Brevet FR2920263A1 — publié le 20090227

ENSEMBLE DE COMMUTATION POUR UN SYSTEME D'ALLUMAGE D'AVION La présente invention concerne en général des ensembles de commutation. La présente invention concerne plus particulièrement des ensembles de commutation utilisés dans des circuits haute tension comme des systèmes d'allumage d'avion. Les commutateurs utilisés dans des circuits haute tension doivent pouvoir maintenir la haute tension sans fuite de courant. Par conséquent, certains paramètres physiques doivent être pris en considération pour maximiser la tension que le commutateur est capable de traiter sans entraîner de fuite de courant. Le brevet US 5 592 118 décrit un dispositif de commutation semi-conducteur de thyristor à courant pulsé (PPT) qui est conçu pour réguler la fuite de courant à travers le bord de celui-ci par biseautage mécanique du bord du commutateur afin de réguler la fuite. Le bord du commutateur PPT peut être biseauté par décapage au sable ou découpe à la scie et le bord biseauté est ensuite lissé par décapage chimique. Un film de polyimide ou une autre couche diélectrique est appliquée au biseau pour réduire la fuite de surface. Selon un aspect de l'invention, il existe un ensemble de commutation pour un système d'allumage d'avion haute tension. L'ensemble de commutation comprend un substrat supportant une surface d'anode, un semi-conducteur connecté à la surface d'anode, une pluralité de conducteurs pour la connexion électrique à l'ensemble et une imprégnation couvrant au moins une partie du semi-conducteur et des conducteurs. Le semi-conducteur a un port et une cathode haute tension. Les conducteurs comprennent un premier conducteur raccordé électriquement au port haute tension, un second conducteur raccordé électriquement à la cathode et un troisième conducteur raccordé électriquement à la surface d'anode. Des modes de réalisation préférés de l'invention seront décrits ci-après en rapport avec les dessins associés dans lesquels des désignations similaires indiquent des éléments similaires et dans lesquels : La figure 1 est une vue en perspective en éclaté d'un mode de réalisation d'un ensemble de commutation construit selon l'invention ; 2 La figure 2 est une vue en perspective de l'ensemble de commutation de la figure 1 dans un état partiellement monté ; La figure 2a est une vue en perspective de l'ensemble de commutation de la figure avant imprégnation des composants de l'ensemble ; La figure 3 est une vue en perspective de l'ensemble de commutation de la figure 1 après imprégnation ; la figure 4 est une vue en perspective de l'ensemble de commutation fini de la figure 1 ; La figure 5 est une vue de dessus, partiellement coupée, d'une matrice de 10 commutation utilisée dans l'ensemble de commutation de la figure 1 ; La figure 6 est une vue latérale de la matrice de commutation ; La figure 7 est une vue en perspective de la matrice de commutation ; et La figure 8 est une vue partielle, en perspective d'un second mode de réalisation de l'invention dans lequel un ensemble de commutation est monté en 15 surface directement sur une carte de circuit imprimé et ensuite imprégné sur place. Si l'on se réfère aux figures 1 à 4, un mode de réalisation de l'ensemble de commutation porte en général la référence 10. L'ensemble de commutation est conçu pour réduire la fuite de courant à travers les bords de celui-ci. De plus, l'ensemble de commutation 10 a été conçu de telle manière qu'il peut être fabriqué en utilisant une 20 ligne de montage essentiellement automatisée. Le procédé de fabrication de l'ensemble de commutation 10 fera ensuite l'objet d'une discussion plus détaillée. L'ensemble de commutation 10 comprend une base ou substrat céramique en nitrure d'aluminium 12. Les figures montrent que le substrat céramique 12 est un carré. Les hommes du métier apprécieraient que le substrat céramique 12 puisse 25 définir toute forme nécessaire ou souhaitable en fonction des paramètres de l'espace dans lequel l'ensemble de commutation 10 sera monté. Une surface de cuivre 14 est reliée au substrat céramique 