE DE PUISSANCE A GRILLE DE CONNEXION FORMANT UN INSERT DE MOULAGE Les dispositifs à semiconducteurs de puissance de systèmes de puissance sont, de façon caractéristique, intégrés de façon à former un module de puissance. La plupart des modules de puissance comprennent ainsi des dispositifs à semiconducteurs de puissance, tels que des diodes de puissance et des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) de puissance. Un dispositif à semiconducteurs de puissance génère de la chaleur durant le fonctionnement. La chaleur ainsi générée affecte le fonctionnement du dispositif à semiconducteurs, et peut également avoir un effet défavorable sur l'intégrité structurelle du module de puissance, du fait qu'elle crée, par exemple, des contraintes thermiques qui peuvent produire des fractures et d'autres détériorations mécaniques. La chaleur générée par les dispositifs à semiconducteurs de puissance doit, par conséquent, être extraite et dissipée. Sinon, le fonctionnement continu des dispositifs à semiconducteurs de puissance peut être altéré. Dans un module de puissance classique, la chaleur générée est, de façon caractéristique, transmise à un dissipateur de chaleur pour la dissipation. Comme conduit thermique, on utilise habituellement un substrat thermiquement conducteur qui est interposé entre les dispositifs à semiconducteurs de puissance générant de la chaleur et le dissipateur thermique. Un substrat thermiquement conducteur connu est désigné sous le nom de substrat à métal isolé (insulated metal substrate ou IMS). Un autre substrat thermiquement conducteur connu est le cuivre à fixation directe (direct bonded copper ou DBC). L'utilisation d'un substrat à métal isolé ou de cuivre à fixation directe est indésirable à cause du coût et à cause de l'augmentation de la résistance thermique, qui retarde l'extraction de la chaleur. Du fait des capacités d'extraction de chaleur moins qu'idéales d'une configuration qui comprend un substrat à métal isolé ou du cuivre à fixation directe, l'obtention des caractéristiques maximales d'un dispositif à semiconducteurs de puissance est évitée afin d'empêcher une surchauffe. Par conséquent, l'utilisation d'un substrat à métal isolé ou de cuivre à fixation directe peut empêcher les concepteurs de tirer pleinement parti de la capacité d'un dispositif à semiconducteurs de puissance, ce qui peut amener à des configurations de puissance inefficaces, entre autres résultats désavantageux. Les modules de puissance sont principalement utilisés dans l'industrie automobile, en particulier pour l'actionnement et la commande de moteurs électriques, entre autres utilisations. L'augmentation du nombre de fonctions dans une automobile normale a provoqué et continue à provoquer une demande accrue de modules de puissances génériques ou spécifiques à la fonction. Cependant, le marché impose des demandes de réduction de coût par module, ainsi que de rendement de module, de telle sorte que le coût final de l'automobile reste compétitif et que la puissance électrique utilisée par les fonctions supplémentaires nécessite une demande de puissance supplémentaire aussi faible que possible sur le système électrique de l'automobile. Par conséquent, il est souhaitable d'avoir un module de puissance qui puisse dissiper de façon adéquate la chaleur générée sans utiliser de substrat thermiquement conducteur. Un module de puissance selon la présente invention est adapté de façon à inclure les éléments de puissance pour un circuit en demi-pont. De façon caractéristique, un module de puissance selon la réalisation préférée de la présente invention comprend deux transistors à effet de champ métaloxyde-semiconducteur de forte puissance latérale connectés en parallèle, connectés sous une configuration en demi-pont avec deux transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à faible puissance latérale connectés en parallèle. Un module de puissance selon la présente invention comprend une enceinte moulée comportant une pluralité de parois définissant un espace, et une partie de base. L'enceinte moulée comprend de plus un bâti de connexion comportant une pluralité de conducteurs s'étendant à partir de l'espace défini à travers les parois de l'enceinte moulée, et une pluralité de zones conductrices connectées chacune de façon intégrée à au moins un conducteur. Chaque zone conductrice comporte au moins un dispositif à semiconducteurs de puissance fixé électriquement et mécaniquement à celleci, par exemple à l'aide d'une couche de soudure, grâce à quoi la chaleur générée par le dispositif est transférée à la zone conductrice. La chaleur ainsi transférée est partiellement dissipée par les conducteurs intégrés à la zone conductrice. Le reste de la chaleur est transféré à un dissipateur de chaleur par