Brevet FR3065616A1 — publié le 20181026

PROCEDE DE FABRICATION D'UN CIRCUIT MULTICOUCHES. L'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution de courant électrique encore appelé « busbar laminé ». Un tel circuit comprend plusieurs plaques conductrices d'un courant électrique 5 empilées et assemblées avec entre chaque plaque un isolant électrique. Cet isolant électrique est réalisé par un film, une feuille ou une couche mince d'un matériau isolant diélectrique. Les composants électriques, montés sur ces circuits de distribution, sont des composants électroniques discrets (condensateurs, diodes, . ..), des modules de 10 puissances (IGBT , . . .) ou de filtrage,... ainsi que des bornes de connexions. En règle générale, à chaque plaque correspond une phase d'une alimentation biphasée (neutre et phase) ou triphasée (phase 1, phase 2 , phase 3 et neutre) et les composants sont localisés sur la plaque supérieure et/ou inférieure. Il peut y avoir une plaque pour la mise à la terre. 15 Certains composants seront donc reliés par une patte de connexion à une première plaque et par une autre patte à une seconde plaque. Pour ce faire les plaques, venant au-dessus d'une zone de connexion d'un composant, présentent, au droit de cette zone de connexion, une lumière pour le passage de la patte qui sera connectée. 20 En règle générale, la liaison entre la patte du composant et le circuit électrique se fait par liaison mécanique (composant vissé). D'autres moyens de liaison sont possibles (emmanchement en force, soudure,. . ). Ainsi assemblé, ce circuit de distribution multicouche, constitué de couches conductrices séparées par une couche isolante, présente des intérêts multiples : 25 faible inductance, bonne répartition de la chaleur, support mécanique aux composants. 3065616 2 Le matériau utilisé pour les plaques conductrices est le plus souvent du cuivre. L'aluminium est également utilisé pour des contraintes de prix et de poids, l'aluminium étant moins onéreux que le cuivre et moins lourd. Ces deux matériaux sont sujets à l'oxydation ambiante. Cette oxydation altère la 5 qualité électrique du contact entre le composant et le conducteur et peut produire, par effet résistif, un échauffement préjudiciable à la fiabilité du circuit. En particulier pour l'aluminium qui subit une oxydation rapide avec formation naturelle d'une fine épaisseur d'oxyde d'aluminium (alumine) qui est certes étanche et protectrice, mais mauvaise conductrice de courant électrique. 10 Pour protéger les zones de contacts électriques, il est donc courant de procéder à un traitement de surface des conducteurs cuivre ou aluminium. Cette protection est typiquement réalisée par dépôt par voie humide (dépôt électrolytique et bu chimique : étamage, nickelage, argenture, cuivrage, dorure, . . .). Ces traitements de surface ne présentent pas de difficultés particulières sauf à 15 disposer d'installations suffisamment grandes pour la taille des conducteurs. En théorie, seules les zones de contact nécessitent un traitement. Mais compte tenu de leurs positions géométriques sur les conducteurs, ces derniers sont généralement traités dans leur globalité, plutôt qu'un trempage partiel localisé. D'où un coût de revient conséquent, d'autant plus si le matériau déposé est 20 coûteux (argent, or, ...). En effet, les plaques étant couvertes par un film isolant, il n'y a que les zones de contacts qui sont à l'air libre et donc directement soumises à l'oxydation ambiante. Une deuxième raison justifiant un traitement de surface localisé est de s'affranchir de phénomène de corrosion galvanique au droit de la connexion électrique entre 25 le composant et la plaque conductrice si ceux-ci sont de nature métallurgique différente avec un potentiel galvanique élevé. 3065616 3 Sur ce type de circuit de distribution, les courants peuvent être importants et l'isolation électrique entre les plaques à différents potentiels est obtenue par la feuille isolante que l'on intercale entre deux plaques. Il se produit parfois un décollement du film isolant autour des zones de contacts ce qui peut entrainer des arcs électriques car la distance d'isolation devient plus courte. Il peut y avoir localement dans ce système à plaques laminées, du fait de sa géométrie et de la répartition des composants, des zones traversées par des courants importants, et donc des échauffements par effet joule qui peuvent être conséquents, à tel point qu'un renforcement localisé de l'épaisseur du conducteur est souhaitable. Nous avons évoqué plus haut la présence de lumières (découpes) dans des conducteurs (couche conductrice), permettant