12. La surface de cuivre 14 est fixée au substrat céramique 12 par des méthodes traditionnelles. Une matrice de commutation, en général avec la référence 16, est soudée à la 30 surface de cuivre 14. La matrice de commutation 16 comprend une surface d'anode soudable 18 qui est disposée au fond de la matrice de commutation 16. La surface d'anode 18 est soudée à la surface de cuivre 14, ce qui peut être fait par des techniques traditionnelles comme le soudage par refusion. Les hommes du métier peuvent apprécier que, dans certains modes de réalisation, la surface de cuivre 14 puisse agir comme la surface d'anode, ce qui supprimerait la nécessité d'avoir une surface d'anode séparée 18 sur la matrice de commutation 16. Dans le mode de réalisation montré, la matrice de commutation 16 comprend principalement une grille de semi-conducteur 20 avec la surface d'anode 18 fixée à l'arrière de ce semi-conducteur 20. Un capuchon en céramique 21 est placé sur le dessus de la grille de semi-conducteur 20, avec une surface de port 22 et deux surfaces de cathode 24 sur le dessus. La surface de port 22 est disposée entre les deux surfaces de cathode 24. Toutes les surfaces 22, 24 sont parallèles les unes aux autres. Une grille de connexion, portant en général la référence 26, est soudée aux surfaces de port 22 et de cathode 24. La grille de connexion 26 comprend des bornes de réception de surface 28 pour chacune des surfaces de cathode 24 et une seule borne de réception de surface simple 30 pour la surface de port 22. Les deux bornes de réception de surfaces 28 sont connectées l'une à l'autre électriquement via un pont cathodique 32. Il existe des prolongateurs de port 36 et de cathode 34 s'étendant vers le haut depuis la borne de réception de surface simple 30 pour la surface de port 22 et le pont cathodique 32. Les extrémités distales des prolongateurs 34, 36 sont connectées par une entretoise de grille de connexion 38. De manière similaire, une borne de réception de surface 40 est soudée à une surface d'anode 18. Un prolongateur d'anode 42 s'étend vers le haut à partir de la borne de réception de surface 40 pour la surface d'anode 18 et est éventuellement connecté à l'entretoise de la grille de connexion 38 à l'extrémité discale de celle-ci. La borne de réception de surface 40 pour la surface d'anode 18 est en réalité soudée à la surface de cuivre 14. Les hommes du métier apprécieraient que, si la surface d'anode 18 est conçue de manière à ce qu'une bride s'étende vers l'extérieur au-delà de la matrice de commutation 16, la borne de réception de la surface 40 pour la surface d'anode 18 pourrait être soudée directement à la surface d'anode 18 et non à la surface de cuivre 14. Il est prévu que les bornes de réception de surfaces 28, 30, 42, les prolongateurs 34, 36, 42 et l'entretoise de grille de connexion 38 soient toutes fabriquées comme une structure unitaire. Une coque d'imprégnation 44 est fixée au substrat céramique 12 autour de la surface de cuivre complète 14. Un couvercle partiel 46 s'étend sur une partie de l'ensemble de commutation 10. Les prolongateurs de cathode 34, de port 36 et 4 d'anode 42 s'étendent vers l'extérieur au-delà du couvercle partiel à travers une ouverture définie par le couvercle partiel 46. Un matériau d'imprégnation 48 est versé à l'intérieur de la coque d'imprégnation 44 et peut durcir pour étanchéifier l'ensemble de commutation 10 dedans. Lorsque le matériau d'imprégnation 48 est durci à l'intérieur de la coque d'imprégnation 44, seuls les prolongateurs 34, 36, 42 et l'entretoise de la grille de connexion 38 sont visibles. Suite au durcissement du matériau d'imprégnation 48, l'entretoise de la grille de connexion 38 est enclenchée ou retirée des prolongateurs 34, 36, 42 pour fournir des connexions électriques indépendantes à chaque surface d'anode 18, surface de port 22 et surface de cathode 0 24. Si l'on se réfère aux figures 5 à 7, elles montrent en général la matrice de commutation 16. La matrice de commutation 16 est montrée avec la surface de port 22 et les deux surfaces de cathode 24 fixées dessus. Dans la grille de semi-conducteurs 20 se trouvent une pluralité de ports 50 et une pluralité de cathodes 52. 