Brevet FR3060941A1 — publié le 20180622

MODULE DE PUISSANCE REFROIDI PAR CALODUC ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MODULE 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne les modules de puissance refroidis par caloducs. 2. Arrière-plan technologique Dans le domaine de l'électronique de puissance, on connait les modules de puissance pouvant par exemple convertir un courant/tension continu vers alternatif. Ces modules sont constitués de puces électroniques de puissance, par exemple de transistors et/ou de diodes. Dans leur imperfection, les puces électroniques de puissance sont le siège de pertes par effet joule, et donc représentent une source importante de chaleur. C'est pourquoi, on a prévu, dans l'état de la technique de les refroidir. De manière connue, un caloduc est un dispositif destiné à dissiper la chaleur de manière particulièrement efficace en utilisant la transition de phase d'un fluide. Un caloduc comprend une enveloppe hermétique qui renferme ce fluide. À une extrémité, le caloduc emmagasine la chaleur d'un élément à refroidir (par exemple, une puce). Le fluide à l'intérieur de l'enveloppe chauffe et se vaporise en emmagasinant l'énergie résultant de cette augmentation de température. Le fluide est alors déplacé dans le caloduc jusqu'à un dispositif de refroidissement à une autre extrémité du caloduc, où il se condense pour redevenir à nouveau un liquide. Lors du passage en phase liquide, l'énergie est cédée au dispositif de refroidissement. Le liquide revient par capillarité à l'extrémité d'où il s'est évaporé formant ainsi une boucle fermée. Dans les modules de l'état de la technique, on interpose une couche d'isolation électrique entre la puce électronique et le caloduc, ainsi que diverses autres couches ayant une fonction électrique, thermique ou mécanique. 3060941 2 Certaines de ces couches interposées entre la puce et le caloduc, notamment la couche d'isolation électrique, ont une forte résistance thermique, et limitent donc la dissipation de la chaleur produite par la puce électronique. Ainsi de tels modules, ne sont pas adaptés pour des applications à hautes températures, c'est-à-dire à des températures 5 ambiantes supérieures ou égales à 150 °C. En outre, la présence de couches interposées entre la puce et le caloduc augmente le volume et le poids des modules. Dans l'aéronautique, cela va à l'encontre du but généralement recherché à savoir l'optimisation du volume et du poids de l'aéronef. Enfin, les différences de coefficient de dilatation thermique entre la puce, les couches interposées, et le caloduc engendrent un phénomène de fatigue thermique limitant la fiabilité du module électronique. 3. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un module électronique de puissance comprenant -une première puce constitué d'un premier matériau comprenant un premier contact 20 électrique, -au moins un premier chemin électrique connecté au premier contact électrique, -un premier caloduc pour refroidir la première puce, le caloduc portant la première puce, le caloduc comportant une première enveloppe étanche constituée d'un deuxième matériau électriquement conducteur, la première enveloppe étanche 25 renfermant un premier fluide, caractérisé en ce que : -ledit premier chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite première enveloppe étanche. Ainsi le module selon l'invention, grâce à l'absence de couche intermédiaire isolante 30 thermiquement ou électriquement, entre le caloduc et la puce, réduit le nombre de couches entre ces deux éléments. Cela permet une forte réduction du nombre et de la 10 15 3060941 3 complexité des étapes de fabrication, des coûts, du volume, de la résistance thermique des modules de puissance et une forte augmentation de la densité de puissance. De plus, dans l'aéronautique, le refroidissement et l'intégration des composants électroniques de puissance est une problématique critique et à laquelle l'invention peut 5 apporter des solutions en permettant une meilleure fiabilité, une dissipation thermique élevée ainsi qu'une meilleure modularité pour plus d'intégration. Dans un mode de réalisation, la première puce comprend au moins une première face externe portant le premier contact électrique. Dans un mode de réalisation, le premier contact électrique est directement électriquement connecté à la première enveloppe étanche, ce qui permet de limiter encore le nombre de couches entre le premier contact et la première enveloppe étanche (et donc entre la première puce et le premier caloduc). Dans ce mode de réalisation, le premier contact électrique est par exemple directement électriquement connecté à l'enveloppe étanche par brasure, frittage, ou collage à phase liquide transitoire (en Anglais « Transient liquid phase bonding » ou sous l'abréviation TPLB). 