Brevet FR3037188A1 — publié le 20161209

B14237 - DD16235 1 DISPOSITIF PYROTECHNIQUE POUR CIRCUIT ÉLECTRONIQUE Domaine La présente description concerne de façon générale les systèmes électroniques et, plus particulièrement, un composant ou circuit électronique de puissance équipé d'une sécurité 5 pyrotechnique. Exposé de l'art antérieur Dans les circuits électroniques de puissance, on utilise des composants de puissance (transistors de puissance, diodes, thyristors, triacs, thyristors, etc.) ayant des fonctions de 10 commutation automatique ou commandée. Ces composants se retrouvent, par exemple, dans les onduleurs de commande d'un moteur (typiquement dans un véhicule électrique), les convertisseurs de puissance, ainsi que dans les coupe-circuits de puissance tels que les disjoncteurs, contacteurs statiques, etc. 15 En cas de défaillance d'un interrupteur de puissance, il est particulièrement important que cette défaillance se traduise par une ouverture du circuit (interruption de la connexion effectuée par le composant de puissance) et non par un court-circuit. En effet, une défaillance en court-circuit peut se 20 traduire par une mise en court-circuit de la source d'alimentation du système et engendrer des courants très importants de plusieurs milliers d'ampères. De tels courants engendrent des surchauffes 3037188 B14237 - DD16235 2 telles que le système peut prendre feu, ce qui est particulièrement dangereux. L'utilisation d'un fusible entre la source d'énergie et le système électronique de puissance s'avère parfois insuffisante. On a déjà proposé d'utiliser des éléments pyrotechniques pour provoquer une ouverture d'un circuit électrique et garantir l'ouverture en circuit ouvert et non en court-circuit en cas de défaillance se traduisant par un courant trop élevé. Le document FR-A-3005782 décrit un sectionneur pour source d'alimentation électrique continue de puissance, basé sur une ouverture d'un contact par déclenchement pyrotechnique. L'explosion de l'élément pyrotechnique est commandée par une commande externe et les gaz produits par l'explosion se répandent dans une chambre de dilatation et entrainent une lame mobile qui rompt le conducteur électrique à sectionner. Le document EP-A-1709335 décrit un microsystème pyrotechnique dans lequel un matériau pyrotechnique est déposé sur un substrat. L'explosion du matériau pyrotechnique génère une quantité de gaz provoquant un actionnement. L'initiation de la matière pyrotechnique est provoquée par une piste ou fil résistif chauffant dans lequel on déclenche, par une centrale de commande, la circulation d'un courant. Le document EP-A-1344744 décrit une microvanne à actionnement pyrotechnique, basée sur le déclenchement d'un 25 matériau pyrotechnique déposé sur une résistance électrique. Dans tous ces systèmes, un élément de commande externe provoque le déclenchement de la charge pyrotechnique. Résumé Un mode de réalisation pallie tout ou partie des 30 inconvénients des circuits électroniques de puissance usuels. Un mode de réalisation propose une solution évitant une défaillance en court-circuit d'un composant de puissance. Un mode de réalisation propose une solution pyrotechnique améliorée. 3037188 B14237 - DD16235 3 Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif pyrotechnique comportant au moins une couche en matériau pyrotechnique déposée sur tout ou partie d'un circuit électronique, le matériau pyrotechnique étant apte à être 5 déclenché par un échauffement du circuit lié à une défaillance de celui-ci. Selon un mode de réalisation, la rupture d'un ou plusieurs conducteurs est provoquée par l'effet pyrotechnique. Selon un mode de réalisation, l'explosion du matériau 10 pyrotechnique provoque la rupture de tous les conducteurs électriquement en parallèle. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte en outre au moins un élément rigide apte à être propulsé en direction du ou des conducteurs par les gaz pyrotechniques. 15 Selon un mode de réalisation, l'épaisseur du matériau pyrotechnique est comprise entre 10 et 100 micromètres. Selon un mode de réalisation, le matériau pyrotechnique est électriquement isolant. Un mode de réalisation prévoit également un dispositif 20 électronique comportant : un circuit électronique ; et un dispositif pyrotechnique. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte en outre un boîtier recouvrant, au moins partiellement, le circuit 25 électronique et le dispositif pyrotechnique. Selon un mode de réalisation, le boîtier est formé d'un matériau d'encapsulation recouvrant le circuit et le dispositif pyrotechnique et noyant au moins partiellement le ou les conducteurs. 30 Selon un mode de réalisation, le boîtier est creux. Selon un mode de réalisation, le circuit électronique intègre un commutateur de puissance. Un mode de réalisation prévoit un procédé de réalisation d'un dispositif pyrotechnique, dans lequel un matériau 3037188 B14237 - DD16235 4 pyrotechnique est déposé à l'état liquide sur le circuit électronique. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 5 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 : les figures LA et 1B représentent, respectivement en perspective et en coupe, et de façon très schématique, un mode de 10 réalisation d'un circuit électronique de puissance à dispositif de sécurité pyrotechnique ; les figures 2A et 2B sont des vues partielles en coupe illustrant le déclenchement de la sécurité pyrotechnique selon un mode de réalisation d'un circuit de puissance ; 15 la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un autre mode de réalisation d'un circuit de puissance à sécurité pyrotechnique ; la figure 4 est une vue schématique en coupe d'encore un autre mode de réalisation d'un circuit de puissance à sécurité 20 pyrotechnique, illustrant différentes variantes ; et la figure 5 représente, par une vue schématique en coupe, encore un autre mode de réalisation d'un circuit de puissance à sécurité pyrotechnique. Description détaillée Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, la réalisation du composant de puissance lui-même (transistor, thyristor, triac, diode, etc.), c'est-à-dire de sa partie active par exemple en matériau semiconducteur n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les technologies usuelles de fabrication de composants (semiconducteurs ou non) de puissance. De plus, les applications du circuit électronique intégrant le composant de puissance n'ont pas été détaillées, les 3037188 B14237 - DD16235 5 modes de réalisation décrits étant, là encore, compatibles avec les applications usuelles de composants de puissance. Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de 5 réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement" et "de l'ordre de" signifient à 10 % 10 près, de préférence à 5 % près. La présente description fera référence à un exemple d'application à un circuit électronique constitué d'un composant semiconducteur de puissance. Toutefois, on notera que les modes de réalisation qui vont être décrits s'appliquent plus 15 généralement à tout circuit électronique intégrant un ou plusieurs composants de puissance. Les figures LA et 1B représentent, respectivement en perspective et en coupe, et de façon très schématique, un mode de réalisation d'un circuit de puissance à dispositif de sécurité 20 pyrotechnique. Un composant de puissance 2 est, par exemple, porté par une carte électronique 1 (par exemple une carte de circuit imprimé - PCB). Le composant de puissance 2, par exemple, une diode, un transistor, un thyristor, un triac, etc. est réalisé dans un 25 substrat semiconducteur (par exemple en silicium) et comporte des contacts électriques 22 destinés à recevoir des conducteurs, par exemple des fils 32, de raccordement électrique à d'autres éléments (non représentés) du circuit ou du système électronique. On prévoit d'adjoindre, au composant de puissance, une 30 sécurité pyrotechnique apte à rompre un ou plusieurs conducteurs de raccordement électrique en cas de défaillance du composant. Une particularité de cette sécurité pyrotechnique est que l'explosion est initiée par la défaillance elle-même sans qu'il y ait besoin d'une commande externe. 