l'intermédiaire d'un corps d'adhésif thermiquement conducteur, qui fixe le dissipateur de chaleur aux zones conductrices. Par conséquent, un module de puissance selon la présente invention ne nécessite pas de substrat thermiquement conducteur. Le montage d'une pastille de semiconducteurs, telle qu'un transistor à effet de champ métal-oxyde- semiconducteur de puissance, sur une zone conductrice d'un bâti de connexion, peut également produire une diminution de la résistance globale du module, du fait que les zones conductrices peuvent être plus épaisses que celles utilisées lorsque l'on utilise un substrat à métal isolé ou du cuivre à fixation directe. De façon caractéristique, lorsque l'on utilise un substrat à métal isolé ou du cuivre à fixation directe, le coefficient de dilatation thermique de la couche métallique et le coefficient de dilatation thermique du substrat nécessitent que l'épaisseur de la couche métallique soit maintenue en dessous d'un certain minimum de façon à empêcher les contraintes thermiques (résultant habituellement de la réalisation de cycles thermiques) de provoquer l'écaillage de la zone conductrice. Ainsi, par exemple, dans un substrat à métal isolé caractéristique, les zones conductrices peuvent avoir une épaisseur qui n'est que de 0,254 mm à 0,3048 mm (de 10 à 12 mils). Par contre, les zones conductrices dans un module selon la présente invention peuvent être rendues plus épaisses, ce qui produit une résistance réduite et une dispersion de chaleur améliorée. Un module selon la présente invention comprend de plus une carte de circuits qui est utilisée pour transmettre des signaux de commande aux dispositifs à semiconducteurs de puissance. Selon un aspect de la présente invention, la carte de circuits est positionnée à l'intérieur de l'enceinte moulée dans une position qui minimise les différences de résistance et d'inductance des trajets de signaux de commande pour les dispositifs à semiconducteurs. Un module selon la présente invention peut être utilisé dans un système de démarreur/alternateur actionné par une courroie d'une automobile. Un module selon la présente invention comprend d'autres éléments et caractéristiques uniques et avantageux qui sont décrits en détail dans la description qui suit et représentés dans les dessins joints. La figure 1 est un schéma de circuit de la configuration de dispositifs à semiconducteurs dans un 15 module selon la présente invention. La figure 2 est une vue en plan de dessus d'un bâti de connexion utilisé dans un module selon la présente invention. La figure 3 est une vue en plan de dessous d'un bâti 20 de connexion utilisé dans un module selon la présente invention. La figure 4 est une vue en plan de dessus de l'enceinte moulée d'un module selon la présente invention. La figure 5 est une vue en plan de dessous de l'enceinte moulée d'un module selon la présente invention. La figure 6 est une vue en plan latérale de l'enceinte moulée représentée en figure 5, vue dans la direction des flèches 6-6. La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une 30 enceinte moulée le long de la ligne 7-7 en figure 4, vue dans la direction des flèches. La figure 8 montre une vue en plan de dessus de l'enceinte moulée après que des dispositifs à semiconducteurs de puissance aient été installés dans celle-ci. La figure 9 représente une vue en plan de dessus de l'enceinte moulée dans laquelle une carte de circuits a été installée. La figure 10 représente une vue en plan de dessus 5 d'une carte de circuits installée dans l'enceinte de puissance. La figure 11 représente une vue en plan de dessus d'un module de puissance selon la présente invention. La figure 12 représente une vue en coupe transversale d'un module selon la présente invention le long de la ligne 12-12, et vue dans la direction des flèches. La figure 13 représente une vue en plan latérale d'un module selon la présente invention, vue dans la direction des flèches 13-13 en figure 11. Les dispositifs à semiconducteurs de puissance enrobés dans un module de puissance selon la réalisation préférée de la présente invention constituent un circuit en demi- pont, comme représenté en figure 1. De façon caractéristique, .un module de puissance selon la réalisation préférée de la présente invention comprend deux transistors à effet de champ métal-oxydesemiconducteur à puissance latérale élevée connectés en parallèle QI, Q3, et deux transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à faible puissance latérale connectés en parallèle Q2, Q4. Les transistors à effet de champ métaloxyde-semiconducteur à puissance latérale élevée QI, Q3 sont connectés sur leur côté de drain au bus de puissance B+, et sont connectés sur leur côté de source au coté de drain des transistors à effet de champ métaloxyde-semiconducteur à faible puissance latérale Q2, Q4. Les transistors à effet de champ métal-oxydesemiconducteur à faible puissance latérale Q2, Q4 sont connectés sur leur côté de source au bus de masse. Si l'on se réfère à présent aux figures 2 et 3, un module de puissance selon la présente invention comprend un bâti de connexion 10. Le bâti de connexion 10 comprend des zones de pastille latérales basses 12, des zones de pastille latérales hautes 14, des zones de fixation de fils latérales basses 16, et des zones de fixation de fils latérales hautes 18. Le bâti de connexion 10 comprend de plus des conducteurs d'entrée de puissance 20, des conducteurs de masse 22, un conducteur de sortie 24, et une pluralité de conducteurs à broches individuels 26. Les conducteurs d'entrée de puissance 20 et les zones de pastille latérales hautes 14 sont connectés de façon intégrée de façon à former un premier corps unitaire 28 (un corps d'une seule pièce), les zones de fixation de fils 16 et les conducteurs de masse sont connectés de façon intégrée de façon à former un deuxième corps unitaire 30, tandis que les zones de fixation de fils 18, les zones de pastille latérales basses 12 et des conducteurs de sortie 24 sont connectés de façon intégrée de façon à former un troisième corps unitaire. On devra noter que les zones de fixation de fils 18 et les zones de fixation de fils 16 sont disposées sur des plans parallèles espacés. Si l'on se réfère à présent aux figures 4 et 5, selon un aspect de la présente invention, un corps moulé 34 est formé sur le bâti de connexion 10 de façon à former une enceinte moulée 36. L'enceinte moulée 36 comprend une paroi 38 et une partie de base 40 qui est intégrée à la paroi 38 de façon à définir un espace. La partie de base 40 de l'enceinte moulée 36 comprend des zones de pastille latérales basses 12, des zones de pastille latérales hautes 14, et des zones de fixation de fils latérales basses 16 qui sont mécaniquement connectées entre elles, mais électriquement isolées les unes des autres, par un composé de moulage 42. De façon caractéristique, comme on le voit au mieux en figure 5, le composé de moulage 42 est disposé dans les espaces entre les zones conductrices 12, 14, 16 de façon à les fixer mécaniquement les unes aux autres afin de former la partie de base 40. On devra noter que, selon un aspect de la présente invention, les zones conductrices 12, 14, 16 du bâti de connexion 10 sont exposées, comme on le voit au mieux en figure 5. De plus, comme on le voit dans les figures 4 et 5, les conducteurs 20, 22, 24 s'étendent à travers la paroi 38 de l'enceinte moulée 36 à partir de l'espace défini à l'intérieur vers l'extérieur de celle-ci pour une connexion externe. Egalement, les conducteurs à broches 26 s'étendent à travers la paroi 38 vers l'extérieur de celle-ci pour une connexion externe. Si l'on se réfère à présent de façon spécifique à la figure 4, le corps moulé 34 de l'enceinte moulée 36 comprend de plus une partie de diviseur 44. La partie de diviseur 44 est formée à l'aide du même composé de moulage que celui utilisé pour former le corps moulé 34, et s'étend de préférence à partir d'une position au voisinage du conducteur de sortie 24 jusqu'à une position au voisinage des conducteurs à broches 26. Le diviseur 44 divise l'espace défini par la paroi 38 de l'enceinte moulée 36 en un premier sous-espace 46 et un deuxième sous-espace 48. Une zone de pastille latérale haute 14, une zone de pastille latérale basse 12, une zone de fixation de fils latérale basse 16 et une zone de fixation de fils latérale haute 18 sont disposées à l'intérieur d'un sous-espace 46, 48 respectif. Selon un aspect de la présente invention, des zones de fixation de fils latérales hautes 18 s'étendent à travers des parois latérales 50 de la partie de diviseur 44 le long d'un plan disposé au-dessus du plan des zones de fixation de fils latérales basses 16. Comme on le voit au mieux en figure 7, un composé de moulage est disposé en dessous de chaque zone de fixation de fils latérale haute 18 de façon à former un socle respectif 52, de façon à fixer de plus chaque zone de fixation de fils latérale haute 18 dans une position au- dessus d'une zone de fixation de fils latérale basse respective 16. La partie de diviseur 44 comprend de plus une surface supérieure 54, qui se trouve de préférence au-dessus du plan des zones de pastille latérales hautes 18. Selon un autre aspect de la présente invention, le corps moulé 34 est de préférence formé au cours d'une étape de moulage par injection de façon à former une enceinte moulée 36. Ensuite, les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à puissance latérale élevée Q1r Q3 sont électriquement et mécaniquement fixés aux zones de pastille latérales hautes respectives 