20 En variante, le premier contact électrique est électriquement connecté à l'enveloppe étanche par l'intermédiaire d'une brasure, d'un frittage, ou d'un collage à phase liquide transitoire et d'un troisième matériau conducteur ayant un coefficient de dilatation compris entre celui du premier matériau et celui du deuxième matériau. Cela permet 25 d'améliorer la fiabilité thermique des modules de puissance, et notamment à autoriser des températures de fonctionnement de la première puce dépassant les 200°C et des cycles thermiques avec des variations de température dépassant les 250°C. Dans un mode de réalisation, le premier caloduc comprend une première forme 30 oblongue s'étendant entre ladite première puce et un dispositif de refroidissement. En variante, le caloduc peut bien entendu avoir une forme différente. 10 15 3060941 4 En particulier, le premier chemin électrique peut connecter électriquement ledit premier contact à un contact externe du module. Selon un mode de réalisation : 5 - la première puce comprend un deuxième contact électrique - la première puce comprend une deuxième face externe opposée à la première face externe de la première puce, la deuxième face externe de la première puce portant le deuxième contact électrique, ledit module comprenant en outre : 10 - un deuxième chemin électrique connecté au deuxième contact électrique, - un deuxième caloduc pour refroidir la première puce, le deuxième caloduc comportant une deuxième enveloppe étanche constituée d'un matériau électriquement conducteur, la deuxième enveloppe étanche renfermant un fluide, et dans lequel : 15 -le deuxième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite deuxième enveloppe étanche, Ainsi, la puce est refroidie par les première et deuxième faces. La résistance thermique du module s'en trouve diminuée de manière importante. 20 Selon une mise en oeuvre possible, le module comprend : - une deuxième puce comportant un troisième contact électrique sur une première face de la deuxième puce et un quatrième contact électrique sur une face opposée à la première face de la deuxième puce, - un troisième chemin électrique connecté au troisième contact électrique, 25 - un troisième caloduc pour refroidir la deuxième puce, le troisième caloduc portant la deuxième puce, le caloduc comportant une troisième enveloppe étanche constituée d'un matériau conducteur, la troisième enveloppe étanche renfermant un fluide, - un quatrième chemin électrique connecté au quatrième contact électrique, - un quatrième caloduc pour refroidir la deuxième puce, le quatrième caloduc 30 comportant une quatrième enveloppe étanche constituée d'un matériau conducteur, la quatrième enveloppe étanche renfermant un fluide, 3060941 5 caractérisé en ce que : - ledit troisième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite troisième enveloppe étanche, - ledit quatrième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite 5 quatrième enveloppe étanche, et - la première enveloppe étanche est connectée électriquement à la quatrième enveloppe étanche. Ainsi, la chaleur produite par le fonctionnement de la première puce peut être évacuée 10 depuis la face opposée de la première puce, par l'intermédiaire des deuxième et troisième caloducs, par exemple jusqu'à un dispositif de refroidissement. Par voie de conséquence, le module comprend alors un chemin électrique, entre le deuxième contact électrique et le troisième contact électrique, comprenant la deuxième et la troisième enveloppe étanche. 