Brevet FR3061989A1 — publié le 20180720

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne la fabrication d'un substrat et d'un module 5 électronique de puissance. La présente invention trouve une application particulière dans le domaine de l'aéronautique où les contraintes thermiques peuvent être sévères. Les modules électroniques de puissance sont compris dans des 10 convertisseurs nécessaires pour l'électrification des systèmes propulsifs et non propulsifs à bord des aéronefs afin de convertir l'énergie électrique du réseau principal (115V AC, 230V AC, 540V DC...) sous plusieurs formes (AC/DC, DC/AC, AC/AC et DC/DC). Sur la figure 1 est illustré un exemple de module électronique 15 de puissance 1 connu de l'art antérieur. Le module électronique de puissance 1 est composé d'un substrat 2 comprenant une couche électriquement isolante 2a, en matériau céramique, agencée entre deux couches métalliques 2b, 2c. Les deux couches métalliques sont assemblées à la couche électriquement 20 isolante 2a par une des différentes techniques connues comme par exemple par brasage (ou en terminologie anglo-saxonne « Active Metal Brazing » ou encore « AMB »), par liaison direct du cuivre (ou en terminologie anglo-saxonne « Direct Bonded Copper » ou encore « DBC »), ou encore par liaison directe d'aluminium (ou en terminologie 25 anglo-saxonne « Direct Bonded Aluminium » ou encore « DBA »). La couche métallique supérieure 2b du substrat 2 forme un circuit de puissance sur lequel des composants à semi-conducteur de puissance 3 sont assemblés. Comme cela est illustré sur la figure 1, le module électronique de puissance 1 comprend un joint d'interconnexion 30 électrique et/ou mécanique 4 et 14 par l'intermédiaire duquel les composants à semi-conducteur de puissance 3 et les connectiques 11 sont assemblés au circuit de puissance 2b. Du fait de leurs imperfections, les composants à semi-conducteurs de puissance 3 sont le siège de pertes par effet Joule et donc représentent une source importante de chaleur. 35 Les composants à semi-conducteurs de puissance 3 sont ensuite interconnectés électriquement entre eux et avec les connectiques 3061989 2 11 à l'aide des fils de câblage. Un boitier 12 généralement en polymère est ensuite collé à l'aide d'un joint adhésif 13 sur le substrat 2 ou sur une semelle 5 métallique sur laquelle est disposée le substrat 2. Le boitier 12 est ensuite rempli par un encapsulant 15, tel qu'un gel ou époxy, pour assurer une protection mécanique et électrique des composants de puissance 3 et des fils de câblage 10. La couche métallique inférieure 2c du substrat 2 est rapportée sur la semelle 5 métallique qui a pour rôle d'étaler le flux thermique et d'assurer une connexion thermique avec un dissipateur thermique 6 métallique. Comme cela est illustré sur la figure 1, le module électronique de puissance 1 comprend un joint d'interconnexion électrique et/ou mécanique 7 par l'intermédiaire duquel la couche métallique 2c inférieure du substrat 2 est rapportée sur la semelle 5. La semelle 5 est elle-même rapportée sur le dissipateur thermique 6 métallique par l'intermédiaire d'une couche 8 de matériau d'interface thermique, telle qu'une graisse thermique, un film élastomère, ou de matériaux à changement de phase. La couche 8 de matériau d'interface thermique permet de réduire la résistance thermique de contact entre la semelle 5 et le dissipateur thermique 6 pour assurer une meilleure évacuation du flux thermique. Le dissipateur thermique 6, est muni d'ailettes 9 permettant de réduire d'autant plus la résistance thermique de ce dernier, les ailettes 9 étant traversées par un fluide de refroidissement, par exemple de l'air. Un tel module électronique de puissance 1 présente cependant plusieurs inconvénients. La couche électriquement isolante 2a du substrat 2 ainsi que la couche 8 de matériau d'interface thermique sont des couches à forte résistance thermique et donc à mauvaise conduction thermique. Elles limitent ainsi la dissipation thermique générée au sein des composants à semi-conducteur de puissance 3 vers le dissipateur thermique 6 et le fluide de refroidissement. Par ailleurs, la couche 8 de matériau d'interface thermique induit une résistance thermique non homogène, qui dépend du positionnement des composants à semi-conducteurs de puissance 3 sur le circuit de puissance, notamment si ce dernier présente un défaut de planéité. La multiplicité des couches 2a, 2b, 2c, 4, 5, 7, 8 entre les composants à semi-conducteur de puissance 3 et le dissipateur thermique 3061989 3 6 contribue également à cette forte résistance thermique. Le refroidissement du module électronique de puissance 1 est donc limité et le module électronique de puissance 1 n'est pas adapté pour des applications à hautes températures, c'est-à-dire à des températures 5 ambiantes supérieures ou égales à 175°C du fait de la présence de matériaux organiques (matériaux d'interface thermique, l'encapsulant, le joint adhésif et le boitier) qui se dégradent généralement rapidement au-delà de 175 °C. Notons que les composants à semi-conducteurs grand gap (SiC, GaN,...) peuvent fonctionner au-delà des limites classiques des 10 composants en Si (175°C) et afin de profiter de l'opportunité de fonctionner à haute température, tous les éléments constituants le module électronique de puissance doivent être capables de fonctionner d'une façon fiable à haute température. Par ailleurs, les solutions d'assemblage des différentes couches 15 2a, 2b, 2c, 5 ayant des coefficients de dilatation thermique différents entre elles rendent le module électronique de puissance 1 sensible au phénomène de fatigue thermique, limitant de ce fait la fiabilité du module électronique de puissance 1. Ces solutions peuvent par exemple entrainer des fissures dans la couche électriquement isolante 2a du substrat 2 et/ou 20 dans les joints d'interconnexion électriques 4, 7. En outre, les gravures appliquées sur la couche métallique 2b supérieure du substrat 2 créent une asymétrie avec la couche métallique 2c inférieure par rapport à la couche électriquement isolante 2a. Cela a pour effet, lors d'une montée en température, par exemple lorsque les 25 composants à semi-conducteur de puissance 3 sont assemblés au substrat 2 ou lorsque le substrat 2 est assemblé à la semelle 5 ou lors d'une phase opérationnelle du module électronique de puissance 1, d'induire des contraintes thermomécaniques dans le substrat 2 entraînant sa déformation. Cette déformation est appelée flèche et correspond à une 30 cambrure du substrat 2. Une telle flèche du substrat 2 va créer un vide qui peut être compensé par la couche 8 de matériau d'interface thermique. Toutefois, comme précédemment expliqué, cette couche 8 limite la dissipation thermique entre les composants à semi-conducteur de puissance 3 et le 35 dissipateur thermique 6 et induit une résistance thermique non homogène qui dépend du positionnement des composants à semi-conducteurs de 3061989 4 puissance 3 sur le circuit de puissance. On ne peut donc pas compenser la flèche du substrat 2 en augmentant l'épaisseur de la couche 8 de matériau d'interface thermique sans détériorer davantage la dissipation thermique au sein du module électronique de puissance 1. 5 Objet et résumé de l'invention L'invention vise à pallier les inconvénients des modules électroniques de puissance mentionnés ci-dessus. Un objet de l'invention propose un procédé de fabrication d'un 10 module électronique de puissance par fabrication additive, le module électronique comprenant un substrat comportant une plaque isolante, telle qu'une plaque de céramique, présentant une première et une seconde faces opposées, et une première couche métallique disposée directement sur la première face de la plaque isolante et une seconde couche 15 métallique disposée directement sur la seconde face de la plaque isolante. Selon une caractéristique générale de l'invention, au moins une des couches métalliques est réalisée par une étape de dépôt d'une couche mince de métal et une étape de recuit de la couche métallique, généralement à une température de l'ordre de 700°C, et le procédé 20 comprend en outre une étape de formation d'au moins une couche de transition thermomécanique sur au moins l'une des première et seconde couches métalliques, ladite au moins une couche de transition thermomécanique comportant un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique (CTE) inférieur à celui du cuivre. 25 L'étape de dépôt d'une couche mince de métal peut comprendre un dépôt par sérigraphie ou un dépôt d'une couche métallique mince à partir d'une pâte ou d'une encre en utilisant une des techniques dites en anglais de « direct writing process » telles que les techniques suivantes par exemple : « inkjet process », « extrusion based 30 process », « aerosol based process ». La couche de transition thermomécanique du substrat selon l'invention permet, grâce au CTE réduit qu'elle présente par rapport à la couche métallique, d'augmenter la fiabilité thermomécanique du substrat comparé à un substrat à liaison directe de cuivre (DBC), et elle permet de 35 limiter les problèmes liés à la cambrure des substrats, observés pour des substrats céramiques (DBC et AMB). 306 19 89 5 Le procédé de fabrication utilisant une fabrication additive pour chaque étape de formation d'une nouvelle couche du substrat, le procédé permet d'éviter toute perte de matière lors de la fabrication du module électronique de puissance grâce au dépôt et à la fusion sélective des 5 couches. La fabrication additive (FA), nommée aussi impression 3D, est une technique permettant de réaliser des objets en faisant ajouter des couches successives. Une source de puissance vient amener de l'énergie dans des endroits bien définis à la poudre déposée par couche mince 10 (typiquement REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un module électronique de puissance (20) par fabrication additive, le module électronique (20) comprenant un substrat (21) comportant une plaque électriquement isolante (24) présentant une première et une seconde faces opposées (24a, 24b), et une première couche métallique (25a) disposée directement sur la première face (24a) de la plaque isolante (24) et une seconde couche métallique (25b) disposée directement sur la seconde face (25b) de la plaque isolante (24), au moins une des couches métalliques (25a) étant réalisée par une étape de dépôt (100) d'une couche mince de cuivre et une étape de recuit (110) de la couche métallique (25a, 25b), et le procédé comprenant en outre une étape (120) de 15 formation d'au moins une couche de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) sur au moins l'une des première et seconde couches métalliques (25a, 25b), ladite au moins une couche de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) comportant un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du métal 20 de la couche métallique (25a, 25b). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une couche de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) est déposée par dépôt d'un lit de poudre de matériau ou par projections 25 de poudre de matériau, la poudre déposée étant figée par balayage d'une source de puissance calorifique sous atmosphère inerte. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le coefficient de dilatation thermique des matériaux utilisées pour les 30 couches de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) est compris entre 3 ppm/°C et 17 ppm/°C. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat (21) comprend, sur au moins une des première et seconde faces 35 (24a, 24b) de la plaque isolante (24), un empilement (28a, 28b) d'une couche métallique (25a, 25b) et d'une pluralité de couches de transition 306 19 89 19 thermomécanique (271 à 273, 274 à 276), ledit au moins un empilement (28a, 28b) présentant un gradient de coefficient de dilatation thermique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant 5 en outre une étape (130) de formation d'un radiateur par fabrication additive à partir de la dernière couche de transition thermomécanique (276) de la seconde face du substrat (21). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant 10 en outre, une étape (140) de réalisation d'un boîtier (22) à apte à protéger les composants électroniques (26) destinés à être montés sur la première face du substrat (21) et de réalisation des connectiques (29) aptes à raccorder électriquement le module électronique (20) à des éléments électriques externes, le boîtier (22) et les connectiques (29) étant réalisés par fabrication additive à partir de la dernière couche de transition thermomécanique (273) de la première face du substrat (21). 7. Substrat (21) pour module électronique de puissance (20), le substrat (21) comportant une plaque électriquement isolante (24) 20 présentant une première et une seconde faces opposées (24a, 24b), et une première couche métallique (25a) disposée directement sur la première face (24a) de la plaque isolante (24) et une seconde couche métallique (25b) disposée directement sur la seconde face (25b) de la plaque isolante (24), 25 caractérisé en ce qu'il comprend, sur au moins l'une des première et seconde couches métalliques (25a, 25b), au moins une couche de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) comportant un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du métal de la couche métallique (25a, 25b). 30 8. Substrat (21) selon la revendication 7, comprenant au moins un empilement (28a, 28b) d'une couche métallique (25a, 25b) et d'une pluralité de couches de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276), ledit au moins un empilement (28a, 28b) présentant un gradient 35 de coefficient de dilatation thermique. 306 19 89 9. Substrat (21) selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le coefficient de dilatation thermique des matériaux utilisés pour les couches de transition thermomécanique (271 à 273, 274 à 276) est compris entre 3 ppm/°C et 17 ppm/°C. 5 10. Module électronique de puissance (20) comprenant un substrat présentant une première face et une seconde face opposée à la première face, et un radiateur (23) monté sur la seconde face du substrat, la première face du substrat étant destinée à recevoir des composants 10 électroniques (26), caractérisé en ce que le substrat est un substrat (21) selon l'une des revendications 7 à 9. 11. Module électronique de puissance (20) selon la 15 revendication 10, dans lequel le radiateur (23) comprend la dernière couche de transition thermomécanique (276) de la seconde face du substrat (21), le radiateur (23) étant réalisé par fabrication additive à partir de ladite dernière couche de transition thermomécanique (276) de la seconde face du substrat (21). 20 12. Module électronique de puissance (20) selon l'une des revendications 10 ou 11, comprenant en outre un boîtier (22) apte à protéger les composants électroniques (26) montés sur la première face du substrat (21), le boîtier (22) étant réalisé par fabrication additive à partir de la dernière couche de transition thermomécanique (273) de la première face du substrat (21).