14 par un adhésif conducteur, tel qu'une soudure, et les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à faible puissance latérale Q2, Q4 sont électriquement et mécaniquement fixés à des zones de pastille latérale basse respectives 12, également à l'aide d'un adhésif conducteur, tel qu'une soudure. Ensuite, de la chaleur est appliquée de façon à faire refondre la soudure. Par conséquent, le composé de moulage utilisé pour former le corps moulé 34 devrait être sélectionné de façon à supporter au moins la température de refusion de la soudure sélectionnée. Après que l'on ait fait refondre la soudure, une étape de rinçage de flux est appliquée à des fins de nettoyage, après quoi l'électrode de source des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à faible puissance latérale Q2, Q4 est électriquement connectée à des zones de fixation de fils latérales basses respectives 16 par une pluralité de liaisons à fils 56, et l'électrode de source de chaque transistor à effet de champ métal-oxydesemiconducteur à puissance latérale élevée QI, Q3 est électriquement connectée à une zone de fixation de fils latérale haute respective 18 par une pluralité de liaisons à fils 56. Les liaisons à fils 56 sont de préférence fixées par ultrasons, et sont de préférence sélectionnées de façon à avoir une épaisseur appropriée aux caractéristiques de puissance du module de puissance. Autrement dit, des liaisons à fils plus épaisses sont utilisées pour des caractéristiques de puissance plus élevées. La structure représentée en figure 8 est obtenue après que des liaisons à fils aient été fixées. Si l'on se réfère à présent à la figure 9, une carte de circuits 58 est fixée à la surface supérieure 54 du diviseur 44. La carte de circuits 58 est de préférence fixée à l'aide d'un adhésif approprié, tel qu'une colle. On devra noter que la carte de circuits 58 peut être fixée à la surface supérieure 54 du diviseur 44 avant de fixer des liaisons à fils 56 sans s'écarter de la présente invention. Si l'on se réfère aux figures 9 et 10, la carte de circuits 58 comprend une pluralité de pistes conductrices 60 qui sont adaptées pour acheminer des signaux entre des zones conductrices appropriées. Par conséquent, des zones conductrices 62'Q1, 62'Q2, 62'Q3, 62'Q4 sont présentes pour transmettre des signaux de commande de grille à des zones 62"Ql, 62"Q2, 62"Q3, 62"Q4 par l'intermédiaire de pistes respectives 60. De façon caractéristique, une liaison à fils de signal 64 connecte un conducteur à broche de signal de grille 26' à une zone conductrice respective 62' Ql, 62'Q2, 62'Q3, 62'Q4, et une liaison à fils de signal respective 64 connecte une zone conductrice respective 62"Q1, 62"Q2, 62"Q3, 62"Q4 à une grille respective 66 d'un transistor à effet de champ métal-oxydesemiconducteur de puissance respective Qi, Q2, Q3, Q4 La carte de circuits 58 peut de plus comprendre une paire de zones conductrices 68', 69' qui sont électriquement connectées à une thermistance 70 par des liaisons à fils respectives. Les zones conductrices 68', 69' sont ensuite connectées par l'intermédiaire de pistes respectives à des zones conductrices 68", 69". Des broches externes 72 (voir figures 11 et 12) peuvent être fixées aux zones conductrices 68", 69" de façon à transmettre des signaux de la thermistance 70 à l'extérieur du module. La thermistance 70 peut être disposée sur n'importe quelle zone de pastille de façon à collecter une information concernant la température de la pastille. Selon un aspect de la présente invention, l'emplacement relativement central de la carte de circuits 58 peut annuler les effets défavorables des trajets de signaux. Autrement dit, en disposant la carte de circuits dans un emplacement relativement central à l'intérieur du module, le trajet de signal de grille pour les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur à puissance latérale élevée QI, Q3 peut être relativement identique. De façon similaire, les trajets de signal de grille pour les transistors à effet de champ métal-oxyde- semiconducteur à faible puissance latérale Q2, Q4 peuvent être relativement identiques. Par conséquent, les différences des valeurs de résistance et d'inductance pour les trajets de signaux des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur de puissance Q1, Q2, Q3, Q4 peuvent être minimisées. Après une fixation de fils appropriée de la carte de circuits 58 à la grille 66 de chaque transistor à effet de champ métal-oxydesemiconducteur de puissance Q1, Q2, Q3, Q4 et aux conducteurs à broches 26', un agent d'encapsulage, tel qu'un gel de silicone, est utilisé pour remplir au moins les sous-espaces 46, 48 pour protéger les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur de puissance Q1, Q2, Q3, Q4 contre l'élément d'environnement. De