3037188 B14237 - DD16235 6 Selon le mode réalisation représenté aux figures LA et lB, le dispositif de sécurité pyrotechnique comporte une couche de matériau pyrotechnique 42 déposée sur le composant 2. La fonction du matériau pyrotechnique est de provoquer la rupture 5 d'au moins un conducteur 32, sous l'effet des gaz produits lors de son explosion. Si plusieurs conducteurs sont électriquement en parallèle, le matériau pyrotechnique provoque la rupture de tous ces conducteurs afin de garantir une rupture de la connexion électrique. 10 Les figures 2A et 2B sont des vues partielles en coupe illustrant le déclenchement de la sécurité pyrotechnique selon un mode de réalisation d'un composant de puissance. A titre d'exemple, on considère que les figures 2A et 2B représentent un agrandissement de la figure lB au niveau de la zone active 15 (semiconductrice) du composant de puissance 2 réalisé dans le substrat semiconducteur. La figure 2A illustre le déclenchement de la sécurité pyrotechnique et la figure 2B illustre son action sur un des fils conducteurs 32. En fonctionnement normal, le courant généralement de la 20 dizaine d'ampères à quelques centaines d'ampères selon les circuits, qui circule dans la zone active 24 du composant n'engendre pas une élévation de température susceptible de faire exploser le matériau pyrotechnique. A l'apparition d'une défaillance dans le composant (par 25 exemple, claquage d'un diélectrique, fissure dans le composant, etc.) le courant amené par le ou les conducteurs 32 et circulant dans le composant a tendance à se concentrer sur la zone du défaut car sa résistance est plus faible que dans le reste du composant. Cela engendre localement une augmentation du courant qui provoque 30 la fusion des matériaux (métal, silicium, etc.) de cette zone, diminuant la résistance locale et provoquant un effet d'emballement. Le point chaud qui se crée et la fusion locale des matériaux provoquent le déclenchement de la sécurité par l'explosion du matériau pyrotechnique. Les gaz provoqués par cette 3037188 B14237 - DD16235 7 explosion rompent alors le fil conducteur 32 (figure 2B) ou les fils conducteurs en parallèle. Ainsi, la sécurité agit sur (et détruit) son propre élément déclencheur (le ou les fils conducteurs 32). Par 5 conséquent, cela garantit une ouverture du circuit électrique même si, au niveau du composant 2, la défaillance s'est traduite par un court-circuit. La rupture mécanique du conducteur 32 ou des conducteurs électriquement en parallèle garantit que la défaillance se traduise par un circuit ouvert. Dans le cas de 10 conducteurs en série, il suffit de rompre la connexion série. On notera que le composant et le circuit électronique sont alors détruits (la sécurité n'est pas réamorçable). C'est cependant l'effet recherché dans les applications visées. Le matériau pyrotechnique 42 est, de préférence, présent 15 au moins à l'aplomb des conducteurs 32 à rompre par l'action pyrotechnique. Cela permet d'améliorer son effet. Par ailleurs, afin d'optimiser l'action des gaz, l'ensemble est de préférence dans une enceinte fermée comme on le verra par la suite en relation avec la figure 4. 20 Le matériau pyrotechnique est, de préférence, choisi pour présenter tout ou partie des propriétés suivantes : - Etre un isolant électrique dans la mesure où il recouvre ou rejoint des zones conductrices distinctes. Plus précisément, le courant de fuite généré par le matériau 25 pyrotechnique ne doit pas excéder celui du composant lui-même. - Ne pas déclencher à des températures homogènes correspondant aux températures de fonctionnement du composant. De préférence, on choisira un matériau pyrotechnique déclenchant à des températures supérieures à environ 150°C et préférentiellement 30 supérieures à environ 300°C. L'inventeur a en effet constaté qu'une défaillance se traduisait généralement par un point chaud à plus d'environ 500°C. Le fait que le matériau pyrotechnique ne se déclenche pas en dessous de 500 ou 600°C présente l'avantage de pouvoir le déposer sur le composant avant certaines étapes de soudure du composant qui engendrent généralement des températures 3037188 B14237 - DD16235 8 de l'ordre de 300 à 400°C, qui risqueraient autrement d'amorcer la sécurité intempestivement. - Que les résidus de