Brevet FR2878077A1 — publié le 20060519

COMPOSANT ELECTRONIQUE VERTICAL AUTOREFROIDI Domaine de l'invention La présente invention concerne le refroidissement de composants électroniques. Plus particulièrement, la présente invention concerne le refroidisserrent d'un circuit monolithique vertical susceptible d'être traversé par un courant unidirectionnel entrant ou sortant par sa face arrière. Exposé de l'art antérieur Dans les composants ou circuits électroniques réalisés sous forme monolithique, il est nécessaire d'évacuer la chaleur produite lors du fonctionnement. En particulier, pour les composants semiconducteurs à jonction, est nécessaire d'éviter une modification de la température des jonctions actives pour garantir des caractéristiques de fonctionnement stables. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un corn- posant électronique 1 vertical réalisé sous forme monolithique dans un substrat semiconducteur, ou circuit monolithique vertical. Le composant 1 comporte sur une face arrière une métallisation 5. Un courant est susceptible de traverser le composant d'une ou plusieurs métallisations (non représentées) formées sur la face avant vers la métallisation de face arrière 5. Pour refroidir le composant, la métallisation 5 est connectée thermiquement à un élément d'évacuation de la chaleur ou radiateur 7. La métal- lisation 5 est généralement isolée électriquement du radiateur 7 par un élément thermiquement conducteur, généralement une plaquette de céramique, une couche de résine ou un film isolant 9. L'évacuation de la chaleur du radiateur 7 se fait par convexion naturelle ou bien par un flux d'air produit par un ventilateur (non représenté). Pour améliorer l'évacuation de chaleur, on forme parfois dans le composant 1 une zone de caloducs de faibles dimensions, constituée d'une zone comportant des cavités dans lesquelles peut circuler un fluide de refroidissement. Malgré cela, pour des composants unidirectionnels haute tension tels que des diodes, des transistors ou des thyristors destinés à fonctionner à des puissances élevées de l'ordre de plusieurs dizaines de watts ou plus, on observe des dysfonctionnements. Ces dysfonctionnements sont attribués à une dérive des caractéristiques (seuils de commutation) due à un échauffement répété d'une jonction ou d'une zone du composant. Par ailleurs, on connaît des refroidisseurs à effet Peltier qui permettent de refroidir des sources de chaleur. De tels refroidisseurs sont par exemple constitués de cellules élémentaires comportant des éléments thermoélectriques de deux types de conductivité N et P opposés. La figure 2 est une vue en coupe partielle et schéma-25 tique de la structure d'une cellule à effet Peltier 10 sur laquelle est disposée une charge LOAD à refroidir. La cellule 10 comporte un premier élément thermoélec- trique 11 dopé de type N et un second élément thermoélectrique 12 dopé de type P. Les premier et second éléments thermoélectri- ques il et 12 sont par exemple en tellurure de bismuth (Bi2Te3). L'élément 11 est dopé au sélénium (type N) alors que l'élément 12 est dopé à l'antimoine (type P). Les éléments 11 et 12 sont connectés électriquement en série et thermiquement en parallèle. Pour ce faire, les éléments 11 et 12 sont isolés latéralement, électriquement et thermiquement. Leurs faces avant sont reliées à une même plaque conductrice 14. La face arrière de l'élément 11 est solidaire d'une plaque métallique 17 et la face arrière de l'élément 12 est solidaire d'une plaque métallique 18. La plaque 17 est reliée à une borne A d'entrée de courant. La plaque 18 est reliée à une borne B de sortie de courant. En face avant, une plaque 20 thermiquement conductrice et électriquement isolante constitue un plateau sur lequel peut être posée une charge LOAD à refroidir. En face arrière, une plaque 22 thermiquement conductrice et électriquement isolante connecte thermi- quement les métallisations 17 et 18 à un radiateur 23. En fonctionnement, on applique entre les bornes A et B de la cellule 10 une tension telle que la cellule 10 est parcourue par un courant entrant par la borne A et sortant par la borne B, c'est-à-dire allant de l'élément 11 de type N vers l'élément 12 de type P. Le sens de circulation du courant est indiqué par des flèches en figure 2. Alors, la plaque 14 devient une source froide à une température de l'ordre de -10 C pour un courant de l'ordre de l'ampère, alors que le radiateur 23 devient une source chaude à une température de 30 à 50 C. Les refroidisseurs à effet Peltier paraissent extrême-ment séduisants et présentent à première vue de nombreux avantages par rapport aux systèmes classiques d'évacuation de chaleur mais n'ont pas trouvé de nombreuses applications pratiques sauf éventuellement pour refroidir des dispositifs en atmosphère confinée ou dangereuse. L'un de leurs inconvénients est qu'ils nécessitent une source d'alimentation autonome susceptible de fournir un courant élevé. Résumé de l'invention La présente invention vise à utiliser de tels refroi-30 disseurs de façon adaptée au refroidissement d'un circuit monolithique vertical. La présente invention vise aussi à proposer un système propre à s'autoadapter à la puissance thermique à dissiper. De façon générale, la présente invention prévoit d'accoler à un circuit monolithique vertical un refroidisseur à effet Peltier de façon que la face froide du refroidisseur soit en contact thermique avec le circuit et que le courant continu traversant le circuit constitue aussi le courant générateur de l'effet Peltier. L'ensemble ainsi formé constitue un composant électronique autorefroidi. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le refroidisseur comporte un nombre impair de régions concentriques d'un matériau semiconducteur thermoélectrique, de types de conductivité alternés, isolées latéralement, et connectées électriquement en série, une face de la région centrale correspondant à une première borne, et une face opposée de la région externe correspondant à une seconde borne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le refroidisseur comporte trois régions concentriques. une région centrale d'un premier type de conductivité ; une région annulaire d'un second type de conductivité s'étendant autour de la région centrale et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région centrale; et une région périphérique du premier type de conductivité s'étendant autour de la région annulaire et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région annulaire; les régions centrale, annulaire et périphérique étant de même profondeur; les régions centrale et annulaire étant interconnectées thermiquement et électriquement par une plaque métallique centrale sur une première face chaude ou froide du refroidisseur; et les régions annulaire et périphérique étant interconnectées thermiquement et électriquement par une plaque métallique annulaire sur une seconde face froide ou chaude du refroidisseur Selon un mode de réalisation de la présente invention, la région centrale est solidaire d'une première métallisation d'entrée/sortie du courant; et dans lequel la région périphéri- que est solidaire d'une seconde métallisation d'entrée/sortie du courant, les première et seconde métallisations d'entrée/sortie du courant étant formées sur des faces opposées du refroidisseur et étant isolées thermiquement et. électriquement de la plaque métallique voisine d'interconnexion de la région centrale à la région annulaire ou de la région annulaire à la région périphérique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 les surfaces des régions centrale, annulaire et périphérique sont égales. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le courant provenant du circuit entre dans le refroidisseur par la première métallisation et ressort par la seconde métallisa- tion, le premier type de conductivité étant le type P et le second type de conductivité le type N. Selon un mode de réalisation de la présente invention, une métallisation pleine plaque s'étend sur toute la face du système comportant la plaque métallique d'interconnexion de la région centrale à la région annulaire, et est électriquement isolée de ladite plaque métallique d'interconnexion. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 illustre, en vue en coupe partielle et schématique, un composant monolithique vertical associé à un 25 radiateur d'évacuation de chaleur la figure 2 illustre, en vue en coupe partielle et schématique, un refroidisseur à effet Peltier classique; la figure 3 illustre, en vue en coupe partielle et schématique, un système de refroidissement d'un circuit mono- lithique vertical selon un mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue de dessus partielle et schéma-tique d'une partie interne de 1a structure de la figure 3 observée dans le plan A-A; et la figure 5 est une vue schématique d'un composant électronique autorefroidi selon de la présente invention. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été 5 désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 3 est une vue en coupe partielle et sché-10 matique d'un système de refroidissement selon un mode de réalisation de la présente invention. La face arrière d'un composant électronique monolithique, vertical et unidirectionnel 30 comporte une métallisation 31 de sortie de courant. La métallisation 31 repose sur une surface plane dont une partie centrale conductrice 40 est en contact électrique et thermique avec une région 51 d'une cellule d'un refroidisseur à effet Peltier 50. Selon un aspect de l'invention, la partie centrale 40 est une plaque métallique. Collure l'illustre également la vue de dessus de la figure 4, vue dans le plan A-A de la figure 3, le refroidisseur à effet Peltier comporte une région centrale 51 de type P, une région annulaire 52 de type N s'étendant autour de la région centrale 51 et une région périphérique 54 de type