15 Selon cette mise en oeuvre, la première enveloppe étanche est connectée électriquement à la quatrième enveloppe étanche par l'intermédiaire d'une calle compensant l'épaisseur de ladite première puce (ce qui sous-entend que la calle est réalisée dans un matériau conducteur). 20 Dans une variante de l'invention, le module électronique de puissance comprend ou est un bras onduleur monophasé. L'invention concerne également un aéronef comprenant le module électronique de 25 puissance, et un procédé d'assemblage d'un tel module. 4. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la 30 description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : 3060941 6 - La figure 1 représente le schéma électrique d'un module dans un mode de réalisation de l'invention. - La figure 2 représente une vue de dessus schématique du module de la figure 1. 5 - La figure 3 représente une vue de dessous schématique du module des figures 1 et 2. La figure 4 représente une vue schématique de la connexion entre une puce et un caloduc du module des figures 2 et 3. 10 5. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de 15 différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. Les figures 1 à 4 illustrent un mode de réalisation dans lequel le module électronique est 20 un bras onduleur monophasé, mais d'autres fonctions peuvent bien entendues être réalisées. A l'intérieur d'un aéronef (non représenté), un bras onduleur monophasé selon l'invention peut faire partie d'un convertisseur pour convertir l'énergie électrique du 25 réseau principal de l'aéronef sous plusieurs formes pour l'électrification des systèmes propulsifs et non propulsifs à bord de l'aéronef. 3060941 7 La figure 1 présente le schéma électrique d'un module de puissance 1000 qui est un bras onduleur monophasé. Ce bras d'onduleur monophasé 1000 est constitué de deux transistors T1 et T2, deux diodes D1 et D2, et comprend les électrodes suivantes: une électrode H qui porte le potentiel haut de bus et qui est reliée à la cathode 5 K1 de la diode D1 d'une part et au collecteur Cl du transistor T1 (dans cette représentation, il s'agit d'un transistor IGBT -Insulated Gate Bipolar Transistor-possédant trois électrodes : un collecteur, une grille et un émetteur) une électrode Gl, étant la grille du transistor T1, une électrode G1E1, qui correspond au potentiel de référence du signal de 10 commande appliqué entre la grille G1 et l'électrode El, une électrode P qui porte le potentiel de la charge (il s'agit de la sortie du bras d'onduleur), qui est reliée d'une part à l'anode Al de la diode D1 et à l'émetteur El du transistor T1 et d'autre part à la cathode K2 de la diode D2 et au collecteur C2 du transistor T2, 15 une électrode G2, étant la grille du transistor T2, une électrode G2E2, qui correspond au potentiel de référence du signal de commande appliqué entre la grille G2 et l'électrode E2, une électrode L qui porte le potentiel bas de bus et qui est reliée à l'anode A2 de la diode D2 d'une part et à l'émetteur E2 du transistor T2 d'autre part. 20 Les figures 2 et 3 présentent un module de puissance 1000 dans lequel, les transistors T1 et T2 sont respectivement les puces 500 et 600, et les diodes D1 et D2 sont respectivement les puces 700 et 800. La broche 400 constituant l'électrode G2E2, est connectée au contact 610 de la puce 600. La broche 410 constituant l'électrode G2 n'est 25 pas connectée au contact 610 de la puce 600 mais plutôt sur un contact indépendant de grille 610' qui est aussi sur la face supérieure de la puce 600 . La broche 420 constituant l'électrode G1E1, est connectée au contact 510 de la puce 500. Les broches 440, 450 et 460 constituent respectivement les électrodes H, L et P. Elles sont considérées comme des contacts externes ou des broches de connexion externes car elles ont pour fonction 30 la connexion électrique entre le module et l'extérieur de ce module (autrement dit, il 3060941 8 s'agit d'électrode du module pris comme élément électronique dans sa globalité). Le module comprend également des broches 100 et 300, 310, 320 et 330 formant les interconnections électriques nécessaires à la réalisation de la fonction de bras onduleur monophasé de manière à reproduire (autrement dit à réaliser ou mettre oeuvre) le 5 schéma électrique de la figure 1. Les broches 100, 300, 310, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450 et 460 sont par exemple constituées d'une couche ou de plusieurs couches d'un ou des matériaux conducteurs, par exemple du cuivre, alliage cuivre tungstene, ou cuivre molybène. 