combustion de la couche pyrotechnique soient suffisamment isolants pour ne pas générer de 5 courant de fuite important. - Etre déclenchable par un point chaud d'une surface de quelques micromètres carrés en moins de quelques centaines de millisecondes à quelques centaines de microsecondes. De préférence, l'intégration du matériau pyrotechnique 10 est effectuée en fin de fabrication du composant ou du circuit, après la soudure des conducteurs 32 sur les contacts 22. Le matériau est de préférence déposé sous forme liquide ou pâteuse afin de se répartir sur le composant et de s'insérer à l'aplomb du ou des conducteurs 32. Le matériau pyrotechnique est 15 par exemple déposé avec une épaisseur de quelques micromètres. A titre d'exemple particulier de réalisation, on pourra utiliser un verni en nitrocellulose qui s'enflamme à une température de l'ordre de 160 à 170°C, pourvu que cela soit compatible avec les étapes de fabrication ultérieures (par 20 exemple, cas de soudure à froid pour les étapes ultérieures) et notamment de l'encapsulation du composant. Selon un autre exemple, le matériau est un polymère de la famille des polymères d'azoture de glycidyle (Glycidyl azide polymers - GAPs) dont la température d'ignition est d'environ 25 573 °C. Selon les modes de réalisation décrits, on prévoit de recouvrir l'ensemble du composant ou seulement certaines zones de celui-ci. La figure 3 est une vue schématique de dessus d'un autre 30 mode de réalisation d'un composant de puissance à sécurité pyrotechnique. Selon ce mode de réalisation, le dispositif 4 de sécurité pyrotechnique comporte, en plus de la couche 42 de matériau pyrotechnique, un élément rigide intercalaire 44 entre 35 le matériau pyrotechnique 42 et le ou les conducteurs 32. Cet 3037188 B14237 - DD16235 9 élément 44 agit comme un projectile lors de l'explosion du matériau pyrotechnique 42 et facilite la rupture des conducteurs. De préférence, l'élément 44 est disposé sur le matériau pyrotechnique, par exemple collé (ce qui est aisé si le matériau 5 pyrotechnique est déposé liquide sous la forme d'un verni), et est situé sous le ou les conducteurs à sectionner. L'élément 44 peut être d'une seule pièce comme cela est représenté en figure 3 ou constitué de plusieurs projectiles. De préférence, l'élément 44 est isolant afin d'éviter tout risque de création d'un court-10 circuit entre des conducteurs 32 en fonctionnement normal. La figure 4 est une vue schématique en coupe d'encore un autre mode de réalisation d'un composant de puissance à sécurité pyrotechnique, illustrant différentes variantes. Ce mode de 15 recouvrant le circuit puissance 2. Dans l'exemple de la figure réalisation fait figurer un boîtier 6 électronique et notamment le composant de 4, on suppose que le composant 2 est connecté, par une ou plusieurs pistes conductrices 34, par exemple en cuivre, à une patte 35 de raccordement 20 débouchant à l'extérieur du boîtier 6. Par exemple, la piste 34 représente un plan de masse du composant de puissance ou une électrode face arrière. Par ailleurs, à l'intérieur du boîtier, un contact supérieur du composant 2 est relié, par un fil conducteur 32, à une piste de cuivre 36 du circuit 1, connectée à 25 une autre patte 37 de raccordement. Dans l'exemple de la figure 4, le matériau pyrotechnique 42 n'est déposé que sur le composant et sur la piste de cuivre 34 jusqu'à entourer la patte 35 (et passer dessous la patte 35 si celle-ci comporte des portions horizontales internes au boîtier 30 6). Ainsi, lors de l'activation du matériau pyrotechnique 42, la patte 35 et le fil 32 sont rompus. Dans l'exemple de la figure 4, on prévoit également un élément 44 rigide intercalaire entre la couche 42 et le ou les fils 32. 3037188 B14237 - DD16235 10 On notera que, dans les modes de réalisation prévoyant un élément rigide servant de projectile, le boîtier 6 est vide, au moins au voisinage de cet élément afin d'en permettre la projection. 