Brevet FR2847762A1 — publié le 20040528

Elément de module électronique de puissance. L'invention concerne un élément de module électronique de puissance refroidi ainsi qu'un module comportant un tel élément. Un module électronique de puissance permet de fournir à un récepteur un courant électrique modulé en fonction des besoins. Par exemple, un tel module peut intervenir dans l'alimentation d'un moteur électrique pour lequel la puissance, le couple ou la vitesse de rotation doit être modulée. En général, ces modules de puissance comprennent des éléments comportant des composants semi-conducteurs fixés sur une face d'un support. Le support comporte un substrat isolant électriquement et deux feuilles de cuivre, l'une sur la face recevant les composants semiconducteurs, l'autre sur la face opposée du substrat. La feuille côté composants semi-conducteurs est un circuit imprimé pour établir des connexions entre les composants semi-conducteurs et des bornes de connexion. La deuxième feuille de cuivre renforce mécaniquement le substrat. Les composants semi-conducteurs sont des composants actifs par lesquels transite le courant à délivrer au récepteur. Du fait des courants importants qui y circulent, ces composants dégagent une chaleur importante, qu'il faut évacuer pour limiter la température atteinte par les composants et éviter leur détérioration. On connaît un élément de module présenté comme art antérieur par le document US 6 310 775. L'élément de module comporte un support sur une face duquel sont fixés des composants de semi-conducteurs. L'autre face du support est appliquée contre un radiateur (ou semelle) en matériau composite à matrice en aluminium et à charge de carbure de silicium AlSiC, lui-même en contact avec un dissipateur dans lequel circule un liquide caloporteur. Le support comporte un substrat en matière isolante et deux feuilles de cuivre comme décrit précédemment. La liaison entre le support et le radiateur est réalisée par brasure, avec un métal d'apport à base d'étain, ou par soudure directe entre la feuille de cuivre et le radiateur. Quelquefois, dans d'autres modes de réalisation, l'interface entre le support et le radiateur est simplement comblée par de la graisse, facilitant le transfert thermique, le support étant maintenu par ailleurs sur le radiateur par d'autres moyens mécaniques. Le matériau composite à matrice en aluminium et à charge de carbure de silicium AlSiC pour fabriquer le radiateur est choisi pour ses propriétés de dilatation thermique proches de celle du substrat, en général en céramique, pour limiter les contraintes mécaniques lors des cycles de température. De plus, il offre une bonne conductivité thermique et une faible masse volumique. L'intégration de ces modules dans un véhicule automobile propulsé par un moteur électrique ou équipé d'un alterno-démarreur rend les contraintes d'encombrement encore plus fortes que dans d'autres applications. C'est pourquoi, il est souhaitable d'augmenter la puissance d'un module ayant un volume déterminé, ou, de manière équivalente, de diminuer l'encombrement d'un module d'une puissance donnée. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un élément de module électronique de puissance à semi-conducteur, l'élément comportant des composants semi-conducteurs fixés sur un support isolant électriquement, une semelle sur laquelle est fixé le support. Selon l'invention, la semelle comporte un premier circuit de refroidissement destiné à la circulation d'un fluide caloporteur, le support formant partiellement une paroi du circuit de refroidissement pour que le fluide puisse venir en contact direct avec le support. Grâce à l'invention, le fluide caloporteur, en contact direct avec le support, refroidit les composants au plus près, contrairement à la technique antérieure o une paroi intermédiaire de la semelle ajoutait une résistance thermique. Ainsi, la puissance de refroidissement est augmentée, pour une température de fluide déterminée. La température critique des composants de semi-conducteurs est atteinte pour une puissance calorifique évacuée supérieure et donc pour une puissance électrique traversant les composants de semi-conducteur plus élevée. Avec les mêmes composants semi-conducteurs, il est possible donc d'augmenter la puissance que ceux-ci commutent. De préférence, la semelle comporte des rainures pour former le circuit de refroidissement, des ponts subsistant entre les rainures, le support étant fixé en outre sur les ponts. Ainsi, le support a des portées sans fixation de taille limitée à la largeur des rainures, ce qui permet d'étendre la surface de refroidissement sans être limité par la résistance à la flexion du support. En effet, celui-ci peut être sollicité par la pression ou les variations de pression du fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation particulier, la semelle est un matériau composite incorporant du carbure de silicium AlSiC dans une matrice de l'un des matériaux suivants: aluminium, cuivre, alliage cuivre-molybdène, alliage cuivre-tungstène. Le support comporte par exemple un substrat isolant électriquement, et deux feuilles de cuivre de part et d'autre du substrat. Dans le cas de feuille en cuivre, la liaison entre le support et la semelle est réalisée par brasure à base d'étain ou par soudure sans métal d'apport. La brasure est facile à réaliser, tandis que la soudure directe permet d'éviter une couche supplémentaire apportant nécessairement une résistance thermique supplémentaire. L'invention a aussi pour objet un module comportant au moins un élément tel que décrit précédemment, et une embase supportant la semelle, l'embase étant en matière synthétique. L'embase est donc légère, facile à fabriquer avec la possibilité de formes complexes pour y placer l'élément formé par la semelle et le support, voire plusieurs éléments de ce type. Dans un perfectionnement, l'embase comporte un deuxième circuit de refroidissement pour refroidir la semelle. Les capacités de refroidissement sont encore améliorées. Le retour du fluide caloporteur des deux circuits de refroidissement pourra par exemple être commun. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un module selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure la une vue en coupe d'un module selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue de dessous du module de la figure 1; - la figure 2a est une vue de dessous du module de la figure la; - la figure 3 est une vue de dessus d'un module - les figures 4a et 4b sont des vues en coupe d'un élément du module, selon deux variantes; - la figure 5 est une vue de dessus d'un élément du module; les figures 6a à 6d sont des vues de dessus de semelles selon quatre variantes du circuit de refroidissement. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, montré sur les figures 1, 2 et 3, un module de puissance 1 comporte une embase 2 sur laquelle sont fixés trois éléments 3. Les éléments 3 comportent des composants semi- conducteurs 31 qui forment la partie active de commutation de puissance du module. En général, le module 1 est intégré dans un boîtier, non représenté, lequel comporte des bornes de connexion électrique vers les autres appareils électriques du circuit. Un élément 3 est détaillé sur les figures 4a à 6d. Il comporte une semelle 32 sur laquelle est fixé un support 33 pour supporter les composants semi10 conducteurs 31. Le support 33 comporte un substrat 331 en matière isolante et deux feuilles conductrices 332, 333, de part et d'autre du substrat 331. De manière classique, le substrat 331 est en céramique, et les feuilles conductrices sont en cuivre, mais d'autres matériaux peuvent convenir. Pour le substrat, il est envisageable d'utiliser de l'oxyde d'aluminium A1203, du nitrure d'aluminium AlN ou du nitrure de silicium SiN. Les feuilles de cuivre 332, 333 sont par exemple fixées par un procédé dit DCB (direct copper bonding), procédé par lequel un alliage eutectique de cuivre et d'oxyde de cuivre est formé entre la céramique et le cuivre, cet alliage ayant d'excellentes propriétés d'adhésion avec respectivement le cuivre et la céramique. La semelle 32 comporte deux trous de fixation 327 pour la fixation de l'élément sur l'embase 2, par exemple par l'intermédiaire de vis 328. L'une des feuilles conductrices, dite supérieure 332, est découpée partiellement pour former un circuit imprimé sur le substrat 331. Les composants semi-conducteurs 31 y sont fixés de manière classique, par exemple par collage. Des fils conducteurs, non représentés, sont fixés sur le circuit imprimé et sur les composants semiconducteurs 31 pour établir des liaisons électriques. Ces fils sont par exemple en aluminium. La semelle 32 est classiquement matériau composite à matrice d'aluminium incorporant du carbure de silicium (AlSiC). D'autres matériaux sont envisageables, tels que du cuivre, des alliages de cuivre-molybdène ou de cuivre-tungstène. Selon l'invention, la semelle 32 comporte un premier circuit de refroidissement dessiné à sa surface supérieure 321 venant en contact avec le support 33. Le premier circuit de refroidissement comporte un canal d'entrée 323, une pluralité de canaux de circulation 325 et un canal de sortie 324. Les canaux d'entrée et de sortie débouchent sur la face inférieure 322 de la semelle et dans l'un des canaux de circulation 325. Le support 33 est fixé sur la face supérieure 321 de la semelle 32 en recouvrant entièrement le dessin du premier circuit de refroidissement. Comme on le distingue sur la figure 4a, les canaux de circulation 325 ont une forme de rainures