10 Le module de puissance 1000 comporte des caloducs 200 et 200' portant les puces 500, 600, 700 et 800. La structure interne du caloduc 200 est vue par transparence dans la zone 250. Le caloduc comporte une enveloppe étanche 210 formant une cavité 220 renfermant un fluide. Ainsi, dans ce mode de réalisation, mais aussi de manière générale, l'enveloppe étanche encapsule le fluide. L'enveloppe étanche 210 est 15 constituée d'un matériau conducteur électrique tel que du cuivre. La face intérieure de l'enveloppe étanche peut comporter un matériau poreux tel que du wick poreux. Le caloduc 200' a par exemple une structure similaire. Les caloducs 200 et 200' emmagasinent la chaleur produite par les puces 500, 600, 700 et 800, afin de les refroidir, et la resituent au dispositif de refroidissement 900. Les caloducs 200, 200'ont 20 une forme oblongue s'étendant entre les puces qu'ils portent (et qu'ils refroidissent) et le dispositif de refroidissement 900. De manière générale, la largeur portant la puce d'un caloduc est par exemple plus importante que la largeur de la puce. Bien entendu, les caloducs peuvent avoir d'autres formes qu'une forme oblongue. 25 De manière connue, chacune des puces 500, 600, 700 et 800 se présente sous la forme de puces nues ou de puces assemblées (formées d'un boitier encapsulant la puce nue (non représenté). Comme l'illustre la figure 4 montrant les connexions entre la puce 600 (c'est-à-dire le transistor T2) et le caloduc 200, la face externe ( par exemple, la référence 640 sur la figure 4) du boitier ou puce (par exemple, la référence 600 sur les 30 figures 2 à 4) qui fait face au caloduc (par exemple, la référence 200 sur les figures 2 à 4) 3060941 9 comprend un contact ( par exemple, la référence 620 sur la figure 4) directement connecté électriquement à l'enveloppe (210 sur les figures 2 et 4) du caloduc. Cette connexion peut être réalisée par une brasure 630. 5 En variante, la connexion peut être réalisée par frittage, collage à phase liquide transitoire (en Anglais « Transient liquid phase bonding » ou sous l'abréviation TPLB) ou toute autre méthode de collage. De manière générale, tout ou partie des autres connexions électriques dans le module 1000 peuvent être réalisées de la même manière. Par exemple, dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, chacune des 10 connexions électriques, entre les puces 500, 600, 700 et 800 et un des caloducs 200 et 200' (ou un des caloducs 300, 310, 320, 330 lorsque ces références sont des caloducs) ou une des broches 300, 310, 320, 330, 400, 410, 420, 430 peut être réalisée de cette manière. Les connexions entre les broches 100 et les broches 300 et 440, entre le caloduc 200' et la broche 450, et entre le caloduc 200 et la broche 310, peuvent être 15 également réalisées de la même manière. Par exemple, comme l'illustre la figure 4, la connexion entre le contact 610' de la puce 600, située sur la face 660 opposée à la face 640, et la broche 410 est réalisée par la brasure 680. De même, le contact 610 est connecté par la brasure 670 à la broche 300. 20 La broche 310 est connectée à l'enveloppe étanche 210 par l'intermédiaire de la brasure 360 et 360' et de la calle 350 compensant l'épaisseur de la puce 600 (la calle 350 est par exemple d'une épaisseur sensiblement identique à celle de la puce 600). La calle est formée d'un matériau conducteur, par exemple du cuivre. 