5 Selon une variante non représentée, le boîtier est plein. Par exemple, l'ensemble composant 2, matériau 42 et fil 32 est noyé dans de la résine d'encapsulation (par exemple de la résigne époxy). Dans ce cas, un élément intermédiaire 44 est sans effet. Toutefois, le fait que le fil 32 soit noyé dans de la 10 résine fait que, lors d'un déclenchement pyrotechnique détruisant le boîtier, le fil 32 noyé dans la résine est bien arraché. Selon une variante illustrée en figure 4, afin de faciliter la rupture de la patte 35, celle-ci comporte une zone affaiblie 352, par exemple une échancrure. Cette échancrure doit 15 cependant être telle que la patte 35 conserve une section adaptée à la circulation du courant de fonctionnement normal. Le cas échéant, la traversée du boîtier 6 par la patte 35 est une liaison rigide. Cela participe à faciliter la rupture lors de l'effet pyrotechnique. 20 Selon une autre variante non représenté, le matériau pyrotechnique 42 s'étend sur tout le circuit 1 à l'intérieur du boîtier 6. La figure 5 représente, par une vue schématique en coupe, encore un autre mode de réalisation d'un composant de 25 puissance à sécurité pyrotechnique. Selon ce mode de réalisation, deux circuits 1 et 1' sont reliés par des billes de connections (BGA). L'intervalle entre les billes et, de préférence, entre les circuits 1 et 1', est rempli de matériau pyrotechnique. Ainsi, ce matériau sert 30 d'encapsulation du composant tout en assurant la protection. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est que la sécurité est particulièrement rapide à se déclencher. 3037188 B14237 - DD16235 11 Un autre avantage est que l'absence de circuit de commande garantit un actionnement fiable. En effet, le déclenchement étant exclusivement thermique, aucune défaillance électronique ne risque d'empêcher ce déclenchement. 5 Un autre avantage est que le dispositif de sécurité est particulièrement facile à réaliser. A titre d'exemple particulier de réalisation, l'épaisseur du matériau pyrotechnique est comprise entre 10 et 100 micromètres. 10 Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme de métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant 15 des matériaux pyrotechniques existants. REVENDICATIONS1. Dispositif pyrotechnique (4) comportant au moins une couche (42) en matériau pyrotechnique déposée sur tout ou partie d'un circuit électronique (2), le matériau pyrotechnique étant apte à être déclenché par un échauffement du circuit lié à une défaillance de celui-ci. 2. Dispositif selon la revendication 1, comportant un ou plusieurs conducteurs (32), la rupture du ou desdits conducteurs étant provoquée par l'effet pyrotechnique. 3. Dispositif selon la revendication 2, dont plusieurs 10 desdits conducteurs sont électriquement en parallèle, l'explosion du matériau pyrotechnique provoquant la rupture de tous les conducteurs (32) électriquement en parallèle. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, comportant en outre au moins un élément rigide (44) apte à être propulsé en 15 direction du ou des conducteurs (32) par les gaz pyrotechniques. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur du matériau pyrotechnique (42) est comprise entre 10 et 100 micromètres. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 4, dans lequel le matériau pyrotechnique est électriquement isolant. 7. Dispositif électronique comportant : un circuit électronique (2) ; et un dispositif pyrotechnique (4) selon l'une quelconque 25 des revendications 1 à 6. 8. Dispositif selon la revendication 7, comportant en outre un boîtier (6) recouvrant, au moins partiellement, le circuit électronique (2) et le dispositif pyrotechnique (4). 9. Dispositif selon la , revendication 8, dans son 30 rattachement à la revendication 2, dans lequel le boîtier est formé d'un matériau d'encapsulation recouvrant le circuit et le dispositif pyrotechnique (4) et noyant au moins partiellement le ou les conducteurs (32). 3037188 B14237 - DD16235 13 10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le boîtier (6) est creux. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel le circuit électronique intègre un commutateur 5 de puissance. 12. Procédé de réalisation d'un dispositif pyrotechnique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un matériau pyrotechnique est déposé à l'état liquide sur le circuit électronique.