laissant subsister entre elles des ponts 326 sur lesquels le support 33 est également fixé. Différentes variantes du circuit de refroidissement sont montrées sur les figures 6a à 6d. Dans la variante montrée sur la figure 6a, les canaux d'entrée 323a et de sortie 324a sont disposés à des sommets opposés d'une forme rectangulaire, et les canaux de circulation 325a forment un serpentin inscrit dans la forme rectangulaire. Dans la variante montrée sur la figure 6b, les canaux d'entrée 323b et de sortie 324b sont disposés à des sommets opposés d'une forme rectangulaire, comme dans la première variante, et les canaux de circulation 325b dessinent la forme rectangulaire d'une part, et d'autre part dessinent des branches régulièrement espacées et parallèles aux grands côtés de la forme rectangulaire. Dans la variante de la figure 6c, les canaux de circulation 325c dessinent la même forme que dans la deuxième variante de la figure 6b, mais les canaux d'entrée 323c et de sortie 324c débouchent au milieu des petits côtés de la forme rectangulaire. Dans une quatrième variante, montrée sur la figure 6d, les canaux de circulation 325d dessinent également la même forme que dans la deuxième variante de la figure 6b, mais les canaux d'entrée 323d et de sortie 324d débouchent à deux sommets de la forme rectangulaire le long du même grand côté. La semelle 32 peut être réalisée par usinage, par moulage direct ou avec un insert fusible, par électroérosion ou tout autre procédé adapté. L'assemblage du support 33 et de la semelle 32 peut être réalisé, dans une première variante montrée sur la figure 4a, par brasure à l'étain. Dans ce cas, une couche d'alliage à base d'étain 334 couvre la deuxième feuille conductrice 333 et établit la liaison avec la semelle 32 d'une part à la périphérie du circuit de refroidissement et, d'autre part, sur les ponts 326. Ainsi, une étanchéité est réalisée entre le support 33 et la semelle 32. Dans une deuxième variante, montrée sur la figure 4b, la soudure est réalisée sans apport de matière, selon un procédé exposé dans la demande de brevet WO 01/36349, pour former l'élément 3' du module. Selon ce procédé, la semelle 32, en composite à matrice d'aluminium, est mise en contact avec le cuivre de la feuille métallique inférieure 333 et porté à une température suffisante pour que se forme un alliage eutectique d'aluminium et de cuivre. Ladite température est nettement inférieure à la température de fusion respective des deux métaux, elle est par exemple supérieure à 548 OC. En se référant à nouveau aux figures 1, 2 et 3, trois éléments 3 sont disposés côte à côte dans une première cavité 21 de l'embase 2, en appui sur une face inférieure 22 de la cavité 21, la première cavité 21 débouchant sur la face supérieure de l'embase. Les éléments sont reliés électriquement entre eux par des fils 34 soudés sur les circuits imprimés, ainsi qu'à des bornes de connexion 28 par des fils 35. Les moyens de connexion du module vers les appareils du circuit électrique ne sont pas représentés. L'embase 2 comporte une deuxième cavité 24 débouchant sur la face inférieure de l'embase 2 et ayant une forme de U, occupant sensiblement la même surface que la première cavité 21. L'embase 2 comporte un manchon de connexion d'entrée principale 241 ayant un orifice débouchant dans la deuxième cavité 24, au niveau de l'une des branches du U. L'embase 2 comporte également un manchon de connexion de sortie 243 ayant un orifice débouchant dans la deuxième cavité 24, au niveau de l'autre branche du U. Les manchons de connexion 241, 243 et la deuxième cavité 24 forment un deuxième circuit de refroidissement. L'embase 2 comporte des canalisations d'alimentation 27 provenant d'un manchon de connexion d'entrée secondaire 242, et se subdivisant en trois pour déboucher en regard de chacun des canaux d'entrée 323 des trois éléments 3. Des joints toriques 25, logés dans une collerette au débouché des canalisations d'entrée 27 sur la surface inférieure 22 de la première cavité, réalisent une étanchéité entre les éléments 3 et l'embase 2. L'embase 2 comporte des canalisations de retour 23 débouchant d'une part en regard de chacun des canaux de sortie 324 des trois éléments 3, et se regroupant pour déboucher en un seul endroit dans la deuxième cavité 24 d'autre part. Des joints toriques , logés dans une collerette au débouché des canalisations de retour 23 sur la surface inférieure 22 de la première cavité, réalisent une étanchéité entre les éléments 3 et l'embase. Un premier circuit de refroidissement est donc établi depuis le manchon de connexion d'entrée secondaire 242 jusqu'au débouché dans la deuxième cavité 24. Une plaque de fond 26, fixée sur l'embase par exemple par des vis réparties sur la périphérie de la plaque, obture la deuxième cavité 