25 Les contacts des puces 500, 600, 700 et 800, notamment les contact 620 et 510, sont bien entendu réalisés dans un matériau conducteur. Ils sont par exemple en Argent, Aluminium, Cuivre. Au lieu d'être connecté directement à l'enveloppe étanche 210, le contact 620 peut être 30 connecté à l'enveloppe étanche par l'intermédiaire d'un matériau conducteur ayant un 3060941 10 coefficient de dilatation compris entre celui du matériau constituant la puce 600 et celui du matériau constituant l'enveloppe 210. Par exemple, si l'enveloppe est en cuivre et la puce en Silicium, la connexion peut être réalisée à titre d'exemple par l'intermédiaire d'une couche d'alliage ou de colaminé de cuivre et de molybdène, ou une couche 5 d'alliage ou de colaminé de cuivre et de tungstène. Bien entendu, toutes ou partie des autres connexions dans le module 1000 peuvent être réalisées de la même manière. Les broches 100, 300, 310, 320, 330, 400, 410, 420, 430, 440, 450 et 460 peuvent être aussi assuré à titre d'exemple par l'intermédiaire d'alliage ou de colaminé de cuivre et de molybdène, ou une couche d'alliage ou de colaminé de cuivre et de tungstène. 10 L'enveloppe étanche du caloduc 200 forme un chemin électrique connecté au contact 620. Ce chemin électrique connecte électriquement le contact 620 à la broche externe 460 (contact externe). 15 Dans un mode de réalisation, une des broches de connexion 100, 300, 310, 320, 330 est remplacée par un caloduc. Prenons l'exemple où il s'agit de la broche de connexion 300. Le contact 610 est alors connecté directement ou via un matériau intermédiaire à l'enveloppe de ce caloduc qui peut avoir une structure similaire à celle du caloduc 200. Le chemin électrique constitué par la broche 100 et le caloduc 300 est alors connecté au 20 contact électrique 610, et connecte le contact électrique 610 à la broche ou contact externe 440. Le contact 510 de la puce 500 peut être connecté à la broche 310 de la même manière que le contact 610 l'est à la broche ou au caloduc 300. Dans le cas où la broche 310 est 25 également remplacée par un caloduc, l'enveloppe étanche 210 du caloduc 200 et celle du caloduc remplaçant 310 sont connectées électriquement, par exemple par l'intermédiaire de la calle 350 et de la brasure 360 et 360'. Dans ce cas, et de manière générale, la chaleur générée par la puce (600 sur la figure 4) est dissipée par l'intermédiaire des deux caloducs, celui remplaçant 310 puis 200 jusqu'au dispositif de 30 refroidissement. Bien entendu, le caloduc remplaçant la broche 300 (ou 310, 320, 330) 3060941 11 pourrait dissiper la chaleur directement auprès d'un dispositif de refroidissement sans passer par un autre caloduc. La broche 100 peut également être remplacée par un caloduc par exemple identique à 5 200. Les composants précités du module de puissance 1000 sont noyés dans un matériau d'encapsulation 1100. Une partie de chacune des broches externes 400, 410, 420, 430, 440, 450, 460 peut dépasser du matériau d'encapsulation 1100 pour permettre de 10 connecter électriquement le module 1000 à d'autres dispositifs électriques. C'est aussi le cas pour les éléments 100, 200 et 200' du côté du système de refroidissement 900 pour avoir un contact direct entre les caloducs et le système de refroidissement si besoin. Le matériau d'encapsulation est par exemple un polymère ou une céramique hydroset. 15 De manière générale, on peut remarquer que la surface du caloduc est préférentiellement démunie de gravure d'élément conducteur. C'est alors l'entièreté ou la majorité de l'enveloppe qui sert à conduire le courant électrique dans le chemin électrique. On peut remarquer également qu'aucun isolant électrique ou thermique 20 n'est interposé entre le contact électrique (par exemple 620) et l'enveloppe étanche (par exemple 210). Le module de puissance 1000 peut être fabriqué par un procédé d'assemblage qui comprend : 25 Une étape de connexion électrique et de fixation de la puce au caloduc Une étape de réalisation des broches susmentionnées et de connexion électrique de ces broches dans le module. Ces broches peuvent être placées indépendamment ou liées entre elles par un cadre qui est découpé après que la connexion électrique ait été réalisée. 3060941 12 - Une étape d'encapsulation des composants du module dans un matériau d'encapsulation. REVENDICATIONS1. Module électronique de puissance (1000) comprenant -une première puce (600) constituée d'un premier matériau comprenant un premier contact électrique (620), -au moins un premier chemin électrique connecté au premier contact électrique (620), -un premier caloduc (200) pour refroidir la première puce (600), le caloduc (200) portant la première puce (600), le caloduc (200) comportant une première enveloppe étanche (210) constituée d'un deuxième matériau électriquement conducteur, la première enveloppe étanche renfermant un premier fluide, caractérisé en ce que : -ledit premier chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite première enveloppe étanche (210). 