P s'étendant autour de la région annulaire 52. :_.,es régions centrale 51, annu- laire 52 et périphérique 54 sont des régions semiconductrices d'un substrat semiconducteur thermoélectrique. Les surfaces supérieures et inférieures des régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 54 sont coplanaires. La région centrale 51 est 30 isolée latéralement thermiquement et électriquement de la région annulaire 52 par un mur d'isolement 56. La région annulaire 52 est isolée latéralement thermiquement et électriquement de la région périphérique 54 par un mur d'isolement 57. Les régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 35 54 sont connectées électriquement en série et thermiquement en 20 parallèle deux à deux de la façon décrite ci-après en relation avec la figure 3. La région centrale 51 est connectée à la région annulaire 52 électriquement et thermiquement par une plaque conductrice 42. La plaque 42 se trouve à l'opposé de la plaque 40 de connexion à la métallisation 31 du composant 30, par exemple en face arrière. En face avant, une plaque annulaire 44 connecte électriquement et thermiquement la région annulaire 52 et la région périphérique 54. La plaque annulaire 44 s'étend autour de la plaque centrale 40 et est isolée électriquement et thermiquement de celle-ci par le mur d'isolement 56. La plaque annulaire 44 est isolée électriquement mais couplée thermiquement à la métallisation 31 du composant 30 par un élément: isolant 60 par exemple en céramique. La surface supérieure de l'élément isolant 60 est coplanaire avec la surface supérieure de la plaque centrale 40. En face arrière, la région périphérique 54 est connectée par l'intermédiaire d'une plaque annulaire 46 conductrice électriquement et thermiquement à une métallisation 48 de face arrière du système de refroidissement. La plaque 46 s'étend autour de la plaque 42. Le mur d'isolement 57:isole latéralement thermiquement et électriquement la plaque 42 de la plaque annulaire 46. Un élément 62 isole électriquement la plaque 42 de la métallisation 48. L'élément 62 permet toutefois une conduction thermique entre la plaque arrière centrale 42 et la métallisation 48. Les dimensions des plaques 42 et 46 et de l'élément 62 sont choisies de façon que la surface avant de la métallisation 48 en contact avec la plaque 46 et l'élément 62 soit plane. La surface arrière de la métallisation 48 peut être liée à un radiateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la métallisation arrière 31 du composant 30, la plaque métallique avant 40, la plaque arrière 42, la plaque annulaire avant 44 et la plaque annulaire arrière 46 sont en cuivre ou en un alliage à base de cuivre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les surfaces individuelles de chacune des régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 54 du refroidisseur à effet Peltier sont sensiblement égales. Les valeurs de ces surfaces individuelles ainsi que l'épaisseur des régions susmentionnées seront choisies, comme cela ressortira de ce qui suit, du courant continu susceptible de traverser le composant 30. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les murs d'isolement thermique et électrique 56 et 57 sont des isolants épais, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de pm. Les isolants électriques thermiquement conducteurs 60, 62 et 64 sont des isolants minces, par exemple de l'ordre de quelques centaines de pm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 54 sont formées dans un substrat de tellurure de bismuth, la région annulaire 52 étant une région dopée au sélénium et les régions centrale 52 et périphérique 54 étant dopées à l'antimoine. Lorsque le circuit monolithique vertical 30 fonctionne, un courant sort de sa métallisation de face arrière 31. Le courant pénètre dans la cellule à effet Peltier par la région centrale 51 de type P depuis la plaque avant centrale 40 vers la plaque arrière 42. Il passe alors de la plaque arrière 42 dans la région annulaire 52 vers la plaque annulaire avant 44. Enfin, le courant traverse la région périphérique 54 et sort par la plaque annulaire arrière 46 et la métallisation 48. Dans ces conditions la face avant du système, c'est-à-dire les plaques 40 et 44, devient une source froide. Cette source froide refroidit la métallisation arrière 31 du composant 30 donc la jonction ou la zone de celui-ci en cours d'échauffement. La température de fonctionnement du circuit monolithique vertical 30 est alors avantageusement abaissée et stabi- lisée. Cela permet d'améliorer le fonctionnement du circuit et d'augmenter sa durée de vie. Un avantage de la présente invention réside en ce que le système de refroidissement selon la présente invention ne 5 fait pas appel à une alimentation spécifique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, dans le cas de puissances moyennes à dissiper, c'est-à-dire lorsque le courant est de l'ordre de quelques ampères à quelques dizaines d'ampères, les différentes épaisseurs des éléments constituant le refroidisseur sont faibles et celui-ci peut avantageusement être formé directement sur la face arrière du composant unidirectionnel monolithique vertical auquel il est associé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le refroidisseur est formé séparément du composant unidirectionnel monolithique vertical auquel il est associé puis ils sont accolés par une technique appropriée, par exemple par collage ou brasage. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l' houme de l'art saura apporter toute modification de matériau et d'épaisseur nécessaire dans une filière technologique donnée. Ainsi, l'houune de l'art saura adapter les matériaux isolants à la fonction d'isolement recherchée électrique ou électrique et thermique. De même, l'homme de l'art saura adapter les matériaux conducteurs utilisés à la filière technologique utilisée. En particulier, l'homme de l'art adaptera le matériau conducteur constituant les différentes métallisations 31 et 48 et plaques conductrices 40, 42, 44 et 46 aux contraintes de conduction thermique et électrique du composant. L'homme de l'art saura également adapter les dimen- sions, notamment la surface, et les niveaux de dopage des régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 54, en parti- culier, en fonction des contraintes de courant. On notera que l'épaisseur du substrat thermoélectrique dans lequel sont formées les régions centrale 51, annulaire 52 et périphérique 54 dépend de l'abaissement de température recherché. Dans l'exemple considéré d'un substrat de tellurare de bismuth, il suffirait d'une épaisseur de l'ordre de 5 à 20 micromètres. Des substrats d'une telle épaisseur pourraient être déposés directement sur la face arrière d'un composant unidirectionnel monolithique vertical, par exemple par un dépôt laser à impulsion (pulsed laser deposition). L'homme de l'art comprendra en outre que le tellu- rare de bismuth n'a été décrit comme élément semiconducteur thermoélectrique qu'à titre d'exemple non-limitatif. L'homme de l'art notera également que le refroidisseur selon l'invention pourrait être retourné, sa face inférieure dans les figures étant en contact électrique par sa périphérie avec la métallisation de face arrière du circuit électronique vertical et la partie centrale de sa face supérieure dans les figures constituant la deuxième borne du composant autorefroidi. En outre, bien que l'on préfère actuellement utiliser un refroidisseur à trois régions concentriques de types de conductivité alternés d'un matériau semiconducteur thermoélectrique, d'autres nombres de régions et d'autres dispositions pourront être choisis par l'homme de l'art pour s'adapter à des conditions pratiques particulières. Par ailleurs, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été décrits. En particulier, l'homme de l'art saura compléter la structure des figures 3 et 4 avec tout élément nécessaire tel que, par exemple, une circulation d'air forcée par un système de ventilation. Ainsi la présente invention, comme l'illustre la figure 5, prévoit la réalisation d'un composant électronique autorefroidi 70, constitué d'un circuit monolithique vertical 30 et d'un refroidisseur à effet Peltier 50 traversés par un même courant I, susceptible d'être connecté par des conducteurs 71 et 72 à un circuit 74. Le composant électronique unidirectionnel peut être un composant unidirectionnel par nature, par exemple une diode ou un thyristor. Ce peut aussi être un composant à conduction bidirectionnelle inséré dans un circuit tel qu'il n'est susceptible d'être traversé que par un courant de direction déterminée, par exemple une résistance ou autre composant passif relié à un circuit comprenant une diode série. On a également représenté en figure 5, par un trait en pointillés 75, une éventuelle liaison entre le circuit 74 et une borne de commande du composant 30. La présente invention peut aussi s'appliquer au domaine des circuits intégrés, par exemple en prévoyant que la face arrière est métallisée et correspond à une borne du circuit intégré destinée à être connectée à une borne extérieure d'alimentation ou de référence d'alimentation. IIL entre ou il sort alors par cette métallisation de face arrière un courant correspondant sensiblement au courant total consoiluné par le circuit intégré quand il est en fonctionnement. Ainsi, dans les revendications ciaprès, le terme "circuit monolithique vertical" devra être interprété comme couvrant tout type de composant discret ou intégré, actif ou passif, dans lequel un courant est susceptible d'être extrait ou introduit par la face arrière. REVENDICATIONS 1. Composant électronique autorefroidi comprenant un circuit monolithique vertical (30), caractérisé en ce que le circuit monolithique vertical est monté électriquement en série avec un refroidisseur à effet Peltier (50) de façon que le courant continu traversant le circuit alimente le refroidisseur et en ce que le circuit et le refroidisseur sont accolés de façon que la face froide du refroidisseur soit en contact thermique avec le circuit. 