24. Dans le deuxième mode de réalisation, montré sur les figures la et 2a, l'embase 2' comporte une deuxième cavité divisée en deux compartiments 24a, il 24b ayant une forme de L et positionnés tête-bêche. Ils sont séparés par une paroi 244. Des canalisations d'entrée 27' relient directement le premier compartiment 24a aux canaux d'entrée 323 des éléments 3. Des canalisations de retour 23' relient directement les canaux de sortie 324 des éléments 3 au deuxième compartiment 24b. L'embase 2 comporte un manchon de connexion d'entrée principale 241' ayant un orifice débouchant dans le premier compartiment 24a. L'embase 2 comporte également un manchon de connexion de sortie 243' ayant un orifice débouchant dans le deuxième compartiment 24b. Lors du fonctionnement du module 1 selon le premier mode de réalisation, les composants semiconducteurs sont traversés par des courants électriques et génèrent de la chaleur. Un fluide caloporteur est mis en circulation en arrivant par des conduits, non représentés, connectés sur les manchons de connexion d'entrée 241, 242. Le fluide entre dans le premier circuit de refroidissement par le manchon de connexion d'entrée secondaire 242, passe par les canalisations d'entrée 27, entre dans les éléments 3 par les canaux d'entrée 323, passe par les canaux de circulation 325, puis par les canaux de sortie 324 et retourne dans la deuxième cavité 24 par les canalisations de retour 23. On constate que grâce à l'invention, le fluide vient directement en contact avec le support 33 des éléments 3, assurant ainsi au plus près l'évacuation des calories générées par le fonctionnement des composants semi-conducteurs 31. Un fluide est mis également en circulation dans le deuxième circuit de refroidissement. Il entre par le manchon de connexion d'entrée principale 241, puis circule dans la deuxième cavité 24 d'une branche à l'autre du U, pour sortir par le manchon de connexion de sortie 243. Le fluide issu du premier circuit de refroidissement sort également par le manchon de connexion de sortie 243. Le deuxième circuit de refroidissement assure une évacuation des calories résiduelles reçues par l'embase 2. Lors du fonctionnement du module 1' selon le deuxième mode de réalisation, un fluide caloporteur est mis en circulation en arrivant par des conduits, non représentés, connectés sur le manchon de connexion d'entrée 241'. Le fluide entre dans le premier compartiment 24a de la deuxième cavité, passe par les canalisations d'entrée 27', entre dans les éléments 3 par les canaux d'entrée 323, passe par les canaux de circulation 325, puis par les canaux de sortie 324 et retourne dans le deuxième compartiment 24b de la cavité par les canalisations de retour 23'. Comme précédemment, on constate que le fluide vient directement en contact avec le support 33 des éléments 3. REVENDICATIONS 1. Elément (3) d'un module électronique (1, 1') de puissance à semiconducteurs, l'élément (3) comportant des composants semi-conducteurs (31) fixées sur un support (33) isolant électriquement, une semelle (32) sur laquelle est fixé le support (33), caractérisé en ce que la semelle (32) comporte un premier circuit de refroidissement destiné à la circulation d'un fluide caloporteur, le support (33) formant partiellement une paroi du circuit de refroidissement pour que le fluide puisse venir en contact direct avec le support (33). 2. Elément (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la semelle (32) comporte des rainures (325) pour former le circuit de refroidissement, des ponts (326) subsistant entre les rainures (325), le support (33) étant fixé en outre sur les ponts (326). 3. Elément (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la semelle (32) est un matériau composite incorporant du carbure de silicium dans une matrice de l'un des matériaux suivants - aluminium, cuivre, alliage cuivre-molybdène, alliage cuivretungstène. 4. Elément (3) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support (33) comporte un substrat (331) isolant électriquement, et deux feuilles (332, 333) de cuivre de part et d'autre du substrat. 5. Elément (3) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison entre le support (33) et la semelle (32) est réalisée par brasure à base d'étain. 6. Elément (3) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison entre le support (33) et la semelle (32) est réalisée par soudure sans métal d'apport. 7. Module électronique de puissance à semi10 conducteurs, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément (3) selon la revendication 1, une embase (2) supportant la semelle (32), l'embase (2) étant en matière synthétique. 8. Module selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'embase (2) comporte un deuxième circuit de refroidissement pour refroidir la semelle (32).