préférence, l'agent d'encapsulage peut s'étendre de façon à recouvrir également la carte de circuits 58. Si l'on se réfère à présent à la figure 11, un couvercle 82 est fixé à la paroi 38 de l'enceinte moulée 36 à l'aide d'un adhésif de façon à renfermer l'espace défini. On note que des connecteurs 72 s'étendent à travers des ouvertures 73 dans le couvercle 82 afin d'établir des connexions externes. Si l'on se réfère à présent à la figure 3, un module de puissance selon la réalisation préférée de la présente invention peut être fixé à un dissipateur de chaleur 86 à l'aide d'un corps adhésif thermiquement conducteur 84. De façon caractéristique, le dissipateur de chaleur 86 peut être fixé à la surface extérieure de la partie de base 40 de l'enceinte moulée 36 par un corps adhésif thermiquement conducteur 84, grâce à quoi la chaleur générée par les transistors à effet de champ métal-oxydesemiconducteur à semiconducteurs de puissance QI, Q2, Q3, Q4 peut être dissipée sans qu'il y ait besoin d'un substrat à métal isolé ou d'un substrat similaire. Egalement, le corps thermiquement adhésif 84 isole électriquement le dissipateur de chaleur 86 des zones conductrices 12, 14. Dans la réalisation préférée de la présente invention, un adhésif thermiquement conducteur approprié peut être un polymère aux silicones qui est imprégné de particules d'alumine. Egalement, dans la réalisation préférée, le bâti de connexion 10 peut être formé en cuivre, qui est, de façon optionnelle, revêtu de nickel pour améliorer la fixation de fils. Le matériau préféré pour former le corps moulé 34,peut être le polyphthalamide (PPA). Cependant, le poly(sulfure de phénylène) (PPS) peut être utilisé comme autre composé de moulage. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des réalisations particulières de celle-ci, de nombreuses autres variations et modifications et autres utilisations apparaîtront de façon évidente aux personnes ayant une bonne connaissance de la technique. REVENDICATIONS 1. Module de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend: un bâti de connexion (10), le bâti de connexion (10) comprenant une pluralité de zones conductrices espacées (12, 14, 16, 18) ; une pluralité de dispositifs à semiconducteurs de puissance (QI, Q2, Q3, Q4) fixé chacun à une zone conductrice respective (12, 14) ; un boîtier moulé (36), ledit boîtier moulé (36) comprenant des parois (38) entourant une partie inférieure (40), ladite partie inférieure (40) comprenant lesdites zones conductrices (12, 14, 16), lesdits espaces entre lesdites zones conductrices (12, 14, 16) étant remplis par un matériau de moulage (42), grâce à quoi ladite partie inférieure (40) et lesdites parois (38) constituent un corps unitaire. 2. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs à semiconducteurs de puissance (QI, Q2, Q3, Q4) sont des transistors à effet de champ métal-oxyde- semiconducteur (MOSFET) de puissance. 3. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits dispositifs à semiconducteurs de puissance (QI, Q2, Q3, Q4) sont fixés par de la soudure. 4. Module de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit boîtier moulé (36) est formé en une matière plastique qui est susceptible de supporter au moins une température de refusion de soudure de ladite soudure. 5. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un bâti de connexion de commande (10) enrobé dans ledit boîtier moulé (36) pour acheminer des signaux de commande d'une source externe vers lesdits dispositifs à semiconducteurs de puissance (QI, Q2, Q3, Q4) 6. Module de puissance selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une carte de circuits (58) disposée à l'intérieur desdites parois (38) dudit boîtier moulé (36), ladite carte de circuits (58) étant adaptée pour acheminer lesdits signaux de commande vers lesdits dispositifs à semiconducteurs de puissance (Qi, 42, 43, Q4). 7. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites zones conductrices (12, 14, 16) sont exposées et constituent une partie d'une surface extérieure de ladite partie inférieure (40). 8. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un agent d'encapsulage disposé à l'intérieur desdites parois (38) et recouvrant au moins lesdits dispositifs à semiconducteurs (Q1, Q2, Q3, Q4) 9. Module de puissance selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce qu'il comprend de plus un dessus (82) fixé auxdites parois (38). 10. Module de puissance selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit dessus (82) est collé auxdites parois (38). 11. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit boîtier moulé (36) comprend des trous de montage (73). 12. Module de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit boîtier moulé (36) est en 30 forme de c ur.