2. Composant électronique autorefroidi selon la reven- dication 1, dans lequel le refroidisseur comporte un nombre impair de régions concentriques de types de conductivité alter-nés d'un matériau semiconducteur thermoélectrique, ces régions étant isolées latéralement et connectées électriquement en série, une face de la région centrale correspondant à une pre- mière borne, et une face opposée de la région externe correspondant à une seconde borne. 3. Composant électronique autorefroidi selon la revendication 2, dans lequel le refroidisseur comporte trois régions concentriques: une région centrale (51) d'un premier type de conductivité (P) ; une région annulaire (52) d'un second type de conductivité (N) s'étendant autour de la région centrale et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région centrale; et une région périphérique (54) du premier type de conductivité (P) s'étendant autour de la région annulaire et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région annulaire; les régions centrale, annulaire et périphérique étant de même profondeur; les régions centrale et annulaire étant interconnectées thermiquement et électriquement par une plaque métallique centrale (42) sur une première face chaude ou froide du refroidisseur; et les régions annulaire et périphérique étant interconnectées thermiquement et électriquement par une plaque métal- lique annulaire (44) sur une seconde face froide ou chaude du refroidisseur. 4. Composant électronique autorefroidi selon la revendication 3, dans lequel la région centrale (51) est solidaire d'une première métallisation d'entrée/sortie du courant (40) ; et dans lequel la région périphérique (54) est solidaire d'une seconde métallisation d'entrée/sortie du courant (46), les première et seconde métallisations d'entrée/sortie du courant étant formées sur des faces opposées du refroidisseur et étant isolée thermiquement et électriquement de la plaque métallique (42, 44) voisine d'interconnexion de la région centrale à la région annulaire (52) ou de la région annulaire à la région périphérique. 5. Composant électronique autorefroidi selon la revendication 4, dans lequel les surfaces des régions centrale (51), 20 annulaire (52) et périphérique (54) sont égales. 6. Composant électronique autorefroidi selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le courant provenant du circuit entre dans le refroidisseur par la première métallisation (40) et ressort par la seconde métallisation (46), le premier type de conductivité étant le type P et le second type de conductivité le type N. 7. Composant électronique autorefroidi selon la revendication 4, dans lequel une métallisation pleine plaque (48) s'étend sur toute la face du système comportant la plaque métallique (42) d'interconnexion de la région centrale à la région annulaire, et est électriquement isolée de ladite plaque métallique d'interconnexion. 8. Refroidisseur à effet Peltier adapté au refroidissement d'un circuit, comportant un nombre Impair de régions 35 concentriques de types de conductivité alternés d'un matériau semiconducteur thermoélectrique, ces régions étant isolées latéralement et connectées électriquement en série, une face de la région centrale correspondant à une première borne, et une face opposée de la région externe correspondant à une seconde borne. 9. Refroidisseur à effet Peltier selon la revendica- tion 8, comportant: une région centrale (51) d'un premier type de conductivité (P) adaptée à être accolée à au moins une partie d'une face principale du composant unidirectionnel; une région annulaire (52) d'un second type de conductivité (N) s'étendant autour de la région centrale et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région centrale; et une région périphérique (54) du premier type de conductivité (P) s'étendant autour de la région annulaire et étant latéralement isolée électriquement et thermiquement de la région annulaire; les régions centrale, annulaire et périphérique étant de même profondeur; les régions centrale et annulaire étant interconnectées thermiquement et électriquement par une plaque métallique centrale (42) sur une première face chaude ou froide du refroidisseur; et les régions annulaire et périphérique étant intercon- nectées thermiquement et électriquement par une plaque métallique annulaire (44) sur une seconde face froide ou chaude du refroidisseur. 10. Procédé de refroidissement d'un circuit monolithique vertical (30), caractérisé en ce qu'il consiste à monter le circuit électriquement en série avec un refroidisseur à effet Peltier de façon que le courant continu traversant le composant unidirectionnel alimente le refroidisseur et à accoler le circuit et le refroidisseur de façon que la face froide du refroidisseur soit en contact thermique avec le circuit.