la connexion d'un composant à un conducteur situé géométriquement sous un premier conducteur. Pour des raisons d'alignement des plans de connexions des composants, la zone de contact du conducteur inférieur remonte au travers la lumière du conducteur supérieur. Cette remontée est réalisée par déformation localisée du conducteur inférieur (bossage) ou par insertion d'une colonnette de rattrapage de plan, avec les limitations suivantes : - le bossage n'est pas toujours réalisable pour des raisons métallurgiques ou d'encombrement ; - la colonnette insérée, outre son coût d'obtention et de pose, génère des résistances de contacts électriques additionnelles inopportunes. L'invention se propose d'apporter une solution à ces différents problèmes. 3065616 4 A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution comprenant la fabrication d'une succession de plaques conductrices destinées à être empilées et assemblées, la mise en place d'une couche isolante électriquement entre les plaques conductrices que l'on 5 empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contacts destinées à établir une connexion avec un composant et/ou des lumières pour l'accès aux zones de contact ; ce procédé étant caractérisé en ce que, avant assemblage des plaques conductrices et des films isolants, au niveau des zones de contact et plus précisément en leur périphérie, on projette dynamiquement, à vitesse 10 supersonique par un gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente, une poudre conductrice qui vient se solidariser et s'incruster dans la surface réceptrice en formant une couche mince par exemple de l'ordre de 10 à 50 microns qui est plus rugueuse que l'état de surface initial de la zone recouverte. 15 L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-après faites à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin qui représente : FIG1 Vue en coupe transversale d'un circuit multicouche avant d'assemblage FIG2 Exemple de coupe métallographique d'un revêtement obtenu par projection dynamique d'une poudre à base de cuivre par gaz sous pression sur un conducteur 20 en aluminium. En se reportant au dessin FIG1,on voit un circuit (1) multicouche de distribution en cours d'assemblage. Ici, il s'agit d'un circuit monophasé. Il comprend une première plaque (2) 25 conductrice, dessous la dite plaque conductrice, une feuille (3) isolante et dessous cette feuille isolante une autre plaque (2) conductrice. 3065616 5 Cet ensemble peut être isolé électriquement entre deux couches isolantes (3A) appliquées sur le dessus et/ou le dessous dudit ensemble. La plaque conductrice peut être en cuivre mais plus probablement en aluminium afin de réduire les coûts. 5 En théorie l'épaisseur des plaques est déterminée en fonction du courant qui va circuler dans la plaque. La face supérieure va donc accueillir des composants dont une patte est fixée sur une plaque conductrice et l'autre patte sur l'autre plaque conductrice. Afin de fixer la patte sur la plaque conductrice située en bas de l'empilement, des lumières 10 (4) sont découpées dans les différentes plaques conductrices et des lumières (4A) dans les et feuilles isolantes. Il est donc prévu sur ces plaques des zones (5) dit de contact où s'établira la connexion électrique avec un composant. De préférence, ce composant est fixé mécaniquement sur la plaque conductrice 15 au centre de la zone de contact. Donc pour obtenir ce type de circuit, on fait appel à un procédé de fabrication d'un circuit multicouche de connexion comprenant la fabrication d'une succession de plaques conductrices présentant chacune au moins une zone (5) de contact, des lumières, la mise en place d'une couche isolante électriquement entre 20 les plaques conductrices (2) que l'on empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones de contacts destinées à établir une connexion avec un composant. Avantageusement, localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise un revêtement conducteur électrique local par un procédé de projection dynamique, 25 à vitesse supersonique au moyen d'un gaz sous pression, de poudre conductrice. 