15 La pluralité de port 50 et de cathodes 52 est formée à l'intérieur d'une grille de semi-conducteurs 20 pendant les phases d'imprégnation de celle-ci. Chaque pluralité de cathodes 52 est entourée de deux pluralités de ports 50. Chaque pluralité de cathodes 52 et chaque pluralité de ports 50 sont disposées adjacente l'une à l'autre et s'étendent parallèlement l'une à l'autre. La pluralité de ports 50 et de cathodes 52 20 s'étend perpendiculairement à la surface de port 22 et aux deux surfaces de cathodes 24. Des points de soudage 54 sont montrés sur trois des cathodes 52 qui sont montrées à travers la partie découpée sur la figure 5. Ces points de soudage s'étendent vers le haut à travers la couche céramique supérieure 21 et sont physiquement connectés aux surfaces de cathode 24 aux points de soudage 56. Les 25 ports 50 comprennent aussi des points de soudage 54 qui s'étendent vers le haut et sont connectés physiquement à la surface de port 22. La surface de cathode 24 qui n'est pas coupée et la surface de port 22 présentent des points de soudure 56 qui représentent les points à travers la grille de semi-conducteurs 20 où les surfaces 22, 24 rencontrent respectivement les ports 50 et les cathodes 52. La matrice de commutation 16 est fabriquée à l'aide d'une structure de type cellulaire similaire à celle utilisée dans les dispositifs MOSFET et IGBT. La matrice de commutation 16 utilise une technologie planaire standard par opposition à une diffusion en profondeur et est fabriquée à l'aide d'une technique d'amélioration d'extrémité de raccordement JTE qui maintient le courant de fuite du bord à un niveau bas et prévisible. La matrice de commutation 16 avec son capuchon céramique 21 et les surfaces de port et de cathode 22, 24 peuvent être obtenues auprès de Silicon Power Corp. de Malvern, Pennsylvanie, USA 5 (www.siliconpower.com) qui produit ce composant utilisant une matrice de commutation JTE disponible chez Micrel Inc. de San Jose, Californie, USA (www.micrel.com). L'ensemble de commutation fini 10 peut être fixé à une carte de circuit imprimé et soudé dans un circuit à l'aide de techniques traditionnelles. Cependant, en plus de l'imprégnation de l'ensemble de commutation 10 dans un paquet pour être utilisé comme un composant distinct qui est ensuite soudé à une carte de circuit imprimé via les prolongateurs de bornes 34, 36, 42, la configuration de la matrice de commutation 16 lui permet d'être montée directement sur une carte de circuit imprimé en tant que dispositif de surface par soudage de l'anode directement à une surface sur la carte de circuit imprimé et en utilisant ensuite des bornes de conducteurs pour connecter la surface de port 22 et les surfaces de cathode 24 aux surfaces de dessus sur la carte de circuit imprimé. Ceci est illustré sur la figure 8. Une bague d'étanchéité 60 en plastique par exemple peut être placée sur la carte de circuit imprimé 62 autour de la matrice de commutation 16 et des bornes de conducteurs 64, 66 et ensuite du matériau d'imprégnation versé dans la bague d'étanchéité pour encastrer complètement la matrice de commutation et les bornes de conducteurs dans le matériau d'imprégnation directement sur la carte de circuit imprimé. Comme avec d'autres composants de la carte de circuit imprimé, la matrice de commutation peut être placée et soudée d'une manière automatisée en utilisant, par exemple, une machine bras-transfert. Dans n'importe lequel des modes de réalisation, l'imprégnation des composants peut être effectuée par du matériau d'imprégnation doté d'un faible coefficient de dilatation thermique de manière à s'adapter étroitement aux propriétés de la matrice de commutation 16. Par exemple, des matériaux d'imprégnation disponibles sur le marché comme Henkel HysolTM FP4651 et Hysol FP4450LV peuvent être utilisés à cet effet. L'ensemble de commutation 10 peut être utilisé dans diverses applications haute tension pour lesquelles un faible courant de fuite