2. Module électronique de puissance (1000) selon la revendication 1, dans lequel la première puce (600) comporte au moins une première face externe (640) portant le premier contact électrique (620). 3. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier contact électrique (620) est directement électriquement connecté à la première enveloppe étanche (210). 4. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier contact électrique (620) est directement électriquement connecté à l'enveloppe étanche par brasure, frittage, ou collage à phase liquide transitoire. 5. Module électronique de puissance (1000) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le premier contact électrique (620) est électriquement connecté à l'enveloppe étanche (210) par l'intermédiaire d'un troisième matériau conducteur ayant un coefficient de dilatation compris entre celui du premier matériau et celui du deuxième 3060941 14 matériau. 6. Module électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier caloduc (200, 200') comprend une première forme oblongue 5 s'étendant entre ladite première puce (600) et un dispositif de refroidissement (900). 7. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier chemin électrique connecte électriquement ledit premier contact (620) à un contact externe du module (460). 10 8. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel : - la première puce (600) comprend un deuxième contact électrique (610), - la première puce (600) comprend une deuxième face externe (660) opposée à la 15 première face externe de la première puce(600), la deuxième phase externe (660) de la première puce (600) portant le deuxième contact électrique (610), ledit module comprenant en outre : - un deuxième chemin électrique connecté au deuxième contact électrique (610), 20 -un deuxième caloduc (300) pour refroidir la première puce (600), le deuxième caloduc comportant une deuxième enveloppe étanche constituée d'un matériau électriquement conducteur, la deuxième enveloppe étanche renfermant un deuxième fluide, et dans lequel : -le deuxième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite deuxième 25 enveloppe étanche. 9. Module électronique de puissance (1000) selon la revendication précédente, comprenant : - une deuxième puce (500) comportant un troisième contact électrique sur une 30 première face de la deuxième puce (500) et un quatrième contact électrique(510) sur une face opposée à la première face de la deuxième puce (500), 3060941 15 - un troisième chemin électrique connecté au troisième contact électrique, - un troisième caloduc (200') pour refroidir la deuxième puce (500), le troisième caloduc (200') portant la deuxième puce (500), le caloduc comportant une troisième enveloppe étanche constituée d'un matériau conducteur, la troisième enveloppe étanche 5 renfermant un fluide, - un quatrième chemin électrique connecté au quatrième contact électrique (510), - un quatrième caloduc (310) pour refroidir la deuxième puce (500), le quatrième caloduc (410) comportant une quatrième enveloppe étanche constituée d'un matériau conducteur, la quatrième enveloppe étanche renfermant un fluide, 10 caractérisé en ce que : - ledit troisième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite troisième enveloppe étanche, - ledit quatrième chemin électrique est au moins en partie constitué par ladite quatrième enveloppe étanche, et 15 - la première enveloppe étanche (210) est connectée électriquement à la quatrième enveloppe étanche. 10. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications 8 à 9 dans lequel la première enveloppe étanche est connectée électriquement à la 20 quatrième enveloppe étanche par l'intermédiaire d'une calle (350) compensant l'épaisseur de ladite première puce (600). 11. Module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un bras onduleur monophasé. 25 12. Aéronef comprenant un module électronique de puissance (1000) selon l'une quelconque des revendications précédentes.