3065616 6 Ceci permet d'avoir un contact avec ce revêtement avec des caractéristiques propres à la nature du matériau projeté et non plus du conducteur. Lorsqu'on projette dynamiquement à vitesse supersonique une poudre, les 5 particules de cette poudre vont lors de l'impact se déformer plastiquement, s'agglomérer et s'incruster sur la surface réceptrice créant ainsi une couche. Et lrsque la couche est mince, de l'ordre de 10 à 50 microns, elle est plus rugueuse que l'état de surface initial de la zone recouverte. Avantageusement on peut aussi traiter dans les mêmes conditions par projection 10 dynamique à vitesse supersonique au moyen d'un gaz sous pression les zones (7) périphérique des zones (5) pour créer une couche mince (8) de rugosité supérieure à la rugosité initiale. Ceci a l'avantage d'augmenter l'adhésion des feuilles isolantes car on augmente la surface de contact avec l'adhésif de la feuille isolante électriquement. On réduit donc les possibilités de fuites de courant qui 15 s'établissent lorsque la feuille adhésive se décolle au niveau de ces bords libres. On procédera de la même manière en créant une couche rugueuse (10) en périphérie de chaque plaque conductrice pour éviter les courants de fuite si le bord des feuilles isolantes se décolle. L'amorce de décollement des feuilles isolantes se fait où il y a rupture de 20 continuité dans la feuille donc au niveau des bords de la feuille ou au niveau des lumières. Eventuellement, on projette dynamiquement, à vitesse supersonique par un gaz sous pression, également cette fois directement sur les zones (5) de contacts, une poudre conductrice pour former une couche (6). Les particules de cette poudre, lors de l'impact, se déforment plastiquement, s'agglomèrent et 25 s'incrustent dans la surface, au niveau de la zone de contact, créant ainsi une couche conductrice électrique et protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiante. 3 0 6 5 6 1 6 7 Pour réduire l'oxydation de la plaque conductrice, on considère que la feuille isolante électriquement va éviter l'oxydation de la partie de la plaque recouverte par cette feuille et donc reste à protéger les zones découvertes que sont les zones 5 (5) de contacts. Localement au niveau des zones (5) de contacts, on réalise un revêtement conducteur électrique local par procédé de projection dynamique, à vitesse supersonique au moyen d'un gaz sous pression, de poudre conductrice. Ceci permet d'avoir un contact avec un revêtement avec des caractéristiques propres à 10 la nature du matériau projeté (par exemple du cuivre) et non plus du conducteur (par exemple de l'aluminium). L'épaisseur sera par exemple de 100 microns. Le procédé de projection dynamique de poudre à grande vitesse par gaz sous pression est aussi connu sous le nom de « cold spray ». Il utilise un gaz comprimé comme de l'azote (N2), de l'hélium (He) ou l'air 15 comme gaz servant à la propulsion de la poudre. Ce gaz est comprimé jusqu'à plusieurs MPa et chauffé jusqu'à 1000°C (selon la nature de la poudre et le substrat). Le gaz est accéléré ensuite dans une tuyère convergente divergente dite de « Laval » pour être éjecté à une vitesse supersonique (autour de 500-1200 m/s). La poudre est introduite dans l'axe ou perpendiculairement dans une chambre de 20 compression, puis est entrainée par le gaz propulseur, et est projetée à grande vitesse sur le substrat. L'énergie cinétique appliquée à la poudre permet à ses particules constituantes de se déformer plastiquement lors de l'impact sur le circuit et de constituer ainsi un revêtement dense, cohérent et très bon conducteur électrique. Bien que le gaz soit chaud, la poudre reste largement sous sa 25 température de fusion, ce qui permet de ne pas modifier ses caractéristiques. Par opposition à d'autres procédés de revêtement par procédé de projection thermique (flamme, plasma, arc électrique, . . .) qui sont caractérisés par la 3065616 8 projection de matière fondue ; le procédé de projection dynamique de poudre, à vitesse supersonique par gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente, affecte moins le support ; et les poudres projetées le sont à des températures inférieures à leurs points de fusion. 5 Ce revêtement pourra être d'une épaisseur comprise entre environ une centaine de microns et plusieurs millimètres. Cette technique permet de cibler les apports de matières et donc de réduire le coût des produits obtenus. Typiquement la poudre projetée sera à base de cuivre sur un support en 10 aluminium. D'autres cas sont possibles, comme du nickel ou de d'argent sur conducteur cuivre ou aluminium. Ceci permet de traiter exclusivement les zones de contacts qui ne sont pas protégées de l'air par le film ou la feuille isolante électriquement, cette feuille ayant alors une deuxième fonction d'étanchéité à l'air. 15 Dans le cas d'utilisation de conducteur en aluminium, la projection de poudre à base de cuivre sur les zones de contacts, permet aussi de résoudre les problèmes de corrosion galvanique. La projection de poudre sur des zones prédéterminées permet de renforcer localement les sections de matières conductrices. 