est souhaitable. Par exemple, 6 il est utile dans des systèmes d'allumage d'avion, comme des systèmes d'allumage à décharge capacitive pour moteurs d'avion à turbine. On pense que l'utilisation des bornes de conducteurs illustrées pour toutes les connexions à la matrice de commutation, plutôt que par micro-câblage, contribue à la capacité de l'ensemble de commutation à présenter des vitesses de commutation de courant très élevées (di/dt) en procurant à la matrice de commutation des connexions inductives très faibles. Les bornes et prolongateurs de conducteurs utilisés dans la grille de connexion 26, ainsi que les bornes de conducteurs illustrés sur la figure 8 peuvent être faits par un estampage traditionnel et/ou d'autres techniques de formation du métal. Il faut comprendre que la description précédente n'est pas une définition de l'invention mais une description d'un ou de plusieurs modes de réalisation préférés de l'invention. L'invention n'est pas limitée au(x) mode(s) de réalisation particulier(s décrits ici mais est plutôt définie uniquement par les revendications ci-dessous. En outre, les déclarations contenues dans la description précédente concernent des modes de réalisation particuliers et ne sont pas construites comme des limites au domaine de l'invention ou sur la définition des termes utilisés dans les revendications, sauf lorsqu'un terme ou une phrase sont expressément définis ci-dessus. Divers autres modes de réalisation et divers changements et modifications apportés au(x) mode(s) de réalisation décrit(s) deviendront évidents pour les hommes du métier. Par exemple plutôt que d'utiliser une surface en cuivre 14 fixée à la céramique 12, une pâte métallique peut être écrantée sur la céramique qui est durcie au four. La matrice de commutation 16 peut ensuite être soudée sur cette pâte durcie par des techniques de soudage courantes. Un autre exemple est donné par les dimensions de la coque d'imprégnation 44 qui peut être la même que celle du substrat 12 de sorte que le composant fini n'a pas le bec inférieur visible comme le montre la figure 2A. Autre exemple encore : les conducteurs 34, 36 et 42 illustrés sur les figures 1 - 4 peuvent être orientés dans l'alignement les uns des autres plutôt que dans la configuration triangulaire indiquée. Tous ces autres modes de réalisation, changements modifications ont pour but d'entrer dans le domaine des revendications associées. Comme cela est utilisé dans cette spécification et dans ces revendications, les termes (( par exemple et tel que et les verbes comprenant ayant , incluant et leurs autres formes verbales, en coordination avec une liste d'un ou de plusieurs composants ou autres articles, doivent être construits chacun de manière 7 extensible, ce qui signifie que la liste ne doit pas exclure d'autres composants ou articles supplémentaires. D'autres termes doivent être construits au sens raisonnable le plus large, sauf s'ils sont utilisés dans un contexte qui requiert une interprétation différente. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble de commutation (10) pour système d'allumage d'avion haute tension, ledit ensemble de commutation (10) comprenant : un substrat (12) ; une surface d'anode (18) soutenue par ledit substrat (12) ; un semi-conducteur (20) connecté à ladite surface d'anode (18), ledit semi-conducteur (20) ayant un port (22) et une cathode (24) haute tension ; une pluralité de conducteurs (32, 34, 36) comprenant un premier conducteur raccordé électriquement audit port haute tension (22), un second conducteur raccordé électriquement à ladite cathode (24) et un troisième conducteur raccordé électriquement à ladite surface d'anode (18) ; et une imprégnation (48) couvrant au moins une partie desdits conducteurs, dudit port haute tension (22), de ladite cathode (24) et de ladite surface d'anode (18). 2. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 1, comprenant en outre une surface de port (22) interconnectant ledit port (22) haute tension et ledit premier conducteur et comprenant en outre une surface de cathode (24) interconnectant ladite cathode et ledit second conducteur. 3. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 2, dans lequel ladite surface d'anode (18) est placée sur le fond dudit semi-conducteur (20), lesdites surfaces de port (22) et de cathode (24) sont placées sur le dessus dudit semi-conducteur (20) et lesdits conducteurs (34, 36, 42) s'étendent vers le haut au-dessus et loin dudit côté supérieur. 4. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ledit semi-conducteur (20) comprend une matrice de commutation qui inclut ledit semi-conducteur (20) ayant ladite surface d'anode (18) fixée à l'arrière du semi-conducteur (20) et ayant un capuchon céramique (21) monté sur le dessus dudit semi-conducteur (20), dans lequel lesdites surface de port (22) et surface de cathode (24) sont montées sur ledit capuchon céramique (21).. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 4, dans lequel ladite surface de cathode (24) est une première surface de cathode (24) et dans laquelle ledit capuchon céramique (21) comprend en outre une seconde surface de cathode (24). 6. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 5, dans laquelle lesdites surfaces de cathode (24) sont toutes deux connectées audit second conducteur. 7. Ensemble de commutation (10) selon l'une quelconque des précédentes 10 revendications, dans lequel ledit substrat (12) est un substrat céramique (12) ayant une surface électrique sur le dessus dudit substrat et dans lequel ladite surface d'anode (18) est fixée audit semi-conducteur (20) et soudée à ladite surface électrique et dans lequel ledit troisième conducteur est soudé à ladite surface électrique. 15 8. Ensemble de commutation (10) pour système d'allumage d'avion haute tension, ledit ensemble de commutation (10) comprenant : un substrat céramique (12) ; une surface d'anode (18) fixée audit substrat céramique (12) ; une matrice de commutation (16) ayant une grille de semi-conducteur (20) 20 comprenant une pluralité de ports (50) et une pluralité de cathodes (52) ; une surface de port (22) fixée à ladite matrice de commutation (16) et connectée électriquement à ladite pluralité de ports (50) ; une surface de cathode (24) fixée à ladite matrice de commutation (16) et connectée électriquement à ladite pluralité de cathodes (52) ; et 25 une grille de connexion (26) comprenant une pluralité de conducteurs individuels incluant un premier conducteur soudé à ladite surface de port (22), un second conducteur à ladite surface de cathode (24) et un troisième conducteur à ladite surface d'anode (18) pour faciliter la connexion électrique dudit ensemble de commutation (10) avec le système d'allumage d'avion haute tension. 30 9. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 8, dans lequel ladite pluralité de ports (50) sont fixés à l'intérieur de ladite matrice de commutation (16).510. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 9 dans lequel ladite pluralité de cathodes (52) est fixée à l'intérieur de ladite matrice de commutation (16). 11. Un ensemble de commutation (10) selon la revendication 10, dans lequel ladite pluralité de cathodes (52) est disposée adjacente à deux de la pluralité de ports (50). 12. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 11, dans lequel lesdits ports (22) s'étendent dans une direction parallèle aux dites cathodes. 13. Ensemble de commutation (10) selon la revendication 12, dans lequel ladite surface de port (22) et ladite surface de cathode (24) s'étendent dans une direction perpendiculaire à ladite pluralité de ports (50) et à ladite pluralité de cathodes (52). 14. Ensemble de commutation (10) selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel ladite matrice de commutation (16) comprend en outre un capuchon céramique (21) fixé à la dite grille de semi-conducteur (20) au-dessus de ladite pluralité de ports (50) et de cathodes (52) et dans lequel ladite surface de port (22) et ladite surface de cathode (24) sont fixées à une couche de surface dudit capuchon céramique (21) et sont connectées respectivement à chaque port (22) et cathode (24).20