20 Avantageusement, on traite, par projection dynamique à grande vitesse par gaz sous pression, d'une poudre conductrice les zones (9) de la plaque conductrice à fortes densités de courant pour d'une part, augmenter la section de passage en déposant de la matière, et d'autre part apporter un matériau éventuellement plus conducteur que celui constituant la plaque conductrice, pour réduire la résistance 25 électrique. 3065616 9 On détermine préalablement à l'opération par essai ou calcul les zones qui vont chauffer afin de les traiter. L'épaisseur du matériau projetée peut être importante et constituer un rattrapage d'épaisseur ; voire même de constituer localement des plots de connexion avec 5 des surfaces de contacts alignées sur un même plan. La hauteur de rattrapage peut être de plusieurs millimètres. La figure 2 montre une coupe métallographique typique d'un revêtement obtenu par projection dynamique d'une poudre à base de cuivre sur un support en 10 aluminium. En 11 le substrat d'origine et en 13 le revêtement déposé par projection dynamique de poudre. On remarque la différence obtenue de rugosité du revêtement 14 par rapport à celui du substrat 12. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution de courant électrique comprenant la fabrication d'une succession de plaques (2) conductrices destinées à être empilées, la mise en place d'une couche isolante (3) électriquement entre les plaques conductrices que l'on empile, ces dites plaques conductrices présentant des zones (5) de contacts destinées à établir une connexion avec un composant et des lumières (4); ce procédé étant caractérisé en ce qu'en périphérie (7) des zones (5) de contacts, on projette dynamiquement, à vitesse supersonique et par un gaz sous pression au travers d'une tuyère convergente divergente, une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont se déformer plastiquement, s'incruster et s'agglomérer sur la surface et former une surcouche mince qui est plus rugueuse que l'état de surface initial, en vue de renforcer l'adhésion d'un revêtement isolant ajouté ultérieurement. 2. Procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on traite par projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression d'une poudre conductrice sur une zone (10) périphérique de la plaque pour former une couche mince pour augmenter la rugosité de cette zone périphérique, en vue de renforcer l'adhésion d'un revêtement isolant ajouté ultérieurement. 3065616 11 3. Procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution de courant électrique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la couche mince a une épaisseur comprise entre 10 et 50 microns. 4. Procédé de fabrication d'un circuit multicouche de distribution de courant 5 électrique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on projette dynamiquement par gaz sous pression, directement sur les zones (5) de contacts, une poudre conductrice dont les particules de ladite poudre vont lors de l'impact se déformer plastiquement, s'agglomérer et s'incruster dans la surface, au niveau de la zone de contact, et créer ainsi une couche 10 conductrice électrique (6) ayant une épaisseur suffisante pour être protectrice vis-à-vis de l'atmosphère ambiante. 5. Procédé de fabrication d'un circuit de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'après avoir déterminé des zones (9) dans la plaque où 15 un échauffement se produit, on dépose sur les zones identifiées, par projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression, une poudre conductrice en vue d'augmenter localement la section de passage du courant et de diminuer la résistance électrique. 20 6. Procédé de fabrication d'un circuit de distribution selon la revendication 1 caractérisé en ce que on réalise des rattrapages de niveau des zones (5) de contact par dépôt localisée d'un volume (6) de poudre conductrice par le procédé de projection dynamique à vitesse supersonique par gaz sous pression. 3065616 12 7. Procédé de fabrication d'un circuit de distribution selon l'une quelconques des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le matériau constituant les plaques est de l'aluminium et le matériau projeté est à base de cuivre. 5 8. Circuit de distribution de courant électrique multicouches composé de plaques conductrices et de feuilles de matière isolante électriquement, ce circuit présentant des lumières (4) dans les plaques et des zones (5) de contact électriques pour des composants. Ce circuit de distribution étant caractérisé en qu'il est obtenu selon l'une quelconque des revendications 1 10 à7.